一种应急通信终端定位子系统和定位方法

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一种应急通信终端定位子系统和定位方法\n技术领域\n[0001] 本发明公开了一种应急通信终端定位子系统的建立和相应的定位方法，涉及固定电话和移动电话的定位方法、应急通信定位子系统的建立流程，属于通信和应急电话定位相关领域技术。\n[0002]\n背景技术\n[0003] 当产生应急通信（如110、122、119等）时，往往发生紧急情况需要处理和救援，此时接警中心和应急救援车如能及时掌握报警终端的地理位置就可以更快的进行处置，就能及时挽救生命和财产。出于此种需求，有必要建立一套应急通信定位子系统。\n[0004] 出于上述需求本发明建立了一种应急通信终端定位子系统，系统包括通过本发明的方法、算法对固定应急电话和对移动应急电话进行定位、应急通信定位子系统通过CRM接口与固话通信系统相连、应急通信定位子系统通过TCP/IP接口与大数据平台相连、应急通信定位子系统通过A接口与移动通信系统相连、应急通信定位子系统通过目前现网使用的移动通信接口（2G、3G、4G）与应急救援车载系统相连，最后将应急通信终端的地址信息在应急定位系统平台和应急救援车载系统的地图中显示出。\n[0005] 所述定位方法特征包括：1.固定电话定位方法：通过固话电话号码，结合最新固话地址信息数据库、大数据平台、固话号码归属地分析的方法；2.移动电话定位方法：通过移动终端的主服务小区的CellID、获取移动通信终端的GPS信息、获取移动终端的TA值（Time Advance 时间提前量）并结合精确的基站经纬度数据库通过本发明专利中的算法一：通过主基站服务小区的TA值与主、次强服务信号基站位置算法确定应急终端的位置；算法二：通过以主基站、次强基站、次次强基站TA值换算的长度为半径画三个圆，以三圆相交区域、三个交点坐标、三个交点坐标分别取经度和纬度中值方法确定应急终端的位置。\n[0006] 现有的技术中对终端定位的方法有很多，如手机定位技术是小区识别码（Cell ID）的定位技术、手机GPS（或A-GPS）定位技术、利用WIFI进行定位技术, Cell ID定位技术存在的问题是精度差，其精度差可以从几百米到几千米；GPS定位技术受限于移动终端需带GPS功能、因环境等因素导致手机无法获取至少3颗以上GPS卫星信号、移动核心网无法获取手机GPS信息等；WIFI定位技术受限于WIFI网络覆盖影响，目前只有部分中心城市的小部分区域具备WIFI覆盖。\n[0007] 本发明专利中的关于手机定位的两个算法：算法一：通过主基站服务小区的TA值与主、次强服务信号基站位置算法确定应急终端的位置；算法二：通过以主基站、次强基站、次次强基站TA值确定应急终端的位置，可以解决上述的Cell ID定位技术精度不高、手机不具有GPS无法定位、WIFI覆盖不足等移动终端定位问题，是对现有的移动终端定位方法的有益补充。\n发明内容\n[0008] 本发明的内容在于设计一种应急通信终端定位子系统，包含固定应急电话定位平台和对移动应急电话定位平台、通过CRM接口与固话通信系统相连、通过TCP/IP接口与大数据平台相连、通过A接口与移动通信系统相连、通过目前现网使用的移动通信接口（2G、3G、\n4G）与应急救援车载系统相连，最后将应急通信终端的地址信息在应急定位系统平台的地图中显示出，应急通信终端定位子系统结构如附图1所示。\n[0009] 应急通信终端定位子系统包含固话通信定位平台和移动通信定位平台，分别针对固话应急通信的定位和移动应急通信的定位，下面将分别介绍建立两种通信终端定位系统的方法。\n[0010] 一.固话通信终端定位方法\n当用户通过固话通信系统进行应急通信时，应急服务台会收到用户的固话号码，可以据此号码确定用户的位置，定位方法如下。\n[0011] 1)建立包含所有最新固话地址信息数据库（固话运营商具有大部分固话的地址信息，应急服务台通过固话运营商获取固话地址信息并及时更新）的固定电话定位平台。\n[0012] 2）通过固话电话定位平台自带的搜素引擎，找到进行应急通信固话的具体地址，就能实现对此固话进行定位。