專利名稱：基于多徑散射信息的高精度無(wú)線定位方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線通信中的無(wú)線定位方法及系統(tǒng)，特別是提供了一種基于多徑散射信息的高精度無(wú)線定位方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
當(dāng)前隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加，人們對(duì)基于無(wú)線定位技術(shù)的新業(yè)務(wù)的需求日益增大，尤其在復(fù)雜的散射環(huán)境，如機(jī)場(chǎng)大廳、展廳、倉(cāng)庫(kù)、超市、圖書(shū)館、地下停車場(chǎng)、礦井等環(huán)境中，常常需要確定移動(dòng)終端或其持有者、設(shè)施與物品在室內(nèi)的位置信息，這些都推動(dòng)了對(duì)無(wú)線定位技術(shù)的深入研究。同時(shí)，向用戶提供精確的定位信息已經(jīng)成為新一代無(wú)線通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)之一，無(wú)線定位技術(shù)也已經(jīng)應(yīng)用于緊急救援、汽車導(dǎo)航、智能交通、團(tuán)隊(duì)管理等方面，參照眾多行業(yè)的實(shí)際需求，無(wú)線定位技術(shù)和定位業(yè)務(wù)的發(fā)展前景將十分廣闊。但是受定位時(shí)間、定位精度以及復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境等條件的限制，比較完善的定位技術(shù)目前還無(wú)法很好地利用。許多定位技術(shù)解決方案，如A-GPS定位技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、紅外線技術(shù)等無(wú)線定位技術(shù)要在移動(dòng)終端上增加新的硬件，這將對(duì)移動(dòng)站的尺寸和成本帶來(lái)不利的影響。同時(shí)，由于在城區(qū)等復(fù)雜的電波傳播環(huán)境下，由于障礙物較多，電波傳播環(huán)境惡劣，信號(hào)很難直接從基站到達(dá)移動(dòng)臺(tái)，一般要經(jīng)過(guò)折射或反射后產(chǎn)生多徑信號(hào)，并非視距的到達(dá)接收裝置，信號(hào)的TOA測(cè)量也就出現(xiàn)了很大的誤差，因此定位精度會(huì)受到很大的影響。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種基于多徑散射信息的高精度無(wú)線定位方法及系統(tǒng)，適用于各種定位環(huán)境，特別是在需定位的移動(dòng)終端附近有很多障礙物時(shí)，散射環(huán)境嚴(yán)重，多徑豐富的條件下，諸如城區(qū)、山陵等環(huán)境，是一種高精度實(shí)用化定位技術(shù)。該方法就是根據(jù)實(shí)際的通信環(huán)境中存在多徑的特點(diǎn)來(lái)利用多徑信號(hào)的散射信息，包括電波到達(dá)時(shí)間和電波到達(dá)角等來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)精確定位。
為了達(dá)到上述的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下 一種基于多徑散射信息的高精度無(wú)線定位方法，所采用的無(wú)線定位系統(tǒng)包括移動(dòng)終端、傳感器裝置和中央處理單元，所述方法用于從接收到的達(dá)到傳感器的無(wú)線電波信號(hào)中定位出移動(dòng)終端的精確位置，其特征在于結(jié)合多徑散射體信息和測(cè)量的電波到達(dá)角與電波到達(dá)時(shí)間便可以很好的實(shí)現(xiàn)在非視距傳播環(huán)境下的精確定位，其包括下列步驟 (1)在非視距傳播環(huán)境下，移動(dòng)終端發(fā)射的電波經(jīng)很多散射體反射后再到達(dá)傳感器接收裝置，電波的傳播路徑彎曲，多個(gè)散射點(diǎn)反射后產(chǎn)生多徑，這些多徑信號(hào)從不同的方向以不同的時(shí)間到達(dá)傳感器裝置； (2)參與定位的傳感器個(gè)數(shù)為M1個(gè)其中有一個(gè)為主傳感器，位于中央處理單元；并將這些傳感器布局為一個(gè)小區(qū)半徑為L(zhǎng)的蜂窩系統(tǒng)； (3)每個(gè)傳感器測(cè)得的多徑信號(hào)數(shù)為M2路，每個(gè)傳感器可以測(cè)得的由散射體反射過(guò)來(lái)的電波到達(dá)時(shí)間τji，j＝1，2，...，M1，i＝1，2，...，M2，進(jìn)行匹配后，則可以推出散射體的個(gè)數(shù)及其對(duì)應(yīng)的反射電波到達(dá)時(shí)間； (4)將測(cè)量到的電波到達(dá)時(shí)間的時(shí)間值轉(zhuǎn)化為測(cè)量的電波到達(dá)時(shí)間TOA距離值，其中包含了非視距傳播NLOS誤差和測(cè)量誤差，由以上TOA距離值和傳播環(huán)境建立多徑散射的TOA誤差分布模型，模型數(shù)學(xué)公式為其中Iji0為移動(dòng)終端到基站的距離真值，lnji為其測(cè)量誤差，服從均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為σln的高斯分布，lNLOSji為非視距傳播引起的距離誤差，

