一種非直達波環境下的gsm-r網絡干擾源定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于鐵路無線通信網干擾源定位技術領域，設及一種非直達波環境下的 GSM-R網絡干擾源定位方法。
【背景技術】
[0002] GSM-R(Global System for Mobile Communications-Railway)是專口為鐵路通 信設計的綜合專用鐵路無線通信系統。由國際鐵路聯盟UIC與歐洲電信標準組織ETSI為歐 洲各國新一代鐵路無線通信開發的技術標準。GSM-R在GSM的標準基礎上增加了調度通信功 能，并且適合高速環境下使用，為鐵路安全高效運營提供了一種可W定制附加功能的專用 數字綜合移動通信平臺，使得用戶可W在運個信息平臺上輕松開發各種各樣的鐵路應用。
[0003] GSM-R系統是我國鐵路通信的發展趨勢，它能夠實現鐵路各種移動信息資源采集、 傳輸，為現代化的鐵路調度、指揮、控制提供通信平臺，同時提高了鐵路的運轉效率，減小了 運行成本。2003年，鐵道部選定GSM-R作為我國鐵路未來綜合數字調度網的技術體制。
[0004] 隨著我國電子工業和無線通信系統的迅猛發展和普及，大量的電子設備產品應用 于社會中，在造福百姓的同時也會給一些專用頻段的通信系統帶來頻率干擾的問題。各種 電子產品和通信產品會發出各種頻率不同、信號量不同的電磁波并福射到周圍環境中，使 空間中的電磁環境變得越來越復雜，往往兩系統共用一個頻段或者兩系統的頻段非常接 近，所W系統之間的電磁干擾問題已經變得日益突出。我國GSM-R的工作頻段主要工作在 885-889/930-934MHZ范圍內，共4MHz帶寬，它雖然獨享運段帶寬，但隨時都會受到如移動、 聯通、電信和無線電臺由于設備老化或故障造成發射的無線電信號產生頻率漂移、雜波等 產生的鄰頻干擾或互調干擾，還有非法不授權的基站或天線造成的同頻干擾。運些無線干 擾信號對GSM-R正常通信的干擾，將會造成系統通信掉話、通話質量差、信道擁塞等問題，運 些問題會給鐵路的安全運行W及旅客的生命安全和國家的發展帶來隱憂。因此，有必要發 展高效的GSM-R干擾源定位算，消除干擾源對GSM-R系統造成的影響，確保中國鐵路專用無 線通信系統的安全運行。
[0005] 目前GSM-R網絡干擾源的定位算法主要分為測距定位算法和非測距定位算法兩 類，非測距算法主要包括質屯、算法、Dv-Hop算法和APIT算法等。由于非測距算法只能提供粗 精度的定位服務，因此發展了基于測距的定位算法。基于測距的定位算法是通過測量網絡 中節點間的距離或方向角度W及信號強度來計算定位節點坐標的。主要測量技術有AOA (arrival of angle到達角度）、RSS(received si即al strength接收信號強度），T0A(time of arrival到達時間）、TD0A(time difference of arrival到達時差)等。定位算法主要包 括基于TOA和TDOA的定位算法W及基于TD0A/A0A，TD0A/RSS，T0A/A0A和T0A/RSS等的混合定 位算法。在GSM-R網絡中，由于我國鐵路覆蓋面積大，鐵路線長，沿線地形復雜，因此對于基 于測距的定位算法往往存在非直達波環境。目前雖然已經提出了很多抑制非直達波誤差的 定位算法，但都存在定位精度不高、運算量大等諸多缺陷。
【發明內容】
[0006] 本發明目的是針對現有的GSM-R網絡干擾源定位技術中存在的缺點與不足，在 T0A/A0A混合定位算法中采用非線性加權代價函數消除非直達波誤差的影響，發展了一種 非直達波環境下的GSM-R網絡干擾源定位方法。
[0007] 本發明的技術方案是:一種非直達波環境下的GSM-R網絡干擾源定位方法，其特征 在于，包括W下步驟：
[0008] a.采用基于信號到達時間的定位算法和基于信號到達角度的定位算法，從GSM-R 網絡中獲取n個到達時間測量值和n個到達角度測量值;其中，n為GSM-R網絡中移動站的數 目；構建干擾源與移動站之間的幾何關系模型；
[0009] b.根據步驟a中獲得的幾何關系模型，在忽略非直達波誤差的條件下，獲取干擾源 位置坐標估計值和誤差矢量；