\n[0013] 3）当呼叫应急通信的固话信息不在固话数据库中时，利用大数据检索方式搜索出固话的具体地址，具体方法：通过与外网（Internet等）的通信接口（TCP/IP等）和大数据平台（如社会保障数据库、移动运营商数据库等含有固话和地址关联的信息）建立链接，通过外网搜索引擎，找到进行应急通信固话的具体地址，就能实现对此固话进行定位。\n[0014] 4）当呼叫应急通信的固话信息不在固话数据库中时，通过固话号码进行大致定位，目前我国目前固定电话号码划分规则是分级划分的，第1级是国家总汇接中心、主国际接口局所在地，即首都北京，使用一位区号，就是1； 第2级为直辖市和大区中心使用两位区号； 第3级为省交换中心和地区交换中心，使用三位区号，且首位与大区交换中心城市两位区号的末位对应；第4级为县交换中心，使用四位区号；5级交换中心即为本地交换端局，一般为市话端局。方法是按固话划分规则逐级查出应急通信固话所在城市、县、乡，再按局号查出归属地，定位可以精确到村镇。\n[0015] 二.移动通信终端定位方法\n当用户通过移动通信系统进行应急通信时，应急通信定位子系统可以通过获取移动终端的GPS信息、所在小区信息、TA值确定用户的位置，定位方法如下。\n[0016] 1）首先建立一个包含所有基站精确经纬度信息、TA值（时间提前量）和距离的精确换算表的移动终端定位平台。\n[0017] 基站经纬度的获取方法：\n工作人员到基站天线所在位置，通过GPS、移动信号测试手机确定基站精确的经纬度，作好记录，所有基站经纬度数据汇总形成基站经纬度数据库；\nCDMA（码分多址移动通信）、TD-SCDMA（时分双工技术的同步码分多址系统）这两个系统基站自带GPS，可以通过BSC（基站控制器）、RNC（无线网络控制器）的电脑终端获取。\n[0018] 建立TA值（时间提前量）和距离的精确换算表：\n工作人员利用测试手机，测距仪等工具，在基站附近按远近分别选点测试离基站的距离、测试手机中的TA值，在进行海量测试后，可以建立TA值（时间提前量）和距离间关系数据库，通过加权平均、正态分布方法做出TA值（时间提前量）和距离的精确换算表。\n[0019] 2）获取移动终端的主服务小区CellID信息大致确定移动终端位置\n当移动终端进行紧急呼叫时（110，199，122等），应急通信定位子系统可以在通信信道中提取移动终端所在的CellID信息，并通过应急服务台中CellID的经纬度信息、覆盖信息大致定位出终端所在位置，此方法优点是定位迅速，缺点是误差较大可达几百米、上千米，CellID定位移动终端位置如附图2所示，在获取移动终端所在的CellID信息后，可通过以下方法继续定位。\n[0020] 3）获取移动终端的GPS信息确定移动终端位置\n此方法只针对带有GPS的移动终端。具体方法是：当终端进行紧急呼叫时（110，199，122等），应急通信定位子系统在得到终端所在的CellID信息，并大致定位出终端所在位置后，通过网络侧（MSC、CS、MME等）从业务信道中发送GPS开启指令，发起提取应急通信终端GPS经纬度信息的SUPL（Secure User Plane Location安全的使用者接口定位）流程等办法，应急通信定位平台可以获取应急通信终端的当前位置。\n[0021] 如GPS未开启，而从开启至锁定3颗以上GPS卫星需要一定时间，应急通信定位平台可以在等待N秒后（N:终端平均锁星时间），再次发起提取应急通信终端GPS经纬度信息的SUPL流程，直至在2N秒内获取应急通信终端的位置信息。\n[0022] 此方法优点是误差很小几米之内，缺点是应急通信终端锁定不到3颗以上的GPS卫星、部分应急通信终端无GPS功能、定位时间较长等。通过移动终端的GPS信息进行定位遇到的问题如附图3所示。\n[0023] 如应急通信终端没有GPS或无法锁定3颗以上GPS卫星，即当进过2N秒后应急通信定位平台仍无法提取应急通信终端的GPS信息，网络侧可以在接入准许信道（AGCH）等信道中获取TA值（时间提前量），并通过以下方法进行定位。\n[0024] 1）通过移动终端的TA值（时间提前量）确定位置\n由于上述方法1的CELL ID法精度低、方法2中的要求移动通信终端必须具备GPS功能等限制，研制开发出一种既能提高手机定位精度又无需进行手机硬件和软件的改动，不增加手机成本的移动通信终端定位方法是本领域当前急需的任务。