本發明涉及無線通信技術，尤其涉及到GSM-R干擾監測中對于干擾源的高精度定位方法。
背景技術：
：鐵路移動通訊系統(GSM-R，GlobalSystemofMobilecommunicationforRailways)是GSM技術在鐵路工作環境中的應用。隨著國家的鐵路建設和城市化建設的快速推進，社會上的各種無線設備大量增加，鐵路線路和站場所面臨的電磁環境會愈加復雜和惡化，無線設備間相互干擾、自我干擾日益突出，鐵路無線通信系統由于門類多、業務復雜，同時所使用的無線頻段正好處在過度密集的移動通信黃金頻段，頻率資源競爭及干擾嚴重。此外，當前鐵路無線通信系統正處于新型業務與傳統業務更替的時期，多代通信體制和通信設備將長期共存，更加劇了鐵路無線業務監管的難度。因此，GSM-R的干擾監測就尤為重要，亟需盡早建立GSM-R專用無線監測體系，以技術手段對網內的無線電信號進行監測，及時發現、查找、確認干擾源并排除其影響，以保障無線網絡的正常運用。其中，確認GSM-R干擾源的位置是排查和排除干擾源最為關鍵的一步，由于定位誤差總是存在的，最終仍需要在一定誤差范圍內進行人工排查。因此，實現GSM-R干擾源位置的高精度估計，對縮小最終人工排查的范圍，提高干擾源排除工作的效率，具有十分重要的意義。技術實現要素：本發明所要解決的技術問題是提供一種基于GDOP分析的自適應GSM-R干擾源融合定位方法，該方法能夠基于干擾源及其輻射信號的特點，自適應地確定最佳的監測站組合和相應的定位體制，實現GSM-R干擾源的高精度融合定位。本發明解決所述技術問題采用的技術方案是，基于GDOP分析的GSM-R干擾源融合定位方法，其特征在于，包括下述步驟：A、對同時監測到同一干擾信號的監測站的確定及各自的信號接收質量評估：當某個監測站X1檢測到干擾信號時，記錄該干擾信號的頻點和時間信息，再在該監測站X1附近搜尋同一時刻接收到該干擾信號的其他監測站，依據各監測站接收到的該干擾信號的信號和噪聲的有效功率之比，即信噪比，篩選出信噪比滿足預設門限要求的N個監測站，N≥3；B、根據篩選出的N個監測站的干擾信號接收功率大小以及監測站的相互位置關系確定干擾源的所在區域：首先，分析干擾源采用天線類型，判斷其屬全向天線或定向天線；然后，基于分析得到的天線類型確定干擾源的所在區域：若干擾源采用全向天線，則利用信號接收功率最大的3個監測站確定干擾源處于監測網中的基本三角單元位置，即3個監測站組成的等邊三角形內部為干擾源所在區域；若干擾源采用定向天線，先根據各監測站的信號接收情況及其位置確定干擾源的主波束方向，再利用空間傳播損耗與傳播距離成正比的特性，反推出干擾源的所在區域；C、對干擾源的大致區域進行不同條件下的定位誤差分析：將不同數量、不同位置的監測站進行組合，依據各種組合條件下相應的角度測量誤差和時差估計誤差，結合測向交匯和時差定位體制，針對干擾源的大致區域進行定位誤差分析；D、根據定位誤差分析結果，確定最佳的監測站組合和相應的定位體制：統計定位誤差的分布情況，以覆蓋分析區域總面積的比例達到預定數值(優選為75％)的定位誤差大小，作為定位精度，比較不同定位體制對干擾源大致區域的定位精度，選擇確定定位精度最佳的監測站組合和相應的定位體制；E、完成干擾源位置的高精度融合估計：根據確定的最佳監測站組合和定位體制，對該干擾信號進行多次觀測，并對每次獨立測量所得的定位參數的誤差進行計算評估，進而構造加權協方差矩陣，最后基于最小二乘的原理完成干擾源的高精度融合定位。