為電波傳播距離，c為電波速度，Δτji為各路徑總的TOA時(shí)間誤差； (5)主傳感器測(cè)量得到經(jīng)各散射體過(guò)來(lái)的電波到達(dá)角，結(jié)合傳播環(huán)境建立多徑散射的電波到達(dá)角AOA誤差分布模型，模型數(shù)學(xué)公式為Δθi為AOA測(cè)量噪聲，設(shè)其服從均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為σθ(rad)的高斯分布，此處的高斯分布為一已知的經(jīng)典分布； (6)由TOA誤差分布模型和AOA誤差分布模型建立NLOS定位模型，同以上的建立方法，并將這些測(cè)量值作為測(cè)得的多徑散射信息，再將這些多徑散射信息建立位置方程dji為第i個(gè)散射體到第j個(gè)傳感器之間的距離，傳感器坐標(biāo)為(xj，yj)，散射體坐標(biāo)為Si(sxi，syi)；經(jīng)過(guò)矩陣變換求解及最小二乘法處理，便得到了各散射體與傳感器的估計(jì)距離dji和各散射體與移動(dòng)終端之間的估計(jì)距離Li，于是由以上數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)就得到了初步估計(jì)出的各散射體的位置； (7)由于非視距環(huán)境下存在NLOS誤差和測(cè)量誤差，初步估計(jì)得到的散射體位置不是很精確，再繼續(xù)進(jìn)一步修正；采用多徑散射信息的TOA/AOA混合修正，將dji作為第j個(gè)傳感器與第i個(gè)散射體的TOA測(cè)量值，再結(jié)合主傳感器的AOA信息建立一組測(cè)距方程，其中

為修正后的散射體坐標(biāo)，θi為測(cè)得的第i個(gè)傳感器測(cè)得的AOA值，主傳感器坐標(biāo)為(x1，y1)； (8)再采用加權(quán)最小二乘算法，由各TOA和AOA測(cè)量值相互獨(dú)立，便用TOA和AOA測(cè)量值的聯(lián)合協(xié)方差矩陣Wi近似替代誤差矢量ξi的協(xié)方差矩陣，進(jìn)而構(gòu)造出總的誤差矢量ξi的協(xié)方差矩陣ζi； (9)對(duì)以上矩陣數(shù)據(jù)采用最小二乘算法處理，得到的第一次加權(quán)最小二乘解即為散射體第一次修正的值，再由散射體自身的位置方程繼續(xù)采用加權(quán)最小二乘算法，得到了第二次加權(quán)最小二乘解，再將這個(gè)解的模糊性由傳感器布局小區(qū)的先驗(yàn)信息消除，即得到了各散射體經(jīng)過(guò)修正后的精確坐標(biāo)； (10)由散射體的位置即可得到各散射體與傳感器的第二次精確估計(jì)距離

再利用主傳感器測(cè)得的TOA值減去散射體到達(dá)傳感器的距離

就得到移動(dòng)終端到散射體的二次精確估計(jì)的距離測(cè)量值

然后將散射體作為一組M2個(gè)虛擬傳感器，并把

作為移動(dòng)終端到散射體的TOA值進(jìn)行定位估計(jì)； (11)再又建立移動(dòng)終端與散射體之間TOA誤差分布模型，獲得定位的最大似然函數(shù)F，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，求使函數(shù)F最大時(shí)時(shí)得到了一個(gè)以移動(dòng)終端位置為變量的非線性函數(shù)； (12)對(duì)以上得到的非線性函數(shù)采用改進(jìn)的遺傳算法求解，設(shè)置初始種群個(gè)體數(shù)為N，并計(jì)算每一個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)值，并對(duì)這N個(gè)適應(yīng)度值由小到大排序，采用輪盤(pán)賭選擇，篩選出較優(yōu)的個(gè)體； (13)對(duì)這N個(gè)個(gè)體隨機(jī)兩兩配對(duì)，選擇合適的交叉算子按一指定概率pc進(jìn)行交叉操作； (14)對(duì)每一個(gè)個(gè)體中的每一變量，選擇變異算子按一指定概率pm進(jìn)行變異操作； (15)刪除種群中一任意個(gè)體并替換成步驟(12)中記錄的最優(yōu)個(gè)體，在設(shè)置的遺傳尋優(yōu)區(qū)域范圍內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行遺傳進(jìn)化計(jì)算，若滿足收斂條件則輸出最優(yōu)解并退出迭代； (16)最后采用一種軟判決準(zhǔn)則結(jié)合先驗(yàn)信息的方法，軟判決即對(duì)獲得的定位結(jié)果坐標(biāo)進(jìn)行與各傳感器的距離計(jì)算得到一組距離值，要是發(fā)現(xiàn)這組距離值與3個(gè)以上的傳感器的原始TOA值有很大的偏離，就當(dāng)作不合理的解數(shù)據(jù)而剔除，同時(shí)剔除不符合先驗(yàn)信息的數(shù)據(jù)，先驗(yàn)信息是指在這個(gè)定位的蜂窩布局中，由AOA信息可以預(yù)先得到定位終端的方向，將最終得到結(jié)果取均值即得到了移動(dòng)終端的精確位置，便實(shí)現(xiàn)了高精度的無(wú)線定位。
一種基于多徑散射信息的高精度無(wú)線定位系統(tǒng)，包括移動(dòng)終端、傳感器裝置和中央處理單元，所述系統(tǒng)從接收到的達(dá)到傳感器的無(wú)線電波信號(hào)中定位出移動(dòng)終端的精確位置，其特征在于移動(dòng)終端由一個(gè)無(wú)線信號(hào)發(fā)射模塊構(gòu)成，傳感器裝置由一個(gè)無(wú)線信號(hào)接收模塊的輸出連接到一個(gè)測(cè)距模塊和一個(gè)測(cè)角模塊后連接到一個(gè)數(shù)據(jù)信息無(wú)線傳送模塊構(gòu)成，中央處理單元由一個(gè)信息處理模塊經(jīng)一個(gè)定位計(jì)算模塊后連接一個(gè)定位結(jié)果信息顯示模塊構(gòu)成；各選用模塊型號(hào)及其技術(shù)參數(shù)為 1)測(cè)角模塊約克儀器公司的Schaevitz系列角傳感器、測(cè)角系統(tǒng)；Schaevitz系列傾角傳感器可對(duì)水平、角度和傾斜度進(jìn)行精確測(cè)量，廣泛應(yīng)用于地面導(dǎo)航。
2)測(cè)距模塊10.5G/24G微波雷達(dá)測(cè)速/測(cè)距傳感器，意大利INFRA傳感器；遠(yuǎn)程微波測(cè)速/測(cè)距傳感器，用于車、船、等目標(biāo)的遠(yuǎn)距測(cè)距，收發(fā)采用雙頭，電壓+DC(6-12.5V)，測(cè)量精度為±1.5mm。
3)無(wú)線信號(hào)接收模塊，傳送模塊捷麥Jammy公司型號(hào)為C11的收發(fā)儀器；包括一個(gè)發(fā)送模塊(C11T)和一個(gè)接收模塊(C11R)，單發(fā)單收，分別與各自的控制電路相接后即可進(jìn)行無(wú)線收發(fā)工作。該模塊的額定通信速率為1200bps；通信格式采用異步通信，額定工作電源為DC6V。
4)計(jì)算模塊和信息處理模塊CS6079快輸入12位計(jì)算電路芯片；CS6079是一個(gè)單片CMOS計(jì)算器電路，內(nèi)置倍壓電路，可直接驅(qū)動(dòng)LCD，功耗低。
5)顯示模塊迪威液晶DV320240F；為一個(gè)SED13305控制器，AG320240F/A1/AG320240A4觸屏5.7寸。
6)整個(gè)裝置的電源瑞士TRACO電源TOL-C42型號(hào)；電壓4.5VDC~72VDC。過(guò)流保護(hù)點(diǎn)110％~150％工作溫度-25/-40～+85℃，.開(kāi)關(guān)頻率150~200KHz功率0.1W～6W。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明通過(guò)建立合理的非視距電波傳播的多徑散射無(wú)線定位模型，利用測(cè)得的多組多徑散射信息的電波到達(dá)時(shí)間和電波達(dá)到角來(lái)估計(jì)散射信息，然后由散射信息來(lái)重構(gòu)一組虛擬傳感器，最終定位時(shí)便提出一種新的判決準(zhǔn)則和由修正得到的多徑散射信息的新算法來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)精確定位。本發(fā)明提供的高精度無(wú)線定位方法及裝置能有效抑制非視距傳播誤差，而且具有成本低、能耗低及定位精度相當(dāng)高的優(yōu)點(diǎn)。由于本發(fā)明的高精度定位性能，可以使定位業(yè)務(wù)得到更為廣泛的應(yīng)用。



