專利名稱：利用鄰站測距輔助測角的非直達波定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬無線通信基站網(wǎng)絡(luò)的目標定位范疇，涉及非直達波傳播環(huán)境中通過測 量多站到目標之間的距離獲取目標位置信息的方法。
背景技術(shù)：
以無線通信基站網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)設(shè)施獲取目標或用戶的位置信息在無線通信增值業(yè)務(wù)、無線通信 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和安全方面具有十分重要的價值。影響目標定位精度的因素包括定位參數(shù)測量系統(tǒng) 引入的定位誤差和無線通信環(huán)境中非直達波傳播效應(yīng)導致的定位誤差。雖然無線通信基站網(wǎng) 絡(luò)為實現(xiàn)目標或用戶自動定位功能提供了現(xiàn)成的基礎(chǔ)設(shè)施，但復雜的無線電傳播環(huán)境常常使 傳統(tǒng)的定位技術(shù)遇到很大的挑戰(zhàn)。
為抑制非直達波傳播導致的定位估計精度惡化問題， 一般采用兩類方法， 一類方法是在 常規(guī)定位方法的基礎(chǔ)上進行改進，例如，基于直達波參數(shù)重建的定位方法、殘差加權(quán)方法、 誤差校正方法等；另一類方法是發(fā)展新的非直達波精確定位理論和算法，例如，數(shù)據(jù)庫相關(guān) 定位方法、基于雙向信道參數(shù)測量的定位方法、基于散射信息的定位算法等。要達到抑制非 直達波傳播對目標定位性能影響的目的，前一類方法不是需要對較大范圍內(nèi)運動的目標進行 較長時間的多次測量就是需要較多的基站測量提供關(guān)于目標位置的冗余信息，后一類方法則 嚴重的依賴定位系統(tǒng)對移動通信無線傳播環(huán)境信息的了解程度。上述前提條件大大限制了這 些方法的應(yīng)用，使非直達波傳播環(huán)境中的精確定位受到制約。
本發(fā)明的目的是提供一種在非直達波傳播環(huán)境中高精度的確定目標位置信息的方法，改 善通過測量多站到目標之間的距離獲取目標位置信息的定位系統(tǒng)在非直達波傳播情況下的 定位精度和穩(wěn)健性。本方法只需要目標和主站、鄰站之間的一次測距結(jié)果，并且不要求定位 系統(tǒng)知道移動通信無線傳播環(huán)境的細節(jié)信息就能達到抑制非直達波傳播對目標定位性能影
響的目的。
本發(fā)明的目的是這樣達到的 一種利用鄰站測距輔助測角的非直達波定位方法，其特征 在于利用主站的測距結(jié)果和角度搜索范圍確定目標位置的搜索范圍，在目標位置搜索范圍 內(nèi)，計算每個候選目標與鄰站之間的距離估計，通過比較距離估計與鄰站的測距結(jié)果之間的 差值，確定角度搜索范圍內(nèi)的每個角度的代價，根據(jù)最小代價對應(yīng)的角度確定目標相對于主 站的測角結(jié)果，最后利用主站測距結(jié)果和利用鄰站測距結(jié)果得到的測角結(jié)果確定目標的位 置。根據(jù)這種方法所實施的具體步驟是
首先，確定主站和W個鄰站的測距結(jié)果和角度搜索范圍、每個搜索角度； 其次，根據(jù)主站的測距結(jié)果和每個搜索角度，確定候選的目標位置； 根據(jù)候選的目標位置確定候選的目標與W個鄰站之間的距離估計； 然后，確定W個鄰站的測距結(jié)果與距離估計之間的差值； 確定角度搜索范圍內(nèi)的每個角度的代價； 根據(jù)角度搜索范圍內(nèi)代價的最小值確定測角結(jié)果； 最后，根據(jù)主站的測距結(jié)果和鄰站測距輔助的測角結(jié)果確定目標。
設(shè)目標位于[x。，力]，主站位于坐標原點，目標與主站之間的距離為r。，第n個鄰站的坐 標為h,h]，目標與鄰站之間的距離為^， " = l，2，...，iV，確定的主站和W個鄰站的測距結(jié) 果是&，打=0,1,2,...,^;確定角度搜索范圍是0。到360。之間。
所述確定的主站的測距結(jié)果是4， 4=rQ+wQ，其中，W。為主站測距系統(tǒng)引入的測距 誤差，w個鄰站的測距結(jié)果是4， &=^+、+V ，其中，w"為鄰站測距系統(tǒng)引入的測距 誤差，v"為鄰站因為非直達波傳播效應(yīng)導致的測距誤差，"=l,2,...,iV;
每個搜索角度是 <formula>formula see original document page 5</formula>。
所述根據(jù)主站的測距結(jié)果和每個搜索角度，確定候選的目標位置是； <formula>formula see original document page 5</formula>
根據(jù)候選的目標位置確定候選的目標與W個鄰站之間的距離估計；
<formula>formula see original document page 6</formula>
所述確定N個鄰站的測距結(jié)果與距離估計之間的差值是確定N個鄰站的測距結(jié)果與距
離估計之間的差值為=