\n[0025] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种移动通信终端定位方法，包括以下步骤。\n[0026] 步骤1.当移动终端发起定位请求时，移动终端定位平台可获取移动终端消息中的主服务小区的TA值（时间提前量）；\nTA值（时间提前量）的获取：\nTA值（时间提前量）的目的是为了补偿电波传输延迟。手机在初始接入时，基站或手机不知道对端离开自己的距离。手机在随机接入信道（RACH）上发起接入请求时，在基站解码手机的随机接入请求时计算出了该信号的传输时延（即知道了手机离开自己的距离），基站会在随后的接入准许信道（AGCH）上以TA值的方式告诉手机其离开自己的距离，要求手机随后在业务信道（TCH）的信号发射时提前TA所代表的时间值。\n[0027] 移动终端定位平台通过与各移动通信系统（GSM、CDMA、TD-SCDMA、WCDMA）的通信A接口，发出提取需定位服务终端的TA指令，各移动通信系统（GSM、CDMA、TD-SCDMA、WCDMA）可以在各自的OMC（操作维护中心）、MSC（移动交换中心）、BSC（基站控制器）中跟踪到需定位服务终端的主服务小区所发出包含TA的信道，并提取TA值发给移动终端定位平台。\n[0028] 步骤2.算法一：通过主基站服务小区的TA值与主、次强服务信号基站位置算法确定应急终端的位置。\n[0029] 在通过上述步骤1获取主服务基站小区的TA值后，根据已建立的基站位置信息、TA值（时间提前量）与距离的对应关系，以主服务基站A为圆点，主服务基站TA值换算的长度R为半径画圆。\n[0030] 在移动终端发起应急呼叫时，当移动终端与基站呼叫建立完成后，在Handover Command信道中包含有邻区信息，按信号强度分次强、次次强……服务小区，可以找到次强信号的服务小区基站B（与主服务小区不同的基站），根据已建立的基站位置信息得到次强基站B位置坐标。\n[0031] 根据已建立的基站位置信息，分别找出主服务小区基站A的经纬度（a1,b1）、次强服务小区基站B的经纬度（a2，b2），通过以下公式算出两个基站间的距离D。\n[0032] D=[(a1-a2)2+(b1-b2)2]\n由于前述已得到主服务基站TA值换算的长度R，通过以下方程式可以算出两个基站直线相连间的距主服务基站距离为R的点E的经纬度坐标值。\n[0033] (X-a1)²+(Y-b1)²=R²\n(X-a2)²+(Y-b2)²=(D-R)²\n通过上述方程式的求解得出两个圆的交点E坐标分别为（X，Y），因为交点E位于主基站和次强基站的直线连线上，故上述方程式求出的交点E的坐标应该为一点，如附图 4所示。\n[0034] 交点E（X,Y）可近似认为是移动应急呼叫终端的位置。\n[0035] 步骤3.算法二：通过以主基站、次强基站、次次强基站TA值换算的长度为半径画三个圆，以三圆相交区域、三个交点坐标、三个交点坐标分别取经度和纬度中值方法确定应急终端的位置。\n[0036] 上述算法一确定的移动应急呼叫终端的位置的优点是对移动终端定位快、算法简单、只要移动终端与基站呼叫建立完成即可通过此算法定位、无需进行强制切换操作对移动通信网络无影响……,缺点是定位精度会受基站信号、主次基站位置精度等影响下降；如果本着救急呼叫优先原则，移动系统可以允许对移动应急呼叫终端采用强制切换以获得移动应急呼叫终端位置，就可以采取以下算法获得移动应急呼叫终端位置。\n[0037] a.本算法的方法是终端定位平台对终端发起强制切换至次强基站小区消息，获取终端消息中心的次强服务基站小区的TA值（时间提前量）；\nb.强制切换至次强基站小区的目的是将终端的主服务小区变更为次强基站小区，此时次强基站小区与终端间建立起了业务信道（TCH）等信道，内含TA值，移动终端定位平台就可以通过各移动通信系统（GSM、CDMA、TD-SCDMA、WCDMA）的通讯接口提取到TA值。\n[0038] c.反复步骤b获取次强、次次强、次次次强等多个基站服务小区的TA值（时间提前量）；\nd.