圖1為本發(fā)明方法無(wú)線定位模型的二維平面示意圖； 圖2為本發(fā)明方法定位系統(tǒng)的工作流程示意圖； 圖3為本發(fā)明的高精度無(wú)線定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合

如下參見(jiàn)圖1，基于多徑散射信息的高精度無(wú)線定位方法采用的無(wú)線定位系統(tǒng)包括移動(dòng)終端、傳感器裝置和中央處理單元，用于從接收到的達(dá)到傳感器的無(wú)線電波信號(hào)中定位出移動(dòng)終端的精確位置，其特征在于結(jié)合多徑散射體信息和測(cè)量的電波到達(dá)角及電波到達(dá)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)在非視距傳播環(huán)境下的精確定位。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)在非視距傳播環(huán)境下，移動(dòng)終端發(fā)射的電波經(jīng)很多散射體反射后再到達(dá)傳感器接收裝置，電波的傳播路徑彎曲，多個(gè)散射點(diǎn)反射后產(chǎn)生多徑，這些多徑信號(hào)從不同的方向以不同的時(shí)間到達(dá)傳感器裝置； (2)參與定位的傳感器個(gè)數(shù)為M1個(gè)其中有一個(gè)為主傳感器，位于中央處理單元；并將這些傳感器布局為一個(gè)小區(qū)半徑為L(zhǎng)的蜂窩系統(tǒng)，具體坐標(biāo)分布為(0，0)，(0，2L)，




(3)每個(gè)傳感器測(cè)得的多徑信號(hào)數(shù)為M2路，每個(gè)傳感器可以測(cè)得的由散射體反射過(guò)來(lái)的電波到達(dá)時(shí)間τji，j＝1，2，...，M1，i＝1，2，...，M2，多徑信號(hào)數(shù)M2與散射體數(shù)目有一定的關(guān)系，可以由最小均方誤差的大小來(lái)匹配得出各自對(duì)應(yīng)的電波到達(dá)時(shí)間值，最小均方誤差RMSE的計(jì)算公式為(sxi，syi)為估計(jì)的散射信息，E[·]表示求數(shù)學(xué)期望；進(jìn)行匹配后，則可以推出散射體的個(gè)數(shù)及其對(duì)應(yīng)的反射電波到達(dá)時(shí)間，； (4)將測(cè)量到的電波到達(dá)時(shí)間的時(shí)間值轉(zhuǎn)化為測(cè)量的電波到達(dá)時(shí)間TOA距離值，其中包含了非視距傳播NLOS誤差和測(cè)量誤差，由以上TOA距離值和傳播環(huán)境建立多徑散射的TOA誤差分布模型，模型數(shù)學(xué)公式為其中l(wèi)ji0為移動(dòng)終端到基站的距離真值，lnji為其測(cè)量誤差，服從均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為σln的高斯分布，lNLOSji為非視距傳播引起的距離誤差，

