СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ АБОНЕНТОВ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ
METHOD OF DETERMINING COORDINATES OF MOBILE COMMUNICATION SUBSCRIBERS

Изобретение относится к области построения систем навигации, использующих технологии сотовых сетей мобильной связи.
Из уровня техники известен дальномерный способ определения координат аппарата абонента мобильной связи [1], суть которого заключается в измерении временных задержек распространения сигнала радиотелефона абонента не менее чем до двух сотовых станций сети и расчет дальности от сотовых станций до аппарата абонента. Недостатком этого способа является невозможность определения координат местоположения аппарата абонента, расположенного в пределах радиуса действия одной базовой станции.
Абонент сети мобильной связи при необходимости получения информации об его местоположении через устройства управления мобильного телефона формирует команду на определение координат его местоположения. При этом узел управления и контроля, приняв и обработав эту команду, начинает реализацию процедуры определения координат с последующей корректировкой полученных результатов.
Предлагаемый способ определения координат абонентов мобильной связи позволяет определять местоположение абонента мобильной связи (далее - АМС) на поверхности Земли с заданной точностью путем измерения расстояния от абонента до станций сотовой мобильной связи (далее - CMC) с известными координатами, и обмена координатами абонента между АМС и CMC с одной стороны, и между CMC - с другой, а также способна работать как в режиме информативной избыточности, так и в режиме информативной недостаточности. При этом АМС рассматривается как первичный центр возбуждения, а станции CMC - как возбуждаемые нейроны сети и вторичные центры возбуждения. Под возбуждением понимается прием, запоминание, генерирование и передача сигналов, в которых закодирована информация о координатах АМС.
А
А
Сущность предлагаемого изобретения состоит в вычислении координат точки А(x, y) местоположения АМС, расположенного в пределах радиуса действия минимум двух станций CMC при работе системы в режиме избыточной информативности, а также в пределах радиуса действия одной станции при работе в режиме недостаточной информативности, по измеренным расстояниям от АМС до станций CMC с известными координатами.
А
А
Неоднозначность отсчета координат АМС, определенных по двум CMC, устраняется последующим приемом сигналов хотя бы одной дополнительной CMC. В последующем, после исполнения всего алгоритма определения координат точки А(x, y), координаты этой точки становятся априорными, поэтому неоднозначность не возникает.
Вычисление координат АМС производится согласно алгоритму:
(1)
макс
1) Определяется станция CMC-1, которая имеет максимальный энергетический потенциал Э  радиолинии станция СМС- приемник АМС
(1)
2) Из N станций CMC исключается CMC с энергетическим потенциалом Э.
(2)
3) Из оставшихся (N-1) станций CMC определяется станция СМС-2 с энергетическим потенциалом Э:
(2)
(1)
Э<Э
4) Запросно-ответным методом измеряются расстояния:
где c - скорость распространения радиоволн,
τ - время распространения радиоволн от АМС до i-ой CMC, i=1; 2 и обратно.
5) Решением системы уравнений
А
А
определяются координаты местоположения АМС А(х,у),
где - координаты местоположения АМС,
0А
0A
Х, Y - истинные значения координат местоположения АМС,
Δх, Δу - погрешности измерения соответствующих координат местоположения АМС, обусловленные погрешностями измерения времени распространения радиоволн на трассах станции СМС-1 - АМС, СМС-2 - АМС при существующих технологических возможностях мобильной сети.
6) Повторяется п.3 и определяется СМС-3 с энергетическим потенциалом
7) Повторяется п.4 для СМС-3 и устраняется неоднозначность отсчета.
Координаты АМС передаются:
а) Передатчиком АМС на станции СМС-1 и СМС-2.
ij
б) С каждой из станций СМС-1 и СМС-2 через коммутационный центр на две станции соответственно СМС-3 и СМС-4, СМС-5 и СМС-6 по приоритету минимального расстояния из всей сети сотовых станций min R, где j - номер CMC.
ij
в) Со станции СМС-1 на две станции СМС-5 и СМС-6 по приоритету min R.
Если окажется, что справедливо одно из условий: СМС-3≡СМС-5, СМС-3≡СМС-6, СМС-4≡СМС-5 или СМС-4≡СМС-6, то координатам присваиваются вновь передаваемые значения координат от СМС-1.
А
A
Передача координат АМС А(x, y) производится до заполнения всех станций CMC, с которыми установлена связь по критерию превышения сигналом чувствительности приемника. На каждой CMC после очередного обновления координат АМС вычисляется вектор движения АМС
А
A
Обновление координат т. А(х, у) на станциях CMC происходит циклически с периодом
Таким образом, на каждой станции CMC формируются координаты АМС в независимости от наличия с ним абонентской связи в автоматическом режиме и хранятся в памяти АМС и всех N CMC.