当定位平台获得至少A、B和C的3个以上TA值（时间提前量）后，根据已建立的基站位置信息、TA值（时间提前量）与距离的对应关系，通过以主基站、次强基站、次次强基站TA值换算的长度为半径画三个圆，这三个圆相交区域大致可确定应急终端的位置。如附图5所示。\n[0039] e.求出三圆重合区域的三个交点坐标：\n先分别求出两圆的相交点，方法如下：\n已知基站A的坐标为（a1，b1），以基站A到移动应急通信终端的TA①值换算的长度值为半径R1；基站B的坐标为（a2，b2），以基站B到移动应急终端的TA②值换算的长度值为半径R2；\n据此列二元二次方程组\n(X-a1)²+(Y-b1)²=R1²\n(X-a2)²+(Y-b2)²=R2²\n通过上述方程式的求解得出两个圆的交点坐标分别为（X1，Y1）（，X2，Y2）\n同理可以算出其余两圆分别相交点坐标（X3，Y3）（，X4，Y4）和（X5，Y5）（，X6，Y6）。\n[0040] 分别取上述两圆相交的两个交点坐标中与第三个基站坐标近的交点（X1，Y1），（X3，Y3），（X5，Y5）；这三个交点坐标既是三圆重合区域的三个交点的坐标，交点坐标如附图\n6所示。\n[0041] f.通过三个交点坐标分别取经度和纬度中值方法确定应急终端的位置\n分别取三圆重合区域的三个交点坐标的经度、纬度为一组，在经度组中取位于三者之间的中间经度作为移动应急通信终端的经度，同理，在纬度组中取位于三者之间的中间纬度作为移动应急通信终端的纬度，换算公式如下：\n移动应急通信终端经度X=X1+X3+X5-MAX（X1，X3，X5）+MAX（-X1，-X3，-X5）移动应急通信终端经度Y=Y1+Y3+Y5-MAX（Y1，X3，X5）+MAX（-X1，-X3，-X5）由以上算法导出移动应急通信终端的经纬度（X,Y），可以较快、较准确的确定其位置，如附图7所示。\n[0042] g.对三圆相交法为何产生重叠覆盖区域的进一步阐明\n为何此方法能产生重合区域，而不是如附图8所示产生三个不相交的圆呢？\n原因如下：\n一般移动终端接收到的基站信号要经过绕射、折射、散射等方式到达移动终端，由实际TA换算成的基站覆盖半径要大于基站实际覆盖半径。\n[0043] 即使移动终端与基站发射天线处于目视距离（即基站信号到达移动终端处于直线传播情形），由于天线与终端不在同一水平面，此时的TA换算的基站覆盖半径仍然大于基站与终端处于同一水平面的二维覆盖半径。\n[0044] 所以如附图9所示，一般情况下，基站天线发出的信号到达移动终端的实际TA值换算出的基站覆盖半径TA，大于理想状态下基站与移动终端处于同一平面的二维覆盖半径R。\n[0045] 如果采用数字地图，消除基站天线与移动终端的高度差影响，那么上述三个基站覆盖重合区域将趋于一点，即覆盖重合区域将很小，定位精度会更高，如附图10所示。\n[0046] 本算法包括先通过手机与前两个基站（1,2）的距离信息获得手机大致的位置，再通过手机与第3个基站的距离精确定位手机位置，如果位置误差较大（可能存在直放站等情况），可从1，2，3，4，5。。。。中选取3个任意组合按上述算法直至误差最小，最后以误差最小的结果为最终结果输出。因此使用者无需更换自己的手机，运营商同样不需对设备进行大的软硬件改动，就可以实现手机精确定位功能。\n[0047] 应急通信终端定位平台对拨打应急电话的定位流程如附图11所示。\n[0048] 在应急车载地图上显示出突发事件的位置：\n当应急定位系统在得到的突发事件地址信息后，将突发事件所在地址信息经应急定位系统平台的无线通信发射系统，通过目前现网使用的移动通信接口（2G、3G、4G）发送给应急车载系统的无线通信接收系统，之后通过应急车载地图转换工具将突发事件地址信息转化成地图位置信息，并在应急车载地图中显示出来，流程图如附图12所示。\n附图说明\n[0049] 图1.应急通信终端定位子系统结构示意图\n图2.CellID法获取移动终端位置示意图\n图3.GPS法定位移动终端遇到的问题示意图\n图4.通过主基站服务小区的TA值与主、次强基站位置确定移动终端的位置\n图5.三圆相交重合区域的确定移动终端位置区域示意图\n图6.三圆相交重合区域的三个相交点坐标示意图\n图7.