基于SOA的双模数据融合定位方法与测试

2016-05-14 22:39赵全军单鹏傅凯张志森张媛媛
移动通信 2016年7期
关键词:经纬度球面基站

赵全军 单鹏 傅凯 张志森 张媛媛

【摘 要】

随着当代智能手机的出现,在智能终端上实现定位功能已成为不可缺少的增长业务。主要对TD-SCDMA/CDMA2000双模终端的定位技术进行了研究,提出了基于SOA的双模数据融合定位方法,分析了定位算法的数学模型,并给出了定位方案,最后在移动智能双模终端上进行了测试。测试结果表明,该方法实现了双模终端的自主定位功能,可以达到定位误差在300m内的概率为60%的定位精度。

【关键词】

双模终端 无线定位 数据融合 接收信号强度

1 引言

伴随着移动通信网络4G时代的到来,智能手机越来越广泛地被人们所使用。为了满足对通信个人化及高速数据业务的迫切需要,国内各大运营商不断推出自己的增值业务,其中手机定位功能也广泛地被人们所采用。目前,全球定位业务运营市场已进入高速发展阶段,国内市场上已推出基于TD-SCDMA/CDMA2000的双模智能终端机,因此如何实现移动双模终端的无线定位,提高智能终端的定位能力,已成为产品开发过程中一个重要研究内容。

虽然在3GPP中,基于WCDMA和TD-SCDMA网络的定位技术[1-2]以及基于CDMA2000网络的定位技术主要是3GPP2 C.S0022[3]已形成了一系列的标准。但是关于TD-SCDMA/CDMA2000双模定位的成果较少,目前已有的一些成果主要集中在到达时间差的定位算法[4]和智能设备在室内的定位等方面[5]。

本文接下来将在研究电磁波Hata模型[6]、COST-231-Hata模型[7]传输衰减模型的基础上提出一种基于SOA(Signal of Arrival,接收信号强度)的双模数据融合定位方法,并通过数学分析对算法的基本模型以及定位方案进行理论分析,与此同时,还将通过现有的智能双模终端对该算法进行测试。

2 基于SOA的双模数据融合定位方法

在移动通信的实际通信过程中,由于电磁波并非在理想的自由空间中传播,在传输的过程中,电磁波受到空气中尘埃的衍射、吸收以及大地和高大建筑物的反射,其传播路径衰落往往要比自由空间中的衰落值大许多。研究表明[8],无论是室内或室外信道,接收信号的平均功率随着距离呈对数规律衰减,工程中通常根据经验建立一些传播预测路径衰落模型,进行路径损耗预测。

如今已经存在几个经典的路径损耗模型,通常有Okumura模型、Hata模型、COST-231-Hata模型等。这些模型都是研究者根据各种实际应用地形,对场强实测数据总结出来的,它们适用于不同的场合。其中COST-231-Hata模型是欧洲科技合作组织(COST)在Hata模型基础上进行修正扩展得出的。该模型可工作至2GHz频段,是公认的比较适合TD-SCDMA系统的路径损耗模型,所以对TD-SCDMA模块,本文采用COST-231-Hata模型[7]。其载波频率为:1500—2000MHz;基站有效发射天线高度为:30~200m;双模终端有效接收天线高度为:1~10m;收发距离为:1~20km;

由于是用于实际系统的定位,二维平面没有考虑空间高层的影响,所以要基于三维空间来估算双模终端的真实位置。基本思路是采用“三球交会”定位原理[9],得到双模终端到两个基站的距离,然后以两个基站为球心,以基站到智能定位终端的距离为半径,得到两个球面,球面与球面相交得一圆;在地球不规则球面的基础上增加用户高程,获得一个较大的不规则球面;圆与不规则球面相交,得2个点,按方向或参考点信息(如小区ID)从中选择一个较合适的点即为双模终端的位置。下面详细介绍其过程。

首先要把两个基站的WGS-84坐标转换为地心直角坐标系(x, y, z),如公式(1)所示:

其中,N为目标所在点的卯酉圈曲率半径;H为目标当地高度;B为目标纬度坐标;L为目标经度坐标;e2为地球第一偏心率的平方0.006 694 379 901 3;α为地球长半径6 378 137±m。L、B、H、N都与目标位置坐标(x, y, z)有关。

然后对三球面相交的方程求解,已知两个基站的地心直角坐标系为(x1, y1, z1)和(x2, y2, z2),以及双模终端到两个基站的距离d1和d2,在搜索到合适地心球半径d3时,建立方程:

最后再根据双模终端的地心直角坐标数值,将其转换为WGS-84坐标,其中纬度B要通过多次迭代方法求解:

定位流程图如图1所示,图中的T是针对一种搜索步长的地心球半径的上限,可固定为一个较地球长半径(6 378 137m)稍大一点的值,如可设T为(6 378 137+8 000)m。

