考虑GNSS邻域相似性的5G基站高精度定位方法

施 明

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

在数字化发展中，卫星定位技术广泛应用在各个领域中。而5G技术的出现，让网络传输获得了更高的传播速率，也为定位方法提供了新的途径[1]。更高速率的信息传输可以有效地提高实时定位的精度。目前较常用且定位效果较好的方法为GNSS技术，利用该技术对定位目标进行授时来实现实时定位的目的，其中包括有IEEE 1588的时间协议，并通过网络进行传递[2]。GNSS技术下的定位信息接收机中，测距误差一致性较强且难以消除，会影响定位结果，而领域相似性则可以在定位目标范围内进行共同授时，提高精度[3]。起初由于该方法需要传输的定位信息较大，因此适用性较低，但在5G技术的高速传输下，其可以做为对GNSS授时的优化方法。

1 5G基站高精度定位方法设计

1.1 GNSS领域相似性优化定位时间同步

在利用5G通信技术进行定位时，需要得到高精度的时间同步信息，并利用该信息提高定位精度[4]。而在5G移动网络技术中的时间同步通常是依赖GNSS授时技术来进行，定位精度不足。本文则利用GNSS中的领域相似性对GNSS技术进行优化，利用GNSS授时对地区相邻区域进行描述。设某一区域中观测的卫星数为N，而对第m颗卫星的授时信息的正确性的验证，则可以利用对该区域观测的其他卫星数据解算出授时钟差均值δtAV_m及钟差δtm，并进行作差得出Δδtm，即：

得出的Δδtm＞300 ns时，则可以判断第m颗卫星的观测数据处于异常状态，并对其进行剔除。影响卫星实时授时结果的因素较多，包括遮挡和多经干扰，因此卫星中存在一定差异。对于一个完备基站O的钟差值计算可以表示为：

式中，So代表其中对基站O的可视卫星数量；ωi代表在第i颗可视卫星根据上述的领域分配原则得到的权值；δtio则代表在接收卫星数据时获得的第i颗卫星的钟差。根据相似性授时原则，设To代表基站O的基站钟在卫星观测时的授时可以得出该基站的时间解UTCo，计算公式为：

推导出基站O的授时误差，获得优化的定位时间同步结果。

1.2 几何精度确定

影响基站定位精度的因素包括两个。第一个为测量精度，该因素可以通过降低时间同步误差来提高[5]。第二个则是定位基站的几何分布情况。上文已完成了时间同步，而在几何分布上，则通过几何精度因子来表现，设定位的定时总误差为σg，测距误差为σ。则测距误差σ的放大倍数可以表示为：

式中，gii(i=1,…,4)作为G=(HTH)-1的对角空间元素。在定位基站的选择中，本文选择直接选择法来对每个基站的贡献值进行计算，根据利用上述公式得出的GDOP贡献值来选取定位基站。在搭建5G网络中，对基站的建站成本和基站之间的位置优化为：

式中，d代表定位区域中的复用距离；h代表基站的高度；R代表基站的实际有效覆盖范围；Rmax代表基站所能提供的最大覆盖范围；dmax代表定位区域内的最大复用距离；dmin代表定位区域内的最小复用距离。

1.3 三边测量法定位

在提高定位基站的几何精度后，本文利用三边测量法进行定位，其定位原理如图1所示。

图1 三边定位测量示意图

设图1中的3个锚节点的坐标分别(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，其中的定位节点坐标为(x,y)，则得到定位方程组：

由于3个定位锚节点范围交于一点，因此仅能获得一个固定解，而当式（7）无解时，则可以通过最优化方法进行求解，带入定位节点位置则可以得到：

利用式（7）和式（8），来得出定位目标的对应坐标。

2 实验论证分析

为了验证所设计定位方法的可行性，本文利用MATLAB作为实验平台建立定位仿真实验环境，并与传统方法进行对比，判断二者的优劣性。

2.1 实验环境参数

仿真实验环境设为定位难度较高的室内，其中场景范围为38 m×38 m，而室内中墙面对于定位型号的衰弱值为3 dB，室内房门对信号的衰弱为3 dB。实验中的判定标准采用定位误差来进行评估，定位误差e的计算为：

式中，pest代表对定位节点的预估位置，坐标为(,y)；preal代表定位点的实际位置，坐标为(x,y)。实验中定位点位模拟人体移动，利用两种定位方法对其进行实时定位。

2.2 实验结果

实验中每10 s更新一个定位坐标，实验共记录坐标60 s内的移动，实验结果如表1所示。

表1 高精度定位方法定位误差对比

从表1中可以看出，对比传统定位方法与本文设计的定位方法，本文方法的定位误差更接近零，证明本文设计的定位方法精确性更高，满足设计需求。

3 结 论

本文通过利用领域相似性技术来对GNSS定位技术进行优化，提高了授时精度，实验证明改进后的定位方法定位精度更高。而在未来研究中，则需要研究在多组网的复杂情况下的定位时间，进一步提高此定位技术的适应性。