為電波傳播距離，c為電波速度，Δτji為各路徑總的TOA時(shí)間誤差； (5)主傳感器測(cè)量得到經(jīng)各散射體過(guò)來(lái)的電波到達(dá)角，結(jié)合傳播環(huán)境建立多徑散射的電波到達(dá)角AOA誤差分布模型，模型數(shù)學(xué)公式為Δθi為AOA測(cè)量噪聲，設(shè)其服從均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為σθ(rad)的高斯分布，此處的高斯分布為一已知的經(jīng)典分布； (6)由TOA誤差分布模型和AOA誤差分布模型建立NLOS定位模型，同以上的建立方法，并將這些測(cè)量值作為測(cè)得的多徑散射信息，再將這些多徑散射信息建立位置方程dji為第i個(gè)散射體到第j個(gè)傳感器之間的距離，傳感器坐標(biāo)為(xj，yj)，散射體坐標(biāo)為Si(sxi，syi)；經(jīng)過(guò)矩陣變換求解及最小二乘法處理，便得到了各散射體與傳感器的估計(jì)距離dji和各散射體與移動(dòng)終端之間的估計(jì)距離Li，于是由以上數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)就得到了初步估計(jì)出的各散射體的位置； (7)由于非視距環(huán)境下存在NLOS誤差和測(cè)量誤差，初步估計(jì)得到的散射體位置不是很精確，再繼續(xù)進(jìn)一步修正；采用多徑散射信息的TOA/AOA混合修正，將dji作為第j個(gè)傳感器與第i個(gè)散射體的TOA測(cè)量值，再結(jié)合主傳感器的AOA信息建立一組測(cè)距方程其中

為修正后的散射體坐標(biāo)，θi為測(cè)得的第i個(gè)傳感器測(cè)得的AOA值，主傳感器坐標(biāo)為(x1，y1)； (8)再采用加權(quán)最小二乘算法，由各TOA和AOA測(cè)量值相互獨(dú)立，便用TOA和AOA測(cè)量值的聯(lián)合協(xié)方差矩陣Wi近似替代誤差矢量ξi的協(xié)方差矩陣，進(jìn)而構(gòu)造出總的誤差矢量ξi的協(xié)方差矩陣ζi；總的誤差矢量ξi的協(xié)方差矩陣ζi由多徑散射信息的TOA和AOA混合確定，其對(duì)應(yīng)的誤差矢量為ξi＝hi-giQi，其中 傳感器坐標(biāo)為(xj，yj)，中央處理單元位置為(x1，y1)，為修正后的散射體坐標(biāo)； (9)對(duì)以上矩陣數(shù)據(jù)采用最小二乘算法處理，得到的第一次加權(quán)最小二乘解即為散射體第一次修正的值，再由散射體自身的位置方程繼續(xù)采用加權(quán)最小二乘算法，得到了第二次加權(quán)最小二乘解，再將這個(gè)解的模糊性由傳感器布局小區(qū)的先驗(yàn)信息消除，即得到了各散射體經(jīng)過(guò)修正后的精確坐標(biāo)； (10)由散射體的位置即可得到各散射體與傳感器的第二次精確估計(jì)距離

再利用主傳感器測(cè)得的TOA值減去散射體到達(dá)傳感器的距離

就得到移動(dòng)終端到散射體的二次精確估計(jì)的距離測(cè)量值

然后將散射體作為一組M2個(gè)虛擬傳感器，一組虛擬傳感器是由修正后的散射體位置確定的，但這些虛擬傳感器并不是真實(shí)存在的，也就是通過(guò)最小二乘法估計(jì)后得到的散射信息Si(sxi，syi)，并把

