考慮GNSS鄰域相似性的5G基站高精度定位方法

施 明

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

在數字化發展中，衛星定位技術廣泛應用在各個領域中。而5G技術的出現，讓網絡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時定位的精度。目前較常用且定位效果較好的方法為GNSS技術，利用該技術對定位目標進行授時來實現實時定位的目的，其中包括有IEEE 1588的時間協議，并通過網絡進行傳遞[2]。GNSS技術下的定位信息接收機中，測距誤差一致性較強且難以消除，會影響定位結果，而領域相似性則可以在定位目標范圍內進行共同授時，提高精度[3]。起初由于該方法需要傳輸的定位信息較大，因此適用性較低，但在5G技術的高速傳輸下，其可以做為對GNSS授時的優化方法。

1 5G基站高精度定位方法設計

1.1 GNSS領域相似性優化定位時間同步

在利用5G通信技術進行定位時，需要得到高精度的時間同步信息，并利用該信息提高定位精度[4]。而在5G移動網絡技術中的時間同步通常是依賴GNSS授時技術來進行，定位精度不足。本文則利用GNSS中的領域相似性對GNSS技術進行優化，利用GNSS授時對地區相鄰區域進行描述。設某一區域中觀測的衛星數為N，而對第m顆衛星的授時信息的正確性的驗證，則可以利用對該區域觀測的其他衛星數據解算出授時鐘差均值δtAV_m及鐘差δtm，并進行作差得出Δδtm，即：

得出的Δδtm＞300 ns時，則可以判斷第m顆衛星的觀測數據處于異常狀態，并對其進行剔除。影響衛星實時授時結果的因素較多，包括遮擋和多經干擾，因此衛星中存在一定差異。對于一個完備基站O的鐘差值計算可以表示為：

式中，So代表其中對基站O的可視衛星數量；ωi代表在第i顆可視衛星根據上述的領域分配原則得到的權值；δtio則代表在接收衛星數據時獲得的第i顆衛星的鐘差。根據相似性授時原則，設To代表基站O的基站鐘在衛星觀測時的授時可以得出該基站的時間解UTCo，計算公式為：

推導出基站O的授時誤差，獲得優化的定位時間同步結果。

1.2 幾何精度確定

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

式中，gii(i=1,…,4)作為G=(HTH)-1的對角空間元素。在定位基站的選擇中，本文選擇直接選擇法來對每個基站的貢獻值進行計算，根據利用上述公式得出的GDOP貢獻值來選取定位基站。在搭建5G網絡中，對基站的建站成本和基站之間的位置優化為：

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

1.3 三邊測量法定位

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

圖1 三邊定位測量示意圖

設圖1中的3個錨節點的坐標分別(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，其中的定位節點坐標為(x,y)，則得到定位方程組：

由于3個定位錨節點范圍交于一點，因此僅能獲得一個固定解，而當式（7）無解時，則可以通過最優化方法進行求解，帶入定位節點位置則可以得到：

利用式（7）和式（8），來得出定位目標的對應坐標。

2 實驗論證分析

為了驗證所設計定位方法的可行性，本文利用MATLAB作為實驗平臺建立定位仿真實驗環境，并與傳統方法進行對比，判斷二者的優劣性。

2.1 實驗環境參數

仿真實驗環境設為定位難度較高的室內，其中場景范圍為38 m×38 m，而室內中墻面對于定位型號的衰弱值為3 dB，室內房門對信號的衰弱為3 dB。實驗中的判定標準采用定位誤差來進行評估，定位誤差e的計算為：

式中，pest代表對定位節點的預估位置，坐標為(,y)；preal代表定位點的實際位置，坐標為(x,y)。實驗中定位點位模擬人體移動，利用兩種定位方法對其進行實時定位。

2.2 實驗結果

實驗中每10 s更新一個定位坐標，實驗共記錄坐標60 s內的移動，實驗結果如表1所示。

表1 高精度定位方法定位誤差對比

從表1中可以看出，對比傳統定位方法與本文設計的定位方法，本文方法的定位誤差更接近零，證明本文設計的定位方法精確性更高，滿足設計需求。

3 結 論

本文通過利用領域相似性技術來對GNSS定位技術進行優化，提高了授時精度，實驗證明改進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的復雜情況下的定位時間，進一步提高此定位技術的適應性。