專利名稱：基于線性組合的凸優(yōu)化測距定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及無線定位技術(shù)領(lǐng)域的一種基于線性組合的凸優(yōu)化測距定位方法。本發(fā)明可以對基于測距信息的未知節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高精度和快速的位置坐標(biāo)計算，方法中的線性組合策略使得原本非凸的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為可以快速求解的凸優(yōu)化問題，由于方法同時提升了定位的精度與計算效率，可廣泛應(yīng)用各種基于測距定位的應(yīng)用場合。
背景技術(shù)：
基于無線測距的定位技術(shù)在民用、工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域有廣泛而重要的應(yīng)用價值，是各種基于位置的服務(wù)與應(yīng)用的基礎(chǔ)。測距定位的主要思想是根據(jù)一些坐標(biāo)已知的物理基準(zhǔn)點(diǎn)，以及待定位點(diǎn)到這些物理基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離測量值，根據(jù)幾何關(guān)系建立約束方程組從而求得待定位點(diǎn)的坐標(biāo)。距離測量有很多種方法，如信號的傳播時間、信號強(qiáng)度以及信號到達(dá)方向角等。在實(shí)際應(yīng)用中，由于信號在產(chǎn)生、傳輸及接收的各個環(huán)節(jié)均存在不同程度的噪聲干擾，使得待定位點(diǎn)與物理基準(zhǔn)點(diǎn)之間的信號傳輸具有一定的不確定性而引入測量誤差。為克服噪聲干擾的問題，通常選取較多的物理基準(zhǔn)點(diǎn)以獲得更多距離測量信息，期望通過更多的測量信息得到對待定位點(diǎn)坐標(biāo)的更準(zhǔn)確估計。高通股份有限公司所提出的專利申請“用于確定GPS地面混合定位系統(tǒng)代數(shù)解的方法和裝置”(申請?zhí)?00818807.6，公開號:100343690C)中，公開了一種利用待定位點(diǎn)的高度輔助信息、地面測量等附加約束得到待定位點(diǎn)的坐標(biāo)估計，雖然該方法在一定程度上避免了迭代算法的對定位點(diǎn)坐標(biāo)計算時不收斂和奇異性的情況，但該方法仍然存在的不足是，對附加信息的要求較高，當(dāng)附加約束的測量可靠性不高時對定位結(jié)果的影響較大。伊納維斯公司所提出的專利申請“定位方法和裝置”(申請?zhí)?01806202.4，公開號:100442078C)中，公開了一種根據(jù)測距信息利用三角測量關(guān)系進(jìn)行定位方程的解算的方法。該方法雖然計算簡單，可以得到定位點(diǎn)的解析解，利用信號處理的相關(guān)算法減小了測距噪聲，但該方法仍然存在的不足是，不能達(dá)到對測距噪聲的完全抑制，距離測距噪聲對其定位結(jié)果的影響比較敏感，并且忽略了各種測距信息之間噪聲的相異性，造成定位精度大幅下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有的技術(shù)的不足，提出了一種基于線性組合的凸優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)高精度和高效率的定位技術(shù)。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的基本思想是，通過構(gòu)造虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)，并將待定位點(diǎn)表示為虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)的線性組合。利用該線性組合系數(shù)，可以把待定位點(diǎn)與物理基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離轉(zhuǎn)化為虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)與物理基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離的線性組合，利用線性組合系數(shù)和虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)計算得到待定位點(diǎn)坐標(biāo)。由于虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)生成不存在噪聲，故而其與物理基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離是精確的?；谏鲜鎏摂M基準(zhǔn)點(diǎn)的構(gòu)造與線性組合策略，使得測距定位問題轉(zhuǎn)化為求解虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)的線性組合系數(shù)。本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下:(I)初始化參數(shù):用戶根據(jù)經(jīng)驗和實(shí)際測距通信環(huán)境，設(shè)置定位系統(tǒng)的虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)個數(shù)、距離置信參數(shù)、測距噪聲水平三個初始化參數(shù)；⑵測距:定位系統(tǒng)的測距通信裝置測量待定位點(diǎn)到物理基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離，根據(jù)測距信息統(tǒng)計物理基準(zhǔn)點(diǎn)個數(shù)；
·