作為移動(dòng)終端到散射體的TOA值進(jìn)行定位估計(jì)； (11)再又建立移動(dòng)終端與散射體之間TOA誤差分布模型，獲得定位的最大似然函數(shù)F，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，求使函數(shù)F最大時(shí)時(shí)得到了一個(gè)以移動(dòng)終端位置為變量的非線性函數(shù)，獲得的最大似然函數(shù)F和非線性函數(shù)是基于上述誤差分布模型的，也就是基于由實(shí)際環(huán)境建立的經(jīng)典高斯誤差分布模型； (12)對(duì)以上得到的非線性函數(shù)采用改進(jìn)的遺傳算法求解，采用的遺傳算法是經(jīng)過(guò)改進(jìn)的，是由實(shí)際的電波傳播模型對(duì)遺傳算法經(jīng)過(guò)合理改進(jìn)的，并設(shè)置了合理的種群數(shù)N，交叉概率pc和變異概率pm，同時(shí)，這些參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)整；設(shè)置初始種群個(gè)體數(shù)為N，并計(jì)算每一個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)值，并對(duì)這N個(gè)適應(yīng)度值由小到大排序，采用輪盤(pán)賭選擇，篩選出較優(yōu)的個(gè)體；具體小步驟如下 1)隨機(jī)產(chǎn)生N個(gè)個(gè)體作為初始種群，每個(gè)個(gè)體為二維向量，N個(gè)個(gè)體構(gòu)成了N×2的矩陣； 2)計(jì)算每一個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)值，并對(duì)這N個(gè)適應(yīng)度值由小到大排序，采用輪盤(pán)賭選擇，篩選出較優(yōu)的個(gè)體； 3)對(duì)這N個(gè)個(gè)體隨機(jī)兩兩配對(duì)，選擇合適的交叉算子按一指定概率pc進(jìn)行交叉操作； 4)對(duì)每一個(gè)個(gè)體中的每一變量，選擇變異算子按一指定概率pm進(jìn)行變異操作； 5)刪除種群中一任意個(gè)體并替換成2)中記錄的最優(yōu)個(gè)體； 6)若滿足收斂條件則輸出最優(yōu)解并退出迭代，否則轉(zhuǎn)向(2)步。
迭代運(yùn)行該步驟，剔除不符合先驗(yàn)信息的數(shù)據(jù)，進(jìn)行軟判決，最終得到結(jié)果的均值X＝(x，y)即為所求移動(dòng)終端的精確坐標(biāo)。
(13)對(duì)這N個(gè)個(gè)體隨機(jī)兩兩配對(duì)，選擇合適的交叉算子按一指定概率pc進(jìn)行交叉操作； (14)對(duì)每一個(gè)個(gè)體中的每一變量，選擇變異算子按一指定概率pm進(jìn)行變異操作； (15)刪除種群中一任意個(gè)體并替換成步驟(12)中記錄的最優(yōu)個(gè)體，在設(shè)置的遺傳尋優(yōu)區(qū)域范圍內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行遺傳進(jìn)化計(jì)算，若滿足收斂條件則輸出最優(yōu)解并退出迭代； (16)最后采用一種軟判決準(zhǔn)則結(jié)合先驗(yàn)信息的方法，軟判決即對(duì)獲得的定位結(jié)果坐標(biāo)進(jìn)行與各傳感器的距離計(jì)算得到一組距離值，要是發(fā)現(xiàn)這組距離值與3個(gè)以上的傳感器的原始TOA值有很大的偏離，就當(dāng)作不合理的解數(shù)據(jù)而剔除，同時(shí)剔除不符合先驗(yàn)信息的數(shù)據(jù)，先驗(yàn)信息是指在這個(gè)定位的蜂窩布局中，由AOA信息可以預(yù)先得到定位終端的方向，軟判決準(zhǔn)則是用來(lái)剔除偽解數(shù)據(jù)的，是結(jié)合小區(qū)的先驗(yàn)信息來(lái)實(shí)施的，在結(jié)果中便可以去掉假值，將最終得到結(jié)果取均值即得到了移動(dòng)終端的精確位置，便實(shí)現(xiàn)了高精度的無(wú)線定位。
圖1為本發(fā)明方法無(wú)線定位模型的二維平面示意圖，如圖1所示，布局為一個(gè)小區(qū)半徑為L(zhǎng)的蜂窩系統(tǒng)，各布局好了的傳感器測(cè)得移動(dòng)終端的電波經(jīng)過(guò)散射體反射后的電波到達(dá)時(shí)間，主傳感器還可以提供電波到達(dá)角信息。即電波經(jīng)過(guò)在無(wú)線空間傳播后，也就得到了多徑散射信息，以上僅TOA和AOA定位數(shù)據(jù)就是本發(fā)明方法所要利用的，故所需定位的條件較少，完全符合實(shí)際的通信環(huán)境。然后由定位信息與建立的誤差模型就可以進(jìn)行定位了。
如圖2所示為本發(fā)明方法定位系統(tǒng)的工作流程示意圖。由接收到的移動(dòng)終端發(fā)送來(lái)的電波進(jìn)行多組多徑散射信息的測(cè)距和一組測(cè)角處理后，建立誤差模型，經(jīng)過(guò)對(duì)散射信息的估計(jì)及修正后獲得虛擬TOA信息，然后采用遺傳算法求解，對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟判決后就可以得到移動(dòng)終端的精確位置信息了。
如圖3所示，基于多徑散射信息的高精度無(wú)線定位系統(tǒng)，包括移動(dòng)終端1、傳感器裝置2和中央處理單元3，其特征在于移動(dòng)終端1由一個(gè)無(wú)線信號(hào)發(fā)射模塊4構(gòu)成，傳感器裝置2由一個(gè)無(wú)線信號(hào)接收模塊5的輸出連接到一個(gè)測(cè)距模塊6和一個(gè)測(cè)角模塊7后連接到一個(gè)數(shù)據(jù)信息無(wú)線傳送模塊8構(gòu)成，中央處理單元3由一個(gè)信息處理模塊9經(jīng)一個(gè)定位計(jì)算模塊10后連接一個(gè)定位結(jié)果信息顯示模塊11構(gòu)成；各選用模塊型號(hào)及其技術(shù)參數(shù)為 1)測(cè)角模塊7約克儀器公司的Schaevitz系列角傳感器、測(cè)角系統(tǒng)；Schaevitz系列傾角傳感器可對(duì)水平、角度和傾斜度進(jìn)行精確測(cè)量，廣泛應(yīng)用于地面導(dǎo)航。
