一种考虑基站位置误差的gsm-r的干扰源定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于GSM_R(Global System for Mobile Communications-Railway，铁路 无线通信网)干扰源定位技术领域，涉及一种用于GSM-R的干扰源定位方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国铁路运输的不断发展，现有的模拟制式的铁路移动通信系统由于技术落 后、设备陈旧、功能单一，已不能满足现代化铁路发展的需求，因此，基于GSM标准的GSM-R (Global System for Mobi le Communications-Railway)得到了快速的发展。GSM-R是一 种专门为铁路通信设计的无线数字通信系统，该系统在GSM标准基础上增加了调度、控制等 通信功能，并具备高速环境下使用的特点。GSM-R技术的不断成熟，加快了我国铁路信息化 建设的步伐，为促进我国铁路的发展和提高竞争力提供了可靠的保证。
[0003] GSM-R频率段主要工作在885-889/930-934MHZ范围内，共4MHz带宽，该频段曾为铁 路GSM-R和中国移动公众移动通信系统按地域共用，现在由GSM-R系统独享该频段。由于GSM 网络布网较早，GSM-R频段独享后，GSM虽然采取了增补频段的方法，但GSM和GSM-R网络的共 用覆盖问题并没有全部的得到解决，所以中国移动GSM增补频段的信号源仍会对GSM-R网络 产生干扰，不仅如此，对于其余的如联通、电信和无线电台等发射的信号也有可能造成同频 干扰和互调干扰，以及非法未授权的基站或者天线也会造成同频干扰，由于GSM-R网络的地 形复杂，网络内部也存在同频干扰的问题。这些无线干扰信号都会影响GSM-R的正常接收和 发射，给基站覆盖区域的移动通信带来掉话、通话质量差、信道拥塞等问题，从而导致铁路 运营的工作效率下降，甚至给铁路的安全运行、旅客的生命安全和国家的发展带来隐忧。因 此，亟需发展高效的GSM-R干扰源定位算法，从物理上消除干扰源对铁路无线通信系统的影 响，确保铁路通信系统的安全运行。
[0004] GSM-R网络干扰源的定位算法主要分为测距定位算法和非测距定位算法两类，非 测距算法主要包括质心算法、Dv-Hop算法和APIT算法。由于非测距算法只能提供粗精度的 定位服务，因此发展了基于测距的定位算法。基于测距的定位算法是通过测量网络中节点 间的距离或方向角度以及信号强度来计算定位节点坐标的。主要测量技术有A0A(arrival of angle到达角度）、RSS(received signal strength接收信号强度），T0A(time of arrival到达时间）、TD0A(time difference of arrival到达时差)等。目前，在这些定位算 法中，还没有出现考虑到移动站可能存在位置误差的情况，因此本发明发展了一种考虑移 动站位置误差的铁路无线通信网干扰源定位方法，进一步提高了对干扰源的定位精度，弥 补了现有的铁路无线通信网干扰源定位方法中未考虑移动站位置误差的这一不足。
【发明内容】
[0005] 本发明目的是针对现有的GSM-R网络干扰源定位技术中存在的缺点与不足，用位 置误差加权矩阵，消除移动站位置误差对定位结果的影响，发展了一种考虑移动站位置误 差的铁路无线通信网干扰源定位方法。
[0006] 本发明的技术方案是:一种考虑基站位置误差的GSM-R的干扰源定位方法，其特征 在于，包括以下步骤：
[0007] 步骤1:获得n-1个TD0A和n个A0A测量值，构建几何方程组。
[0008] 假设铁路无线通信网中的n个移动站的位置坐标为(Xl，yi)，i = l，2, . . .，n，干扰源 的位置坐标为(x，y )，对干扰源和移动站构建如下方程组：
⑴
[0010]其中n为干扰源到第i个移动站的距离值，r1;1为干扰源到第i个移动站的距离与 到第1个移动站的距离差，I为干扰源到第i个移动站的弧度。
[0011]对式(1)展开化简可得：
[0012] I ^.i^++ ^ (2) | sin 0,x - cos j = 4 Sin 6*. - cos ^, i = 1,, n
[0013] 其中，叉1,1 =叉111，5^,1 = }^11，&=<+>7。
[0014]将式(2)写成矩阵形式为：
[0015] Y=GZ (3)
[0016] 其中：
[0017] 步骤2:忽略移动站位置误差，对干扰源位置坐标进行初步估计。
[0018] 步骤1所建立矩阵方程中，rdne:为实测的距离值和弧度值，存在一定的测量误差， 如下所示： ?；? - r{+
[0019] < = (4、 V *
[0020] 其中，彳和含为真实的距离值和弧度值，％和，分别为测量的距离误差和弧度误差， 服从均值为零的高斯分布，方差分别为<和^ ?