所述步驟C為：將不同數量、不同位置的監測站進行組合，并在各種組合條件下，進行下述計算：C1)利用角度估計精度的克拉美羅下屆公式分析得到各種組合條件下的角度測量精度,其中d為陣列天線陣元間距，λ為信號波長，θ為來波方向，Ns為角度估計時據的樣點數，SNR為接收信號信噪比；C2)利用時差估計精度的CRLB公式分析得到各種組合條件下的時差測量精度，其中B為信號帶寬，SNR為相關輸出信噪比，其表達式為Bn是噪聲帶寬、T是信號持續時間，snr1、snr2分別為相關提取時差時兩路信號的信噪比；C3)利用測向交匯定位精度的CRLB公式對干擾源大致區域進行定位誤差分析，測向交匯定位精度的CRLB公式為：其中，r表示干擾源的位置矢量，T表示矩陣轉置，為角度測量誤差的協方差矩陣，σi,i＝1...M為第i次角度測量的誤差；角度關于干擾源位置的微分矩陣表達式如下：式中，為第i個觀測點所在位置與干擾源之間的直線距離；再利用時差定位精度的CRLB公式對干擾源大致區域進行定位誤差分析,時差定位精度的CRLB公式如下：Pdr＝E[drdrT]＝B(c2Pτ)BT其中，為Pτ時差測量誤差協方差矩陣,B＝(ATA)-1AT，A為時差關于干擾源位置的微分：其中，r為干擾源的位置矢量，ri,i＝1…M為干擾源到第i個監測站的距離矢量，c為光速。所述步驟E為：根據確定的最佳監測站組合和定位體制，對該干擾信號進行多次觀測，并依據每次獨立測量的定位參數誤差構造加權協方差矩陣，最后基于下述最小二乘估計公式，完成GSM-R干擾源的高精度融合定位：其中，是待估計量，也即干擾源位置，H為觀測矩陣，W為構造的加權協方差矩陣，z為多次觀測構成的觀測矢量。本發明的有益效果是：1、本發明使用了自動化的信號處理技術，對GSM-R通信進行全頻段、全區域地監測，能夠更及時、準確地發現GSM-R干擾信號和實現干擾源的定位處理。因此，相比于傳統的人工、分離式儀器測試和“需要時才監測”的運作模式，能夠顯著提高GSM-R干擾源查找與排除工作的效率。2、本發明能夠通過信號的測量和定位參數的分析，自適應地評估和確定定位性能最佳的監測站組合和定位體制完成定位處理，因此，該發明能夠在不同的GSM-R干擾源和不同的干擾信號參數條件下，解決傳統的單一的定位方法存在定位盲區和易受信號參數的限制導致精度不高的問題，從而盡可能高地保障干擾源的定位精度，有效提升了GSM-R干擾監測系統的適應性和穩定性。3、由于本發明對GSM-R干擾信號進行了多次觀測，并對每次獨立觀測所得定位參數的估計誤差進行評估后構造了用于加權的定位參數誤差協方差矩陣，再基于加權最小二乘方法實現了對GSM-R干擾源位置的融合估計，有效利用了參數估計誤差呈正態分布的特點，避免了單次定位存在較大隨機性的問題，不用增加額外成本，就可以大幅提高干擾源的定位精度。附圖說明圖1為針對干擾源A時本發明方法的融合定位結果與采用單次測向交匯定位技術進行500次測向交匯定位結果的對比示意圖。圖2為針對干擾源B時本發明方法的融合定位結果與500次測向交匯定位結果的對比示意圖。具體實施方式本發明提供了一種基于GDOP分析的自適應GSM-R干擾源融合定位方法，包括下述步驟：A、GSM-R干擾監測網中同時監測到同一干擾信號的監測站的確定及各自的信號接收質量評估：當GSM-R干擾監測網中的某個監測站X1檢測到干擾信號時，根據信號檢測方法得到該干擾信號的頻點和時間信息，再在該監測站X1附近搜尋同一時刻同樣接收到該干擾信號的監測站，并對其各自接收的該干擾信號的功率進行測量及信噪比進行估計，最終篩選出信噪比滿足門限要求的N個監測站(N≥3)。B、根據N個監測站的信號接收功率大小以及監測站的相互位置關系確定GSM-R干擾源的大致區域：首先，分析確定干擾源采用的是全向天線還是定向天線。