2)測(cè)距模塊610.5G/24G微波雷達(dá)測(cè)速/測(cè)距傳感器，意大利INFRA傳感器；遠(yuǎn)程微波測(cè)速/測(cè)距傳感器，用于車、船、等目標(biāo)的遠(yuǎn)距測(cè)距，收發(fā)采用雙頭，電壓+DC(6-12.5V)，測(cè)量精度為±1.5mm。
3)無(wú)線信號(hào)接收模塊5，傳送模塊8捷麥Jammy公司型號(hào)為C11的收發(fā)儀器；包括一個(gè)發(fā)送模塊(C11T)和一個(gè)接收模塊(C11R)，單發(fā)單收，分別與各自的控制電路相接后即可進(jìn)行無(wú)線收發(fā)工作。該模塊的額定通信速率為1200bps；通信格式采用異步通信，額定工作電源為DC6V。
4)計(jì)算模塊10和信息處理模塊9CS6079快輸入12位計(jì)算電路芯片；CS6079是一個(gè)單片CMOS計(jì)算器電路，內(nèi)置倍壓電路，可直接驅(qū)動(dòng)LCD，功耗低。
5)顯示模塊11迪威液晶DV320240F；為一個(gè)SED13305控制器，AG320240F/A1/AG320240A4觸屏5.7寸。
6)整個(gè)裝置的電源瑞士TRACO電源TOL-C42型號(hào)；電壓4.5VDC~72VDC。過(guò)流保護(hù)點(diǎn)110％~150％工作溫度-25/-40～+85℃，.開(kāi)關(guān)頻率150~200KHz功率0.1W～6W。
綜上所述，本發(fā)明提供了一種基于多徑散射信息的高精度無(wú)線定位方法及裝置，適用于各種定位環(huán)境，特別是在需定位的移動(dòng)終端附近有很多障礙物時(shí)，散射環(huán)境嚴(yán)重，多徑豐富的條件下，諸如城區(qū)、山陵等環(huán)境，是一種高精度實(shí)用化定位技術(shù)。所述的無(wú)線定位系統(tǒng)包括移動(dòng)終端、傳感器裝置和中央處理單元，所述裝置從接收到的達(dá)到傳感器的無(wú)線電波信號(hào)中定位出移動(dòng)終端的精確位置。該方法首先根據(jù)實(shí)際的通信環(huán)境建立合理的非視距電波傳播的多徑散射無(wú)線定位模型，通過(guò)測(cè)得的多組多徑散射信息的定位數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)散射信息建立一組虛擬傳感器，經(jīng)過(guò)測(cè)距處理、加權(quán)最小二乘估計(jì)、非線性函數(shù)的獲得、遺傳算法的改進(jìn)和新的判決操作來(lái)到達(dá)目標(biāo)精確定位的。本發(fā)明提供的高精度無(wú)線定位方法及裝置能有效抑制非視距傳播誤差，而且具有成本低、能耗低及定位精度相當(dāng)高的優(yōu)點(diǎn)。由于本發(fā)明的高精度定位性能，可以使定位業(yè)務(wù)得到更為廣泛的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種基于多徑散射信息的高精度無(wú)線定位方法，所采用的無(wú)線定位系統(tǒng)包括移動(dòng)終端、傳感器裝置和中央處理單元，用于從接收到的達(dá)到傳感器的無(wú)線電波信號(hào)中定位出移動(dòng)終端的精確位置，其特征在于結(jié)合多徑散射體信息和測(cè)量的電波到達(dá)角及電波到達(dá)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)在非視距傳播環(huán)境下的精確定位，包括下列步驟
a.在非視距傳播環(huán)境下，移動(dòng)終端發(fā)射的電波經(jīng)很多散射體反射后再到達(dá)傳感器接收裝置，電波的傳播路徑彎曲，多個(gè)散射點(diǎn)反射后產(chǎn)生多徑，這些多徑信號(hào)從不同的方向以不同的時(shí)間到達(dá)傳感器裝置；
b.參與定位的傳感器個(gè)數(shù)為M1個(gè)其中有一個(gè)為主傳感器，位于中央處理單元；并將這些傳感器布局為一個(gè)小區(qū)半徑為L(zhǎng)的蜂窩系統(tǒng)；
c.每個(gè)傳感器測(cè)得的多徑信號(hào)數(shù)為M2路，每個(gè)傳感器可以測(cè)得的由散射體反射過(guò)來(lái)的電波到達(dá)時(shí)間τji，j＝1，2，...，M1，i＝1，2，..，M2，進(jìn)行匹配后，則可以推出散射體的個(gè)數(shù)及其對(duì)應(yīng)的反射電波到達(dá)時(shí)間；
d.將測(cè)量到的電波到達(dá)時(shí)間的時(shí)間值轉(zhuǎn)化為測(cè)量的電波到達(dá)時(shí)間TOA距離值，其中包含了非視距傳播NLOS誤差和測(cè)量誤差，由以上TOA距離值和傳播環(huán)境建立多徑散射的TOA誤差分布模型，模型數(shù)學(xué)公式為，其中l(wèi)ji0為移動(dòng)終端到基站的距離真值，lnji為其測(cè)量誤差，服從均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為σln的高斯分布，lNLOSji為非視距傳播引起的距離誤差，
為電波傳播距離，c為電波速度，Δτji為各路徑總的TOA時(shí)間誤差；
e.主傳感器測(cè)量得到經(jīng)各散射體過(guò)來(lái)的電波到達(dá)角，結(jié)合傳播環(huán)境建立多徑散射的電波到達(dá)角AOA誤差分布模型，模型數(shù)學(xué)公式為Δθi為AOA測(cè)量噪聲，設(shè)其服從均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為σθ(rad)的高斯分布，此處的高斯分布為一已知的經(jīng)典分布；
