考慮GNSS鄰域相似性的5G基站高精度定位方法

施 明

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

在數(shù)字化發(fā)展中，衛(wèi)星定位技術(shù)廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中。而5G技術(shù)的出現(xiàn)，讓網(wǎng)絡(luò)傳輸獲得了更高的傳播速率，也為定位方法提供了新的途徑[1]。更高速率的信息傳輸可以有效地提高實(shí)時(shí)定位的精度。目前較常用且定位效果較好的方法為GNSS技術(shù)，利用該技術(shù)對(duì)定位目標(biāo)進(jìn)行授時(shí)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位的目的，其中包括有IEEE 1588的時(shí)間協(xié)議，并通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞[2]。GNSS技術(shù)下的定位信息接收機(jī)中，測(cè)距誤差一致性較強(qiáng)且難以消除，會(huì)影響定位結(jié)果，而領(lǐng)域相似性則可以在定位目標(biāo)范圍內(nèi)進(jìn)行共同授時(shí)，提高精度[3]。起初由于該方法需要傳輸?shù)亩ㄎ恍畔⑤^大，因此適用性較低，但在5G技術(shù)的高速傳輸下，其可以做為對(duì)GNSS授時(shí)的優(yōu)化方法。

1 5G基站高精度定位方法設(shè)計(jì)

1.1 GNSS領(lǐng)域相似性優(yōu)化定位時(shí)間同步

在利用5G通信技術(shù)進(jìn)行定位時(shí)，需要得到高精度的時(shí)間同步信息，并利用該信息提高定位精度[4]。而在5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的時(shí)間同步通常是依賴GNSS授時(shí)技術(shù)來進(jìn)行，定位精度不足。本文則利用GNSS中的領(lǐng)域相似性對(duì)GNSS技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，利用GNSS授時(shí)對(duì)地區(qū)相鄰區(qū)域進(jìn)行描述。設(shè)某一區(qū)域中觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)為N，而對(duì)第m顆衛(wèi)星的授時(shí)信息的正確性的驗(yàn)證，則可以利用對(duì)該區(qū)域觀測(cè)的其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)解算出授時(shí)鐘差均值δtAV_m及鐘差δtm，并進(jìn)行作差得出Δδtm，即：

得出的Δδtm＞300 ns時(shí)，則可以判斷第m顆衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)處于異常狀態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行剔除。影響衛(wèi)星實(shí)時(shí)授時(shí)結(jié)果的因素較多，包括遮擋和多經(jīng)干擾，因此衛(wèi)星中存在一定差異。對(duì)于一個(gè)完備基站O的鐘差值計(jì)算可以表示為：

式中，So代表其中對(duì)基站O的可視衛(wèi)星數(shù)量；ωi代表在第i顆可視衛(wèi)星根據(jù)上述的領(lǐng)域分配原則得到的權(quán)值；δtio則代表在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)獲得的第i顆衛(wèi)星的鐘差。根據(jù)相似性授時(shí)原則，設(shè)To代表基站O的基站鐘在衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)的授時(shí)可以得出該基站的時(shí)間解UTCo，計(jì)算公式為：

推導(dǎo)出基站O的授時(shí)誤差，獲得優(yōu)化的定位時(shí)間同步結(jié)果。

1.2 幾何精度確定

影響基站定位精度的因素包括兩個(gè)。第一個(gè)為測(cè)量精度，該因素可以通過降低時(shí)間同步誤差來提高[5]。第二個(gè)則是定位基站的幾何分布情況。上文已完成了時(shí)間同步，而在幾何分布上，則通過幾何精度因子來表現(xiàn)，設(shè)定位的定時(shí)總誤差為σg，測(cè)距誤差為σ。則測(cè)距誤差σ的放大倍數(shù)可以表示為：

式中，gii(i=1,…,4)作為G=(HTH)-1的對(duì)角空間元素。在定位基站的選擇中，本文選擇直接選擇法來對(duì)每個(gè)基站的貢獻(xiàn)值進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)利用上述公式得出的GDOP貢獻(xiàn)值來選取定位基站。在搭建5G網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)基站的建站成本和基站之間的位置優(yōu)化為：

式中，d代表定位區(qū)域中的復(fù)用距離；h代表基站的高度；R代表基站的實(shí)際有效覆蓋范圍；Rmax代表基站所能提供的最大覆蓋范圍；dmax代表定位區(qū)域內(nèi)的最大復(fù)用距離；dmin代表定位區(qū)域內(nèi)的最小復(fù)用距離。

1.3 三邊測(cè)量法定位

在提高定位基站的幾何精度后，本文利用三邊測(cè)量法進(jìn)行定位，其定位原理如圖1所示。

圖1 三邊定位測(cè)量示意圖

設(shè)圖1中的3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，其中的定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(x,y)，則得到定位方程組：

由于3個(gè)定位錨節(jié)點(diǎn)范圍交于一點(diǎn)，因此僅能獲得一個(gè)固定解，而當(dāng)式（7）無解時(shí)，則可以通過最優(yōu)化方法進(jìn)行求解，帶入定位節(jié)點(diǎn)位置則可以得到：

利用式（7）和式（8），來得出定位目標(biāo)的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)定位方法的可行性，本文利用MATLAB作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立定位仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比，判斷二者的優(yōu)劣性。

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)

仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)為定位難度較高的室內(nèi)，其中場(chǎng)景范圍為38 m×38 m，而室內(nèi)中墻面對(duì)于定位型號(hào)的衰弱值為3 dB，室內(nèi)房門對(duì)信號(hào)的衰弱為3 dB。實(shí)驗(yàn)中的判定標(biāo)準(zhǔn)采用定位誤差來進(jìn)行評(píng)估，定位誤差e的計(jì)算為：

式中，pest代表對(duì)定位節(jié)點(diǎn)的預(yù)估位置，坐標(biāo)為(,y)；preal代表定位點(diǎn)的實(shí)際位置，坐標(biāo)為(x,y)。實(shí)驗(yàn)中定位點(diǎn)位模擬人體移動(dòng)，利用兩種定位方法對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中每10 s更新一個(gè)定位坐標(biāo)，實(shí)驗(yàn)共記錄坐標(biāo)60 s內(nèi)的移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 高精度定位方法定位誤差對(duì)比

從表1中可以看出，對(duì)比傳統(tǒng)定位方法與本文設(shè)計(jì)的定位方法，本文方法的定位誤差更接近零，證明本文設(shè)計(jì)的定位方法精確性更高，滿足設(shè)計(jì)需求。

3 結(jié) 論

本文通過利用領(lǐng)域相似性技術(shù)來對(duì)GNSS定位技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高了授時(shí)精度，實(shí)驗(yàn)證明改進(jìn)后的定位方法定位精度更高。而在未來研究中，則需要研究在多組網(wǎng)的復(fù)雜情況下的定位時(shí)間，進(jìn)一步提高此定位技術(shù)的適應(yīng)性。