取三个交点坐标的经纬度中值确定移动终端位置示意图\n图8.三个不相交圆的示意图\n图9.TA换算的半径>基站到终端的直线半径示意图\n图10.采用数字地图定位移动终端示意图\n图11.应急通信终端定位平台对拨打应急电话的定位流程图\n图12.应急车载系统接受应急终端位置信息并在车载地图上显示\n具体实施方式\n[0050] 下面结合实施例详述本发明，一种应急通信终端定位子系统和定位方法，包括以下步骤：\na.首先建立一个包含固定电话定位平台和移动电话定位平台的应急通信终端定位子系统，此系统可通过CRM接口与固话通信系统相连、通过TCP/IP接口与大数据平台相连、通过A接口与移动通信系统相连、通过目前现网使用的移动通信接口（2G、3G、4G）与应急救援车载系统相连；\nb.在应急通信终端定位子系统中建立固定电话定位平台，此平台应包含所有最新固话地址信息的数据库（固话运营商具有大部分固话的地址信息，应急服务台通过固话运营商获取固话地址信息并及时更新）；建立一个包含所有基站精确经纬度信息、TA值（时间提前量）和距离的精确换算表的移动终端定位平台；\nc.如果应急通信终端是固定电话，通过固话电话定位平台自带的搜素引擎，找到进行应急通信固话的具体地址，就能实现对此固话进行定位；\nd.当呼叫应急通信的固话信息不在固话数据库中时，利用大数据检索方式搜索出固话的具体地址；\ne.当呼叫应急通信的固话信息不在固话数据库中时，通过固话号码进行大致定位；\nf.如果应急通信终端是移动电话，可通过获取移动终端的主服务小区CellID信息大致确定移动终端位置；\ng. 如果移动应急通信终端具有GPS功能，可通过获取移动终端的GPS信息确定移动终端位置；\nh.如果存在移动应急通信终端不具有GPS功能、因环境等因素导致手机无法获取至少3颗以上GPS卫星信号、移动核心网无法获取手机GPS信息等问题，可以通过主基站服务小区的TA值与主、次强服务信号基站位置算法确定应急终端的位置；\ni. 通过以主基站、次强基站、次次强基站TA值换算的长度为半径画三个圆，以三圆相交区域、三个交点坐标、三个交点坐标分别取经度和纬度中值方法确定应急终端的位置；\nj. 固定电话定位平台或移动电话定位平台将应急通信终端的地址信息传送至应急通信终端定位子系统，经应急服务台与应急通信终端核实后，确定突发事件的具体位置，并在应急通信定位平台的地图系统上显示出来；\nk. 当应急定位系统在得到的突发事件地址信息后，将突发事件所在地址信息经应急定位系统平台的无线通信发射系统，通过目前现网使用的移动通信接口（2G、3G、4G）发送给应急车载系统的无线通信接收系统，之后通过应急车载地图转换工具将突发事件地址信息转化成地图位置信息，并在应急车载地图中显示出来。\n[0051] 本发明的一种应急通信终端子系统具有对应急通信终端位置定位的功能，通过对应急通信终端呼叫的分析、归类，分别经固定电话定位平台和移动电话定位平台，结合本发明的固定电话定位方法、移动电话定位方法，确定出应急终端的具体位置，为紧急救援中心提供较准确、及时的应急通信终端的位置信息，为抢救人民的生命和财产争取到了宝贵时间。\n[0052] 本发明针对不具备GPS功能的移动终端、因环境等因素导致手机无法获取至少3颗以上GPS卫星信号、移动核心网无法获取手机GPS信息等情况，采用本发明的两个算法可获取移动终端位置信息，算法一：通过主基站服务小区的TA值与主、次强服务信号基站位置算法确定应急终端的位置和算法二：通过以主基站、次强基站、次次强基站TA值换算的长度为半径画三个圆，以三圆相交区域、三个交点坐标、三个交点坐标分别取经度和纬度中值方法确定应急终端的位置；其中算法一的优点是对移动终端定位快、算法简单、只要移动终端与基站呼叫建立完成即可通过此算法定位、无需进行强制切换操作对移动通信网络无影响……,缺点是定位精度会受基站信号、主次基站位置精度等影响下降；算法二的优点是对移动终端的定位精度较高，确定是需要对应急移动终端进行强制切换操作从而对移动通信网络产生一定的影响，但随着技术的进步这一影响会逐步减小，况且相对于人民生命财产安全这一影响应当忽略不计；这两个算法是对目前主要的移动终端定位方法如Cell ID法、GPS（或A-GPS）法、WIFI法的一种有益补充。