[0010] C.根據步驟b中獲得的干擾源位置坐標估計值和誤差矢量，構建用于抑制非直達 波誤差的非線性加權代價函數，然后獲取抑制非直達波誤差后的干擾源位置坐標。
[0011] 本發明的詳細方法包括：
[0012] 步驟1:通過獲得的n個TOA和n個AOA測量值構建幾何模型。
[001引假設GSM-R網絡中的n個移動站的位置坐標為估，71)4 = 1，2，...，11，干擾源的位 置坐標為(X，y )，因此可構建如下幾何方程組。
…
[001引其中r功干擾源到第i個移動站的距離值，01為干擾源到第i個移動站的弧度。
[0016] 將式(1)展開化簡可得： 2.X-X -T 2 V. V - k=k- r." ,、
[0017] .レ '' ，/二巧 (2) Sin 6.Y-COSg,'v = Sin 6 -.1',' COS6^-
[0018] 其中，k = x2+y2,備=為+乂。
[0019] 將式(2)寫成矩陣形式為：
[0020] Y=GZ (3)
[0021 ]其中，
[0022] 步驟2:忽略非直達波誤差，對干擾源位置坐標進行初步估計。
[0023] 步驟1所建立的矩陣方程中，ri和01為實測的距離值和弧度值，由于GSM-R通信環境 比較復雜，存在非直達波環境，因此在實際的測量值中存在非直達波誤差，如下所示： -巧=巧她化
[0024] < ; ，/. = l，2，:-,.n. (4) -g =《+ "馬+ %孤泌'
[00巧]其中，/?和g為真實的距離值和弧度值。氣和的分別為測量的距離誤差和弧度誤 差，服從均值為零的高斯分布，方差分別為式'和口GDrNLOS和WNLOS為測量距離和弧度的非直 達波誤差，服從指數分布。
[0026] 將式(4)代入式(3)中可得殘差為：
[0027] G = Y-GZ (5)
[0028] 式(5)的最大似然估計值為：
[0029] Z= (GTcov(e 廠 IGrVcov(S)-IY (6)
[0030] 其中，cov(e)為誤差矢量的協方差矩陣：
[0031] cov(e) =E(ee^) (7)
[0032] 將式(5)展開可得：
[0034]由式（3 )可知;c/ + .V,^ - 二 2-、一+2.v,.v - /c., (? -x)sin 4=心,-.vja>s0,，因此對式 (8)化簡并忽略高次項可得：
[0036] 由式(9)可得eiej，en+ien+j，每和的期望值為：
[0037] 扛('作,')=么' 山如)(一2':/",' )二化U = L么…，山林/ ClQ)
[003引
[0041] 將式(10)，（11) ,(12),(13)代入式(7)可得誤差矢量的協方差矩陣為：
[0042] CCJV似'=< '包' r ' (14)
[004引其中，Br = 2diag{[;ri …rn]}，Q','''='顧各[誠…：姑}，
[0044] Qp=堿塔{[減…喊J，
[0045] 公"二成巧TI (.、v- 'V)COS苗I + ^'1 …r)sin 苗I cos弓,+ ^'" 一.,')sin 為!，B0 中 含有未知量X和y，可先用TOA進行初步估計，再將估計值代入Be，即：
[0048] 步驟3:通過干擾源位置坐標初步估計值和誤差矢量，構建非線性加權代價函數， 抑制非直達波誤差。
[0049] 常規的定位方法通常是基于均方代價函數或加權均方代價函數，而運些定位方法 在只存在高斯噪聲的直達波環境中是最優的，而在非直達波環境中，由于非直達波誤差分 布往往偏離高斯分布，運些常規方法失去了最優性。而且均方代價函數隨著誤差的增長呈 拋物線大幅度增長，對均方代價函數的最小化并不能抑制大誤差，因此有必要對其改進，所 W可W采用非線性加權代價函數抑制非直達波誤差提高精確定位。
[0050] 首先，構建非線性加權代價函數： 巧
[0051 ] J =藝";.八(〇 (做 松1
[0052] 其中，P(ei)為抑制非直達波誤差的非線性加權代價函數，Wi為權值。
[0053] 在非直達波環境中對干擾源進行定位需要一種對大誤差不敏感的代價函數。 化Iv