Формирование координат на каждой станции CMC необходимо для резервирования аппаратных ресурсов в пределах области, в которой находится АМС, а также на станциях CMC, расположенных вокруг рассматриваемой области местоположения абонента, которое необходимо для уменьшения погрешности измерения координат АМС при полной загрузке сети связи.
При использовании дальномерной нейросетевой системы определения координат местоположения абонента достигается непрерывный контроль координат местоположения АМС, а также повышение вероятности правильного определения запрашиваемых данных.
Предлагаемый способ определения координат абонентов мобильной связи осуществляется при помощи устройств, состоящих из двух подсистем. К подсистеме №1 относится комплекс технических устройств, входящих в состав аппарата абонента, а к подсистеме №2 относится аппаратура, установленная на базовой станции мобильной связи.
На рис.1 представлена структурная схема аппарата мобильной связи, состоящего из блока обработки речевого сигнала-1, соединенного с канальным кодеком-2, подключенным к контроллеру-3, к которому также подключаются дисплей-4, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)-5, флеш-память-6, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)-7, интерфейс периферии-8. Контроллер непосредственно управляет работой гетеродина-9, выдающего колебания на смеситель-10, который также получает опорные колебания с генератора-11. К канальному кодеку-2 также подключается модем-12 и выход смесителя-10. Излучение и прием сигнала осуществляется через приемопередающую антенну-14, соединенную с усилителем радиочастоты-13, подключенным к модему-12.
На рис.2 представлена структурная схема станции мобильной связи, которая состоит из приемной антенны-15, подключенной к делителю-16 с выводами на N приемников-17, связанных с контроллером CMC-18, который выдает сигналы на К передатчиков-19, присоединенных к сумматору-20, подключенному к усилителю радиочастоты-21, подключенному к передающей антенне-22.
После поступления команды на определение координат местоположения АМС контроллер-3 выдает команды на гетеродин-11, сигнал с выхода которого поступает на смеситель-10, в результате чего принимаемая несущая частота выбранного частотного канала преобразуется в промежуточную частоту, чем обеспечивается прием выбранного сигнала. По наличию пачки коррекции частоты в этом сигнале, представляющей собой фиксированное число бит информации, представленных в виде частотно-манипулированного сигнала, характеризующей начало передачи информации с базовой станции, определяется наличие выделенного канала управления, необходимого для передачи служебной информации в конкретной системе сотовой связи на заданном диапазоне частот на тракте CMC - АМС. После идентификации пачки коррекции частоты контроллер-3 делает прерывание на поиск, записывает в оперативную память метку о точке прерывания поиска, содержащую информацию о последнем определившемся частотном диапазоне, и производит обработку информации о CMC, представленной в виде кода, содержащего идентификационный номер базовой станции. С помощью информации, полученной из канала управления, в оперативной памяти микроконтроллера составляется матрица соответствия, имеющая переменное значение числа строк и столбцов. В матрице в каждой строке хранится идентификационный номер CMC, частотный диапазон, на котором определилась данная станция, а также отношение сигнал/шум, при котором определился данный частотный канал. Затем контроллер-3 считывает информацию из оперативной памяти о последнем зафиксированном частотном диапазоне, возвращается к месту прерывания и продолжает поиск сигнала передачи. После поиска во всем заданном диапазоне частот производится анализ полученной информации, на основании которой выбирается режим работы системы определения координат местоположения АМС. При наличии двух и более базовых станций мобильной связи с допустимыми отношениями сигнал/шум выбирается режим работы с избыточной информативностью.
При работе в данном режиме аппарат абонента, используя канал управления, посылает на базовую станцию, используя ее идентификационный номер, выбранный из матрицы соответствия исходя из максимального отношения сигнал/шум, запрос на установление связи с этим аппаратом. Сигнал с запросом, представляющий собой частотно манипулированные колебания, принимается приемной антенной-15 и поступает на делитель-16. В делителе-16 происходит фильтрация сигнала с целью разделения различных частотных каналов. Выделенный сигнал поступает на приемник-17. В нем происходит преобразование частотно-манипулированного сигнала в двоичный код. Далее он поступает на контроллер CMC-18 базовой станции. По результатам обработки запроса на установление связи формируется ответ аппарату абонента, в котором содержится информация о рабочем частотном диапазоне и временном интервале времени, в котором будет происходить обмен информации. Сформированный контроллером-18 ответ, представляющий собой двоичный код, который хранится в памяти контроллера-18, поступает на передатчик-19 с целью преобразования этого кода в частотно-манипулированный сигнал. Этот сигнал поступает на сумматор-20, формирующий групповой сигнал, который усиливается в выходном каскаде радиопередатчика-21 и излучается через передающую антенну-22.