f.由TOA誤差分布模型和AOA誤差分布模型建立NLOS定位模型，同以上的建立方法，并將這些測(cè)量值作為測(cè)得的多徑散射信息，再將這些多徑散射信息建立位置方程dji為第i個(gè)散射體到第j個(gè)傳感器之間的距離，傳感器坐標(biāo)為(xj，yj)，散射體坐標(biāo)為Si(sxi，syi)；經(jīng)過(guò)矩陣變換求解及最小二乘法處理，便得到了各散射體與傳感器的估計(jì)距離dji和各散射體與移動(dòng)終端之間的估計(jì)距離Li，于是由以上數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)就得到了初步估計(jì)出的各散射體的位置；
g.由于非視距環(huán)境下存在NLOS誤差和測(cè)量誤差，初步估計(jì)得到的散射體位置不是很精確，再繼續(xù)進(jìn)一步修正；采用多徑散射信息的TOA/AOA混合修正，將dji作為第j個(gè)傳感器與第i個(gè)散射體的TOA測(cè)量值，再結(jié)合主傳感器的AOA信息建立一組測(cè)距方程其中
為修止后的散射體坐標(biāo)，θi為測(cè)得的第i個(gè)傳感器測(cè)得的AOA值，主傳感器坐標(biāo)為(x1，y1)；
h.再采用加權(quán)最小二乘算法，由各TOA和AOA測(cè)量值相互獨(dú)立，便用TOA和AOA測(cè)量值的聯(lián)合協(xié)方差矩陣Wi近似替代誤差矢量ξi的協(xié)方差矩陣，進(jìn)而構(gòu)造出總的誤差矢量ξi的協(xié)方差矩陣ζi；
i.對(duì)以上矩陣數(shù)據(jù)采用最小二乘算法處理，得到的第一次加權(quán)最小二乘解即為散射體第一次修正的值，再由散射體自身的位置方程繼續(xù)采用加權(quán)最小二乘算法，得到了第二次加權(quán)最小二乘解，冉將這個(gè)解的模糊性由傳感器布局小區(qū)的先驗(yàn)信息消除，即得到了各散射體經(jīng)過(guò)修正后的精確坐標(biāo)；
j.由散射體的位置即可得到各散射體與傳感器的第二次精確估計(jì)距離
再利用主傳感器測(cè)得的TOA值減去散射體到達(dá)傳感器的距離
就得到移動(dòng)終端到散射體的二次精確估計(jì)的距離測(cè)量值
然后將散射體作為一組M2個(gè)虛擬傳感器，并把
作為移動(dòng)終端到散射體的TOA值進(jìn)行定位估計(jì)；
k.再又建立移動(dòng)終端與散射體之間TOA誤差分布模型，獲得定位的最大似然函數(shù)F，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，求使函數(shù)F最大時(shí)時(shí)得到了一個(gè)以移動(dòng)終端位置為變量的非線性函數(shù)；
1.對(duì)以上得到的非線性函數(shù)采用改進(jìn)的遺傳算法求解，設(shè)置初始種群個(gè)體數(shù)為N，并計(jì)算每一個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)值，并對(duì)這N個(gè)適應(yīng)度值由小到大排序，采用輪盤(pán)賭選擇，篩選出較優(yōu)的個(gè)體；
m.對(duì)這N個(gè)個(gè)體隨機(jī)兩兩配對(duì)，選擇合適的交叉算子按一指定概率pc進(jìn)行交叉操作；
n.對(duì)每一個(gè)個(gè)體中的每一變量，選擇變異算子按一指定概率pm進(jìn)行變異操作；
o.刪除種群中一任意個(gè)體并替換成步驟1中記錄的最優(yōu)個(gè)體，在設(shè)置的遺傳尋優(yōu)區(qū)域范圍內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行遺傳進(jìn)化計(jì)算，若滿足收斂條件則輸出最優(yōu)解并退出迭代；
p.最后采用一種軟判決準(zhǔn)則結(jié)合先驗(yàn)信息的方法，軟判決即對(duì)獲得的定位結(jié)果坐標(biāo)進(jìn)行與各傳感器的距離計(jì)算得到一組距離值，要是發(fā)現(xiàn)這組距離值與3個(gè)以上的傳感器的原始TOA值有很大的偏離，就當(dāng)作不合理的解數(shù)據(jù)而剔除，同時(shí)剔除不符合先驗(yàn)信息的數(shù)據(jù)，先驗(yàn)信息是指在這個(gè)定位的蜂窩布局中，由AOA信息可以預(yù)先得到定位終端的方向，將最終得到結(jié)果取均值即得到了移動(dòng)終端的精確位置，便實(shí)現(xiàn)了高精度的無(wú)線定位。
2.如權(quán)利要求1所述的基于多徑散射信息的高精度無(wú)線定位方法，其特征在于步驟b中所述傳感器其總體布局為一個(gè)小區(qū)半徑為L(zhǎng)的蜂窩系統(tǒng)，具體坐標(biāo)分布為(0，0)，(0，2L)，以保證優(yōu)越的定位性能。
3.如權(quán)利要求1所述的基于多徑散射信息的高精度無(wú)線定位方法，其特征在于步驟c中所述多徑信號(hào)數(shù)M2與散射體數(shù)目有一定的關(guān)系，可以由最小均方誤差的大小來(lái)匹配得出各自對(duì)應(yīng)的電波到達(dá)時(shí)間值，最小均方誤差RMSE的計(jì)算公式為(sxi，syi)為估計(jì)的散射信息，E[·]表示求數(shù)學(xué)期望。
4.如權(quán)利要求1所述的基于多徑散射信息的高精度無(wú)線定位方法，其特征在于步驟h中構(gòu)造出總的誤差矢量ξi的協(xié)方差矩陣ζi由多徑散射信息的TOA和AOA混合確定，其對(duì)應(yīng)的誤差矢量為ξi＝hi-giQi，其中
傳感器坐標(biāo)為(xj，yj)，中央處理單元位置為(x1，y1)，為修正后的散射體坐標(biāo)。
5.如權(quán)利要求1所述的基于多徑散射信息的高精度無(wú)線定位方法，其特征在于步驟j中的一組虛擬傳感器是由修正后的散射體位置確定的，但這些虛擬傳感器并不是真實(shí)存在的，也就是通過(guò)最小二乘法估計(jì)后得到的散射信息Si(sxi，syi)。
6.如權(quán)利要求1所述的基于多徑散射信息的高精度無(wú)線定位方法，其特征在于步驟k中獲得的最大似然函數(shù)F和非線性函數(shù)是基于上述誤差分布模型的，也就是基于由實(shí)際環(huán)境建立的經(jīng)典高斯誤差分布模型。