(3)判斷是否滿足定位要求:判斷物理基準(zhǔn)點(diǎn)個數(shù)是否大于等于k+Ι，其中k為物理基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)維數(shù)，如果是，則執(zhí)行步驟(4)，否則，結(jié)束定位；(4)篩選物理基準(zhǔn)點(diǎn):對通信物理基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行篩選，得到物理基準(zhǔn)點(diǎn)集合；(5)計算可行域:利用物理基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)、物理基準(zhǔn)點(diǎn)與待定位點(diǎn)對應(yīng)的測量距離，計算待定位點(diǎn)的可行域；(6)生成虛擬基準(zhǔn)點(diǎn):6a)在可行域內(nèi)采用精確坐標(biāo)生成方法，生成候選虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)集合；6b)對候選虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)集合進(jìn)行篩選，得到虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)集合；(7)構(gòu)建距離矩陣:7a)按照下式計算各個虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)到各個物理基準(zhǔn)點(diǎn)的距離:Dij = I I B1-Vj I 12其中，Dij表示第i個物理基準(zhǔn)點(diǎn)到第j個虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離，Bi表示第i個物理基準(zhǔn)點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)值，Vj表示第j個虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)值，11.112表示計算物理基準(zhǔn)點(diǎn)與虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)之間的距離；7b)將所有距離元素Dij排列在距離矩陣D的第i行第j列，獲得NXM維的距離矩陣D,其中，N表示篩選得到的物理基準(zhǔn)點(diǎn)個數(shù),M表示篩選得到的虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)個數(shù)；(8)按照下式求解最優(yōu)組合系數(shù):
權(quán)利要求
1.一種基于線性組合的凸優(yōu)化測距定位方法，包括如下步驟: (1)初始化參數(shù): 用戶根據(jù)經(jīng)驗和實(shí)際測距通信環(huán)境，設(shè)置定位系統(tǒng)的虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)個數(shù)、距離置信參數(shù)、測距噪聲水平三個初始化參數(shù)； (2)測距: 定位系統(tǒng)的測距通信裝置測量待定位點(diǎn)到物理基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離，根據(jù)測距信息統(tǒng)計物理基準(zhǔn)點(diǎn)個數(shù)； (3)判斷是否滿足定位要求: 判斷物理基準(zhǔn)點(diǎn)個數(shù)是否大于等于k+Ι，其中k為物理基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)維數(shù)，如果是，則執(zhí)行步驟(4)，否則，結(jié)束定位； (4)篩選物理基準(zhǔn)點(diǎn): 對通信物理基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行篩選，得到物理基準(zhǔn)點(diǎn)集合； (5)計算可行域: 利用物理基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)、物理基準(zhǔn)點(diǎn)與待定位點(diǎn)對應(yīng)的測量距離，計算待定位點(diǎn)的可行域； (6)生成虛擬基準(zhǔn)點(diǎn): 6a)在可行域內(nèi)采用精確坐標(biāo)生成方法，生成候選虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)集合； 6b)對候選虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)集合進(jìn)行篩選,得到虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)集合； (7)構(gòu)建距離矩陣: 7a)按照下式計算各個虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)到各個物理基準(zhǔn)點(diǎn)的距離: DiJ = I I B1-Vj I I 2 其中，Dij表示第i個物理基準(zhǔn)點(diǎn)到第j個虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離，Bi表示第i個物理基準(zhǔn)點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)值，Vj表示第j個虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)值，11.112表示計算物理基準(zhǔn)點(diǎn)與虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)之間的距離； 7b)將所有距離元素Du排列在距離矩陣D的第i行第j列，獲得NXM維的距離矩陣D,其中，N表示篩選得到的物理基準(zhǔn)點(diǎn)個數(shù),M表示篩選得到的虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)個數(shù)； (8)按照下式求解最優(yōu)組合系數(shù):