Контроллер-3, получив информацию о рабочем частотном диапазоне и временном интервале, настраивает аппарат абонента на работу в данном частотном канале и временном интервале и формирует пакет данных, содержащий запрос на подготовку аппаратуры базовой станции к скоростному обмену данных между базовой станцией и АМС. CMC частично выдает прерывания на некоторые операции с целью резервирования аппаратных ресурсов для уменьшения времени ответа базовой станции на запрос об определении координат. После выполнения процедуры подготовки на аппарат абонента отсылается сигнал подтверждения. Получив эту информацию, контроллер-3 отсылает пакет информации на CMC, и одновременно запускается таймер-счетчик, производящий счет тактовых импульсов, которыми синхронизируется работа узлов контроллера. CMC, получив пакет информации, отсылает на АМС сигнал подтверждения, содержащий служебную информацию. Сигнал расшифровывается и поступает на контроллер-3. Работа счетчика приостанавливается. Контроллер-3 по данным о количестве импульсов производит расчет времени распространения сигнала на трассе АМС - CMC. Измеренные данные, а также диапазоны отклонения значений координат, полученные и переданные с базовой станции как служебная информация при последующих измерениях координат местоположения АМС, на которой формировался вектор скорости и область вероятного наличия АМС в заданном районе, записываются в оперативную память АМС.
Далее контроллером-3 выбирается следующий идентификационный номер CMC из матрицы соответствия согласно приоритету и производится аналогичное измерение времени распространения сигнала.
Если после поиска сигнала передачи в заданном диапазоне частот по наличию пачки коррекции частоты определяется только одна CMC с допустимым отношением сигнал/шум, выбирается режим работы системы с недостаточной информативностью.
При работе в режиме недостаточной информативности производится установка соединения между АМС и CMC, аналогично режиму с избыточной информативностью. После установления соединения контроллер-3, используя известный частотный диапазон, а также номер известного временного интервала, отправляет на определившуюся базовую станцию запрос на определение координат в режиме недостаточной информативности. CMC, обработав запрос, отправляет на все ближайшие к АМС станции команду на подготовку к режиму с недостаточной информативностью. На этих станциях происходит резервирование соответствующих частотных диапазонов, а также дополнительных временных интервалов в пределах одного частотного диапазона, выделяющихся для передачи одного канала, в котором будет вестись определение местоположения координат АМС. Это необходимо для введения в канал передачи дополнительной информации, повышающей достоверность информации. Уменьшение подлинности информации вызвано уменьшением максимально допустимого отношения сигнал/шум, необходимого для повышения вероятности определения дополнительной станции в режиме с недостаточной информативностью. Также на базовых станциях контроллером-18 формируется сигнал автоматической регулировки мощности, поступающий на выходной каскад радиопередатчика-21.
После подготовки базовые станции отсылают квитанции о выполненной работе на станцию, которую изначально определил аппарат абонента, которая в свою очередь отсылает ответ на АМС. При получении ответа контроллер-3 устанавливает минимальное значение порогового напряжения в тракте обнаружения сигнала и одновременно формируется такое напряжение автоматическое регулировки усиления приемника, при котором устанавливается максимальный коэффициент усиления усилителя радиочастоты приемника, т.е. устанавливается режим его максимальной чувствительности.
В случае определения дополнительных станций производится замер времени распространения сигнала на трассе CMC - АМС.
В контроллере-3 на основании полученных данных согласно формуле (1) производится расчет координат местоположения АМС. Повторное вычисление координат движущегося АМС позволяет устранить неоднозначность позиционирования.
Подставляя полученные значения в систему (см. формулу (2)), получаем координаты местоположения абонента, определенные путем решения системы уравнений (2) при подстановке координат определившихся CMC, а также измеренного расстояния от АМС до CMC. Полученные при расчете координаты проверяются на их наличие в заданных интервалах, полученных с базовых станций. Информация о местоположении АМС выдается на дисплей-4. После этого координаты отправляются на базовую станцию согласно ее адресу, выбранному из матрицы соответствия, исходя из максимального отношения сигнал/шум. Координаты о местоположении АМС передаются в общую информационную сеть.
Предложенный способ посредством устройства позволяет непрерывно в реальном времени контролировать координаты местоположения АМС, имеет высокую дальность определения координат за счет реализации алгоритма с недостаточной информативностью, позволяет получать информацию на любой из входящих в сеть CMC о местоположении АМС с учетом его движения, и, по сравнению с прототипом, имеет более высокую стабильность в работе при различных геофизических условиях.
Использованные источники
1. Технологии построения систем местоопределения.
Дальномерный метод.
http://kunegin.narod.ru/ref6/gpsl/tecnolog.htm