[0021] 将式(4)代入式(3)中可得残差为：
[0022] e = Y-GZ (5)
[0023]对式(5)求最大似然估计值，可得干扰源的位置坐标初步估计值：
[0024] Z=(GTcov(e)_1G)_1GTcov(e) _1Y (6)
[0025]其中，cov(e)为误差矢量的协方差矩阵：
[0026] cov(e) =E(eeT) (7)
[0027]将式(5)展开可得：
[0029] 其中 3;w=/7，，-'。
[0030] 由式⑶可知*(象-尽一幻=A-U计_Va.V+/Vi，（々一伞把4 =:(乃-少) (8)进行泰勒展开并忽略高次项，可得：
[0032] 由式（9)可得 eiej，en+i-ien+j-1，e〖和 的期望值为：
[0033] ^ (/7/i ) (10) = ij = 1,2,..., n-1,/' /
[0034] 五(Q-A-) = ￡【(A -伞 〇s 身 + (>.,' 'v) sin $ ]~[(x 厂 x)cos 色 + /', / ^l,2,...,n,i =t j (11) E(e：)^E (-/；+1 (?,,+1-?"))"
[0035] =々:丨(￡(";,)+￡'(〇) ( 〇 :奸w; ./ = 1'2,. 1 ￡.(4, 〇 =五{[(?、一-Ocosg+U-.v)sin4]
[0036] =[(1 _x)c0s4 +(.v,. -.v)siii4]- ￡(4) ,n； =(x. -^)cos6> +{yi - r)sin^ a' i. = l:，2，.…，n
[0037] 将式(10)，（11)，（12)，（13)代入式(7)可得误差矢量的协方差矩阵为： ~B 0 ]
[0038] ：C0v(e)= r (14) 0 Bg_ 2i；o； ?? .r2r"crr2
[0039] 其中，A=. '? - .i?" =rfMg|((.r, -:?:)cos4 +(>',.-^silllj ff； ? |(j:" -.<)eosd" +(yn > %心.-祝丄 Be中含有未知量x和y，可先用TDOA进行初步估计，再将估计值代入Be，BP : _〇] (15) ^2.1 3'21 %. k2-kX-rU
[0041] 其中，G-: ; ? ： k^oa=- i 卜 _U?,1 vl [Wdj U.
[0042] 步骤3:通过干扰源位置坐标初步估计值，构建位置误差加权矩阵。
[0043] 通过式(6)得到的干扰源位置坐标初步估计值，没有考虑移动站的位置误差，实际 上移动站的位置坐标是通过GPS进行定位的存在一定的误差，因此为提高干扰源的定位精 度，需根据干扰源位置坐标的初步估计值构建位置误差加权矩阵，消除位置误差对定位结 果的影响。
[0044] 首先，对带位置误差的移动站进行建模：
[0045] =x; +/zA ,= v( J = l,2,..t,n (16)
[0046] 其中，％和气为位置误差，相互独立且服从零均值的高斯分布，标准差分别为〇x和 〇y 〇
[0047] 将式（16)代入到式(5)中展开可得：
[0048] =y((-t, ] + (A+, + ?n+1 f - (-^1 + \)' -(.Fi + ?;")" - (in + %,,)") =T-^i +!?；. +I3^i + v/+.?,,, +iwn , ~Tfi ~T< -l3V ~ A?,., ~f -+1 + 了);二1 - 士-'T - 士)Y -X，+UX -fr+U少-G+lZl +-?!+i?Vl +T?t, +^+l/J'+, +2nlM - \n,, - V,?v, -\n\ -i：u?,+1., -T?；t,, --%^y ~^+un =1-(^1 + yL- fi - }tu) - ^nux - >/ m-v - n+uri +T?l, +JI!1?,,+1 +3<, --M,, -T?； ~A?V, -T?2, -^+1(?,,+1 -?n)-T,7iu ./ 二 1，.2，.._.,,n-1 (17)
[0049] e,ni i = -v/ s*n ^ _.l?/ -.vsin <7. h- vcos^ = (.v. -,v + ；7v )sin(^( +?, )-(.r,- )cos(4 + ?" ) =f v -.r-f n jlsin^ cos/?f； cos^ )-( r - v-h/7r )jcos^ cosnr -sin^ sin/?,,) \ - 1 八 1 1 ，; (18) -.(i- -%)sin 4 -{% - j)cos^ cos~sing -，?r cos$ )cos% + (x,-A'jcosf). 4-( v. - v)sin^ sin;?,. cos^) -i-ny sin^; jsin/?/； i =
[0050] 其中 &叫 &《,+, - \，衫細=l -%。
[0051] 由式（3