干擾源采用全向天線時，呈現的特點是干擾源各個方位上的與其距離基本相同的監測站的信號接收功率相近；干擾源采用定向天線時，則表現出主瓣波束內的監測站接收信號功率較大，旁瓣和背瓣波束內的監測站接收信號功率較低的特點。然后，基于分析得到的天線類型確定干擾源的大致區域。若干擾源采用的是全向天線，則利用信號接收功率最大的3個監測站便可確定干擾源處于監測網中的哪一個基本三角單元，即3個監測站組成的等邊三角形內；若干擾源采用了定向天線，先根據各監測站的信號接收情況及其位置確定干擾源的主波束方向，再利用空間傳播損耗與傳播距離成正比的特性，反推出干擾源所在的大致區域。C、對干擾源的大致區域進行不同條件下的定位誤差分析：將不同數量、不同位置的監測站進行組合，先分析評估得到各種組合條件下相應的角度測量誤差和時差估計誤差，再結合測向交匯和時差定位體制，針對干擾源的大致區域進行定位誤差分析。D、根據定位誤差分析結果，確定最佳的監測站組合和相應的定位體制：統計定位誤差的分布情況，以覆蓋分析區域75％面積的定位誤差大小作為定位精度，比較上述不同定位體制對干擾源大致區域的定位精度，選擇確定定位精度最佳的監測站組合和相應的定位體制。E、完成干擾源位置的高精度融合估計：根據確定的最佳監測站組合和定位體制，對該GSM-R干擾信號進行多次觀測，并對每次獨立測量的定位參數誤差進行評估，以構造加權協方差矩陣，最后基于最小二乘的思想完成GSM-R干擾源的高精度融合定位處理。實施例一種基于GDOP分析的自適應GSM-R干擾源融合定位方法，包括下述步驟：A、GSM-R干擾監測網中同時監測到同一干擾信號的監測站的確定及各自的信號接收質量評估：當GSM-R干擾監測網中的某個監測站X1檢測到干擾信號時，根據信號檢測方法得到該干擾信號的頻點和時間信息，再在該監測站X1附近搜尋同一時刻同樣接收到該干擾信號的監測站，并對其各自接收的該干擾信號的功率進行測量及信噪比進行估計，最終篩選出信噪比滿足門限要求的N個監測站(N≥3)。B、根據N個監測站的信號接收功率大小以及監測站的相互位置關系確定GSM-R干擾源的大致區域：首先，分析確定干擾源采用的是全向天線還是定向天線。修正后的Okumura-Hata電波傳播模型可表示為：PL(dB)＝Δ1+74.52+26.16logf-13.82loghb-3.2(log(11.75hm))2+[44.9-6.55loghb+Δ2]logd其中，f是載波頻率(MHz)；hb是發射天線的有效高度(m)；hm時接收天線有效高度(m)；d是發射機與接收機之間的距離(Km)。模型中的Δ1與Δ2分別為電磁傳播中的“損耗-對數距離”關系中的截距補償銀子和斜率補償因子，分別對不同傳播場景下的傳播損耗的初始損耗和傳輸變化率進行補償，不同場景下，其取值不同。由于同一干擾源附近的監測站，其地形地貌環境和接收條件基本相同，由上式可知，干擾信號的空間傳播損耗主要與傳播距離有關。因此，當干擾源采用全向天線時，呈現的特點是干擾源各個方位上的與其距離基本相同的監測站的信號接收功率大小相近；干擾源采用定向天線時，則表現出主瓣波束內的監測站接收信號功率較大，旁瓣和背瓣波束內的監測站接收信號功率較低的特點。然后，基于分析得到的天線類型確定干擾源的大致區域。若干擾源采用的是全向天線，則利用信號接收功率最大的3個監測站便可確定干擾源處于監測網中的哪一個基本三角單元，即3個監測站組成的等邊三角形內；若干擾源采用了定向天線，先根據各監測站的信號接收情況及其位置確定干擾源的主波束方向，再利用空間傳播損耗與傳播距離成正比的特性，反推出干擾源所在的大致區域。