7.如權(quán)利要求1所述的基于多徑散射信息的高精度無(wú)線定位方法，其特征在于步驟1中采用的遺傳算法是經(jīng)過(guò)改進(jìn)的，是由實(shí)際的電波傳播模型對(duì)遺傳算法經(jīng)過(guò)合理改進(jìn)的，并設(shè)置了合理的種群數(shù)N，交叉概率pc和變異概率pm，同時(shí)，這些參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)整；具體小步驟如下
a.隨機(jī)產(chǎn)生N個(gè)個(gè)體作為初始種群，每個(gè)個(gè)體為二維向量，N個(gè)個(gè)體構(gòu)成了N×2的矩陣；
b.計(jì)算每一個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)值，并對(duì)這N個(gè)適應(yīng)度值由小到大排序，采用輪盤(pán)賭選擇，篩選出較優(yōu)的個(gè)體；
c.對(duì)這N個(gè)個(gè)體隨機(jī)兩兩配對(duì)，選擇合適的交叉算子按一指定概率pc進(jìn)行交叉操作；
d.對(duì)每一個(gè)個(gè)體中的每一變量，選擇變異算子按一指定概率pm進(jìn)行變異操作；
e.刪除種群中一任意個(gè)體并替換成步驟b中記錄的最優(yōu)個(gè)體；
f.若滿足收斂條件則輸出最優(yōu)解并退出迭代，否則轉(zhuǎn)向步驟b；迭代運(yùn)行該步驟，剔除不符合先驗(yàn)信息的數(shù)據(jù)，進(jìn)行軟判決，最終得到結(jié)果的均值X＝(x，y)即為所求移動(dòng)終端的精確坐標(biāo)。
8.如權(quán)利要求1所述的基于多徑散射信息的高精度無(wú)線定位方法，其特征在于步驟p中的軟判決準(zhǔn)則是用來(lái)剔除偽解數(shù)據(jù)的，是結(jié)合小區(qū)的先驗(yàn)信息來(lái)實(shí)施的，先驗(yàn)信息是指在這個(gè)定位的蜂窩布局中，由AOA信息可以預(yù)先得到要定位的終端的方向，在結(jié)果中便可以去掉假值。
9.一種基于多徑散射信息的高精度無(wú)線定位系統(tǒng)，包括移動(dòng)終端(1)、傳感器裝置(2)和中央處理單元(3)，其特征在于移動(dòng)終端(1)由一個(gè)無(wú)線信號(hào)發(fā)射模塊(4)構(gòu)成，傳感器裝置(2)由一個(gè)無(wú)線信號(hào)接收模塊(5)的輸出連接到一個(gè)測(cè)距模塊(6)和一個(gè)測(cè)角模塊(7)后連接到一個(gè)數(shù)據(jù)信息無(wú)線傳送模塊(8)構(gòu)成，中央處理單元(3)由一個(gè)信息處理模塊(9)經(jīng)一個(gè)定位計(jì)算模塊(10)后連接一個(gè)定位結(jié)果信息顯示模塊(11)構(gòu)成；各選用模塊型號(hào)及其技術(shù)參數(shù)為
a.測(cè)角模塊(7)約克儀器公司的Schaevitz系列角傳感器、測(cè)角系統(tǒng)；Schaevitz系列傾角傳感器可對(duì)水平、角度和傾斜度進(jìn)行精確測(cè)量，廣泛應(yīng)用于地面導(dǎo)航；
b.測(cè)距模塊(6)10.5G/24G微波雷達(dá)測(cè)速/測(cè)距傳感器，意大利INFRA傳感器；遠(yuǎn)程微波測(cè)速/測(cè)距傳感器，用于車、船、等目標(biāo)的遠(yuǎn)距測(cè)距，收發(fā)采用雙頭，電壓+DC(6-12.5V)，測(cè)量精度為±1.5mm；
c.無(wú)線信號(hào)接收模塊(5)，傳送模塊(8)捷麥Jammy公司型號(hào)為C11的收發(fā)儀器；包括一個(gè)發(fā)送模塊(C11T)和一個(gè)接收模塊(C11R)，單發(fā)單收，分別與各自的控制電路相接后即可進(jìn)行無(wú)線收發(fā)工作。該模塊的額定通信速率為1200bps；通信格式采用異步通信，額定工作電源為DC6V；
d.計(jì)算模塊(10)和信息處理模塊(9)CS6079快輸入12位計(jì)算電路芯片；CS6079是一個(gè)單片CMOS計(jì)算器電路，內(nèi)置倍壓電路，可直接驅(qū)動(dòng)LCD，功耗低；
e.顯示模塊(11)迪威液晶DV320240F；為一個(gè)SED13305控制器，AG320240F/A1/AG320240A4觸屏5.7寸；
f.整個(gè)裝置的電源瑞士TRACO電源TOL-C42型號(hào)；電壓4.5VDC~72VDC。過(guò)流保護(hù)點(diǎn)110％~150％工作溫度-25/40～+85℃，.開(kāi)關(guān)頻率150~200KHz功率0.1W～6W。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于多徑散射信息的高精度無(wú)線定位方法及系統(tǒng)，適用于各種定位環(huán)境，特別是在需定位的移動(dòng)終端附近有很多障礙物時(shí)，散射環(huán)境嚴(yán)重，多徑豐富的條件下，諸如城區(qū)、山陵等環(huán)境，是一種高精度實(shí)用化定位技術(shù)。該方法首先根據(jù)實(shí)際的通信環(huán)境建立合理的非視距電波傳播的多徑散射無(wú)線定位模型，再由多個(gè)傳感器測(cè)得的多組多徑散射信息的定位數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)散射信息，然后由散射信息來(lái)重構(gòu)一組虛擬傳感器，最終定位時(shí)便提出一種新的判決準(zhǔn)則和由修正得到的多徑散射信息的新算法來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)精確定位。本發(fā)明提供的高精度無(wú)線定位方法及系統(tǒng)能有效抑制非視距傳播誤差，而且具有成本低、能耗低及定位精度相當(dāng)高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01S5/02GK101394672SQ20081020197
公開(kāi)日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者強(qiáng) 石, 勇 方, 張立禹, 余建剛 申請(qǐng)人:上海大學(xué)