TD-SCDMA/CDMA2000双模数通信终端主要由TD-SCDMA通信模块、CDMA2000通信模块、处理器、电源管理模块等部分组成。在双模终端上实现自主定位功能,只需要增加相应的软件支持。下面重点给出了基于SOA的数据融合定位方法的测试过程和测试结果。

3 双模终端测试

当启动双模终端定位功能后,返回用户所需位置的经纬度信息,把这些返回的经纬度信息与测试点的真实经纬度信息进行统计分析,就可以得到该定位方法的性能。下面对测试情况进行详细的介绍。

3.1 测试方法

(1)测试环境

由于测试的需要,我们采用的基站是CDMA2000 1x基站,其工作频段为800MHz,所以,对CDMA2000模块,选择Hata路径损耗模型,其有效工作频率介于150MHz和1500MHz之间。

本次研究在所处的环境中选择了200个典型地点做了相应的测试,测试基站为一个TD-SCDMA基站,一个CDMA2000 1x基站。

(2)测试目的:验证基于SOA的双模数据融合定位方法的性能。

(3)测试设备:手持GPS接收机一台、计算机一台、TD-SCDMA/CDMA2000开发板两块、TD-SCDMA/CDMA2000无线模块两个、串口电平转换板两块、串口线两根、直流稳压电源两个、TD-SCDMA/CDMA2000天线各一个。

(4)测试过程:1)打开GPS接收机,通过主菜单设置好参数,进行测试;2)连接好设备;3)分别给模块上电;4)打开专用的串口调试软件,设置好环境,发送查询AT指令[10],模块返回所需的参数信息。

3.2 测试内容

测试时首先用手持GPS接收机测出测试地点的经纬度,一般进行10次测量,求其平均值,得到测试地点的真实经纬度信息。

然后通过计算机串口发送AT+CREG指令获取小区ID,采用AT指令:AT+ZCED,查询主小区环境信息[11]。模块返回相应的参数值,返回参数主要是双模终端接收信号功率和小区环境信息,如小区标识等参数。本次研究一共选择了200个典型点作了测试,在这里针对TD-SCDMA模块和CDMA2000模块各介绍一组测试结果,对测试结果的参数进行详细的说明。然后在一个典型点进行了140次测试,分析其定位效果,最后结合200组测试数据,给出了基于SOA的双模数据融合方法能达到的定位效果。

3.3 测试结果

图2为对一个典型点测试140次的结果,首先用GPS接收机测得测试地点真实的经度为106.6025,纬度为29.536。然后启动双模终端定位功能,用户自主选择定位环境后,返回定位结果(以经纬度形式表示)。其中横坐标表示测试点个数,纵坐标表示经纬度。

根据测试得到的经纬度和真实经纬度二维平面的误差和三维平面的误差如图3所示,其中(x, y, z)为地心直角坐标系值,横坐标表示测试点个数,纵坐标表示误差。

从图3测试得到的经纬度与真实经纬度误差结果显示来看,二维平面的误差主要在150m附近,三维平面的误差主要偏离300m左右。

以下是根据测试、通过对典型地点多次测试得到的200组数据进行分析统计,得到定位误差的累积分布函数图如图4所示。

从上图200次测试结果显示来看,该定位算法可以达到三维距离定位误差在300m内的概率为60%的定位精度。

4 结束语

本文重点介绍了基于SOA的双模数据融合定位方法,利用双模终端进行了测试,并给出了测试结果。这种基于SOA的数据融合定位方法也可以用于实现基于其它网络的数据融合定位,只需要选择合适的路径损耗模型即可,具有较强的实用性。

参考文献:

[1] 3GPP TS 25.305 V7.3.0. Stage 2 functional specification of User Equipment (UE) positioning in Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN)[S]. 2006.

[2] 3GPP TS 23.171 V3.11.0. Functional stage 2 description of location services in UMTS[S]. 2004.

[3] 3GPP2 C.S0022. Location Services (Position Determina-

tion Service)[S]. 1999.

[4] Arie Yeredor. Decentralized TOA-based localization in non-synchronized wireless networks with partial, asymmetric connectivity[A]. 2014 IEEE 15th International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC)[C]. 2014: 165-169.

[5] Agrawal L, Toshniwal D. Smart Phone Based Indoor Pedestrian Localization System[A]. 2013 13th International Conference on Computational Science and Its Applications (ICCSA)[C]. 2013: 137-143

[6] Joseph C Liberti. 无线通信中的智能天线IS-95和第3代CDMA应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002.

[7] GF Pedersen. COST231-Digital Mobile Radio Toward Future Generation Systems,Final Report[C]. European Commission, 1999: 92-96.

[8] Theodore S Rappaport. Wireless Communications Principles and Practice[J]. Prentice Hall PTR, 2001,15(4): 70-88.

[9] 廉保旺,赵楠,王永生. 北斗卫星定位算法研究[J]. 西北工业大学学报, 2007(1): 97-102.

[10] 重庆重邮信科股份有限公司. AT指令用户手册[Z]. 2006.

[11] 中兴通讯股份有限公司. ZTE CDMA模块AT指令说明书[Z]. 2013.

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