C、對干擾源的大致區域進行不同條件下的定位誤差分析：將不同數量、不同位置的監測站進行組合，并在各種組合條件下，先利用角度估計精度的克拉美羅下屆(CRLB，Cramer-RaoLowerBounder)公式分析評估得到各種組合條件下的角度測量精度(d為陣列天線陣元間距，λ為信號波長，θ為來波方向，Ns為角度估計時據的樣點數，SNR為接收信號信噪比)，再利用時差估計精度的CRLB公式分析評估得到各種組合條件下的時差測量精度(B為信號帶寬，SNR為相關輸出信噪比，其表達式為其中，Bn是噪聲帶寬、T是信號持續時間，snr1、snr2分別為相關提取時差時兩路信號的信噪比)。最后，先利用測向交匯定位精度的CRLB公式對干擾源大致區域進行定位誤差分析。測向交匯定位精度的CRLB公式如下：其中，r表示干擾源的位置矢量，T表示矩陣轉置，為角度測量誤差的協方差矩陣，σi,i＝1…M為第i次角度測量的誤差。角度關于干擾源位置的微分矩陣表達式如下：式中，為第i個觀測點所在位置與干擾源之間的直線距離。其中，x,y為干擾源的x坐標與y坐標，xi,yi,i＝1…M為第i個觀測點的位置坐標，M為觀測點的個數再利用時差定位精度的CRLB公式對干擾源大致區域進行定位誤差分析。時差定位精度的CRLB公式如下：Pdr＝E[drdrT]＝B(c2Pτ)BT其中，為Pτ時差測量誤差協方差矩陣,c為光速，B＝(ATA)-1AT，而A為時差關于干擾源位置的微分：其中，r為干擾源的位置矢量，ri,i＝1…M為干擾源到第i個監測站的距離矢量，c為光速。D、根據定位誤差分析結果，確定最佳的監測站組合和相應的定位體制：統計定位誤差的分布情況，以覆蓋分析區域75％面積的定位誤差大小作為定位精度，比較上述不同定位體制對干擾源大致區域的定位精度，選擇確定定位精度最佳的監測站組合和相應的定位體制。E、完成干擾源位置的高精度融合估計：根據確定的最佳監測站組合和定位體制，對該GSM-R干擾信號進行多次觀測，并對每次獨立測量的定位參數誤差進行評估以構造加權協方差矩陣，最后基于如下所使的最小二乘估計公式，完成GSM-R干擾源的高精度融合定位處理。其中，是待估計量，也即干擾源位置，H為觀測矩陣，W為構造的加權協方差矩陣，z為多次觀測構成的觀測矢量。下面詳細給出有效監測半徑為4km、監測站天線為接收增益0dB的全向天線、測向天線陣列的基線長度為0.15m的位于郊區的一典型GSM-R干擾監測系統在(-10km≤x≤10km，-10km≤y≤10km)區域內對位于(-5km，-5km)的采用全向天線發射網外非法干擾的干擾源進行定位的操作過程：步驟A：GSM-R監測系統在該區域內共有39個監測站，當某個監測站檢測到該干擾信號時，根據信號檢測方法得到該干擾信號的頻點和時間信息，搜尋同一時刻同樣接收到該干擾信號的監測站，并進行接收信號信噪比的評估，當監測站對信號的可檢測信噪比門限為9dB時，能夠實現干擾信號檢測的監測站序號、位置及其信噪比情況如下表所示：表1干擾信號信噪比高于檢測門限的監測站列表監測站序號監測站位置(x,y)干擾信號接收功率/dBm干擾信號接收信噪比/dB4(-10.00km,-2.00km)-106.139.875(-10.00km,-6.00km)-103.6412.369(-6.54km,0.00km)-104.1111.8910(-6.54km,-4.00km)-84.6531.3511(-6.54km,-8.00km)-95.9620.0415(-3.07km,-2.00km)-97.0118.9916(-3.07km,-6.00km)-87.8028.2017(-3.07km,-10.00km)-104.5611.4421(0.39km,-4.00km)-104.9911.0122(0.39km,-8.00km)-107.188.82步驟B：根據上表中的10個可檢測到干擾信號的監測站的位置及其信號接收功率、信噪比大小可以看出，監測站位置及其信號功率變化呈現四周發散的特點，故干擾源采用了全向天線。