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線性組合的凸優(yōu)化測距定位方法，其特征在于，步驟(I)中所述的虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)個數(shù)在二維定位中取為4 20,距離置信參數(shù)的范圍為I 5,測距噪聲水平O 0.2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線性組合的凸優(yōu)化測距定位方法，其特征在于，步驟(2)中所述的物理基準(zhǔn)點(diǎn)表示坐標(biāo)已知的衛(wèi)星和通信基站。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線性組合的凸優(yōu)化測距定位方法，其特征在于，步驟(4)中所述的篩選是指，從所有的通信物理基準(zhǔn)點(diǎn)集合中選取(k+Ι) L個與待定位點(diǎn)距離較近的物理基準(zhǔn)點(diǎn)，得到物理基準(zhǔn)點(diǎn)集合，其中k為物理基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)維數(shù)，L為所有通信物理基準(zhǔn)點(diǎn)的個數(shù)。
5.據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線性組合的凸優(yōu)化測距定位方法，其特征在于，步驟(4)中所述的坐標(biāo)維數(shù)k表示大于等于2的有限整數(shù)，當(dāng)k = 2，3時分別應(yīng)于二維平面和三維空間。
6.據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線性組合的凸優(yōu)化測距定位方法，其特征在于，步驟(5)中所述的待定位點(diǎn)的可行域計算方法是，以每一個物理基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)為圓心，以φ(1±α β)為半徑，生成N個圓環(huán)，各個圓環(huán)的交集即為虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)的可行域，其中，屯表示待定位點(diǎn)與第i個物理基準(zhǔn)點(diǎn)的測量距離，α表示初始化的距離置信參數(shù)，β是初始化的測距噪聲，N表示篩選得到的物理基準(zhǔn)點(diǎn)集合的個數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線性組合的凸優(yōu)化測距定位方法，其特征在于，步驟6a)中所述的精確坐標(biāo)生成方法是指，在可行域的限制范圍內(nèi)，用偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生坐標(biāo)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線性組合的凸優(yōu)化測距定位方法，其特征在于，步驟6a)中所述的精確坐標(biāo)生成方法是指，在可行域的限制范圍內(nèi)，用非隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生坐標(biāo)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線性組合的凸優(yōu)化測距定位方法，其特征在于，步驟6b)中所述虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)的篩選方法是指，在候選虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)集合中選取其凸包。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線性組合的凸優(yōu)化測距定位方法，其特征在于，步驟6b)中所述對虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)的篩選是指，在候選虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)集合中隨機(jī)選取其任意子集合作為虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)集合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于線性組合的凸優(yōu)化測距定位方法，主要解決了現(xiàn)有技術(shù)中在距離測量存在誤差情況下定位精度與定位效率低的問題。本發(fā)明的具體步驟是1.初始化參數(shù)；2.測量待定位節(jié)點(diǎn)與物理基準(zhǔn)點(diǎn)的距離；3.估計待定位點(diǎn)的可行域；4.在可行域內(nèi)生成虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)集，并計算距離矩陣；5.使用加權(quán)最小二乘方法求解定位優(yōu)化問題，得到待定位點(diǎn)在虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)集上的線性組合系數(shù)；6.根據(jù)組合系數(shù)與虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)值得到待定位點(diǎn)坐標(biāo)。本發(fā)明不需要其他測量信息，僅根據(jù)距離測量結(jié)果可以同時達(dá)到較高定位精度和定位效率。
文檔編號G01S5/14GK103149551SQ20131005425
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月31日
發(fā)明者齊飛, 王昶, 石光明, 任京波, 林杰, 李甫 申請人:西安電子科技大學(xué)