然后利用信號接收功率最大的3個監測站便可確定干擾源處于監測網中監測站10、11和16組成的等邊三角形內。步驟C：對干擾源的大致區域進行不同條件下的定位誤差分析：用于測角的數據樣點數為100，根據監測站10、監測站11與監測站16的接收信號信噪比情況，結合信號參數測量的結果，得到三種組合條件下的測角精度。如下表所示：表2三種組合的測角精度分析結果信號采集時長為500us。分析得到雙時差估計精度情況，如下表所示：表3時差估計精度分析結果組合序號時差1精度/ns時差2精度/ns10、11、1620.049.21根據上述不同組合、不同體制的定位參數精度情況，完成監測站10、11和16組成的等邊三角形內區域的定位誤差分析。步驟D：統計上述不同組合和定位體制條件下，監測站10、11和16組成的等邊三角形內定位誤差的分布情況，得到相應條件下覆蓋該區域75％面積的定位誤差大小作為定位精度，如下表所示：表4不同組合和體制的定位精度分析結果通過比較，可以看出，利用監測站10、11、16組合條件下的三站雙時差定位精度最佳。E、根據上述確定的定位體制和組合，即監測站10、11、16組合條件下的三站雙時差定位體制，對該GSM-R干擾信號進行多次觀測，并對每次獨立測量的定位參數誤差進行評估，將其作為加權協方差矩陣對角線上的元素，構造出W，最后基于加權最小二乘方法公式完成GSM-R干擾源的高精度融合估計。仿真實驗本發明的定位方法的性能可以通過以下仿真實驗檢驗，仿真試驗過程中，考慮位于郊區的某一監測區域，其內部鐵軌長度為20km，以其中心為坐標原點，監測區域的范圍為鐵軌兩側10km，假設每個監測站的有效監測半徑均相同為4km，其天線為接收增益0dB的全向天線，測向天線陣列的基線長度為0.15m，監測區域內監測站以等邊三角形為基本單元，按照蜂窩狀進行布站。假設有2個干擾源，干擾源位置及其輻射的干擾信號參數分別為：干擾源A位于(9km，7km)，發射功率0.1W，信號載波頻率為888.5MHz，信號帶寬10kHz，為連續波信號，調制方式為16QAM，為網外非法干擾；干擾源B位于(-5km，-5km)，發射功率1W，信號載波頻率為932.7MHz，信號帶寬200kHz，時隙寬度577us，調制方式為GMSK，為網外GSM干擾。1.本發明方法與傳統單次測向定位方法對干擾源A的定位結果對比仿真實驗在以上實驗條件下，針對干擾源A，本發明最終確認采用了監測站29、30組合的雙站測向融合定位，與傳統的單次測向定位結果對比仿真圖見圖1。該仿真條件下，從圖1可以看出，單次測向定位的誤差抖動較大，分布區域較為發散。本發明方法的融合定位誤差僅為6.22m，低于單次定位的均方根誤差40.93m，遠遠低于最大的單次定位誤差為226.52m。2.本發明方法與傳統單次測向定位方法對干擾源B的定位結果對比仿真實驗在以上實驗條件下，針對干擾源B，本發明方法最終確認采用了監測站10、11和16組合條件下的三站雙時差定位方法，其定位結果與傳統的單次測向定位結果對比仿真圖見圖2。從圖2可以看出，單次定位的最大誤差為75.99m，而融合定位結果精度極高，為0.19m。可見，本發明方法較傳統方法精度更高，可靠性更好，可大幅縮短排查確認的時間，有利于干擾源的快速排除。當前第1頁1 2 3