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，r是懲罰系數(shù)，非直達波傳播效應(yīng)越嚴重，總的測距誤差為正數(shù)的概率就越大，
懲罰系數(shù)r的設(shè)置越大，"=l,2，...，iV， A = 1，2，...,K。
確定角度搜索范圍內(nèi)的每個角度的代價為-
其中，"V^S—S…^^^， "2… ]是自然數(shù)[1 2…iV]的一種排列，
對應(yīng)k &…^]從小到大的排列秩序，a=i,2，...,a:， a是一個可以調(diào)整的整數(shù)，
當W等于2時可以選擇^-0 ，當W大于2時可以選擇a^1; 根據(jù)角度搜索范圍內(nèi)代價的最小值確定測角結(jié)果是《，其中《為
A: = arg min 。
所述根據(jù)主站的測距結(jié)果和測角結(jié)果確定目標的位置[^,少。]=|7。cos(《)J。sin(《)]。 與現(xiàn)有的多站測距定位方法比較，本發(fā)明有兩個突出的特點-
由于目標位于一個主站的通信服務(wù)區(qū)內(nèi)，與目標到鄰站之間的距離相比，目標到主站之 間的距離一般是最短的。大量的實驗測量結(jié)果表明，目標到基站之間的距離越大，測距結(jié)果 中非直達波傳播效應(yīng)導致的測距誤差的方差越大，并且近似的與目標到基站之間的距離成正 比。此外，由于目標并不位于鄰站的通信服務(wù)區(qū)內(nèi)，目標和鄰站之間存在非直達波傳播的概 率往往較大。因此，對于位于一個主站服務(wù)區(qū)內(nèi)的目標而言，目標到主站之間的測距結(jié)果中 非直達波傳播效應(yīng)導致的測距誤差與目標到鄰站之間的測距結(jié)果中非直達波傳播效應(yīng)導致 的測距誤差相比，幾乎可以忽略的概率往往較大。本發(fā)明的第一個特點就是利用了這種主站 和鄰站測距結(jié)果中非直達波傳播效應(yīng)導致的測距誤差之間的差異性， 一方面利用主站的測距 結(jié)果提供高精度的目標距離信息，另一方面利用鄰站測距結(jié)果提供高精度的測角結(jié)果，再利用目標距離信息和測角結(jié)果確定目標位置。由于避免了目標到鄰站之間的測距結(jié)果中非直達 波傳播效應(yīng)導致的測距誤差對目標距離信息的影響，因此有效的提高了多站測距定位的估計 精度。
現(xiàn)有的大多數(shù)多站測距定位方法使用的都是均方測量誤差最小準則、最小二乘準則或最 小絕對偏差準則。這些經(jīng)典的統(tǒng)計優(yōu)化準則存在兩個方面的缺陷， 一是在利用各個測距結(jié)果 之間的差異性時，只考慮了不同的測距系統(tǒng)引入的測距誤差的差異性，很少考慮無線通信環(huán) 境中不同的非直達波傳播效應(yīng)導致的測距誤差的差異性，二是采用簡單的加權(quán)形式區(qū)分不同 的測距結(jié)果中的誤差對總誤差的貢獻。由于目標并不位于鄰站的通信服務(wù)區(qū)內(nèi)，目標和鄰站 之間存在非直達波傳播的概率很大，因此仍使用所有的測距結(jié)果中的誤差構(gòu)造定位準則是不 恰當?shù)?。本發(fā)明的第二個特點就是利用序統(tǒng)計量構(gòu)造定位準則，盡量避免目標和鄰站之間存 在的非直達波傳播導致的大誤差對定位結(jié)果的影響，有效提高多站測距定位的穩(wěn)健性。
試驗結(jié)果表明，對于定位誤差小于100米的累積概率而言，本發(fā)明的利用鄰站測距輔助 測角的非直達波定位方法比相同的試驗條件下的Chan方法提高了約20%。


圖1示出本發(fā)明的利用鄰站測距輔助測角的非直達波定位方法的流程圖。 圖2示出試驗中的布站位置，中心是主站，其它是鄰站，目標位于主站lkm以內(nèi)。 圖3示出本發(fā)明的使用主站和右邊兩個鄰站測距時定位誤差累積概率比較的圖。 圖4示出本發(fā)明的使用主站和三個鄰站測距時定位誤差累積概率比較的圖。 圖5示出本發(fā)明的使用主站和四個鄰站測距時定位誤差累積概率比較的圖。 圖3、圖4和圖5中的實線連接" "表示本發(fā)明的利用鄰站測距輔助測角的直達波定位 方法的定位誤差累積概率，虛線連接" "表示相同的試驗條件下Chan方法在目標與各站之 間都是直達波傳播假設(shè)下的定位誤差累積概率。
具體實施例方式
附圖給出了本發(fā)明的一個具體實施例。
主要術(shù)語與符號定義
W 參與測距定位的鄰站個數(shù)
目標位置坐標 第"個鄰站的坐標
r。 目標與主站之間的距離
& 目標與主站之間的測距結(jié)果
r 目標與鄰站之間的距離
& 目標與鄰站之間的測距結(jié)果
主站測距系統(tǒng)引入的測距誤差 鄰站測距系統(tǒng)引入的測距誤差 鄰站因為非直達波傳播效應(yīng)導致的測距誤差
《 角度搜索范圍內(nèi)的角度
^ 候選目標與第"個鄰站之間的距離估計
r 懲罰系數(shù)
角度《的代價
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行說明。
考慮1個主站和W個鄰站參與的平面測距定位問題，目標位于[;c。，少。]，主站位于坐標原點， 目標與主站之間的距離為r。，第"個鄰站的坐標為[x",;;"]，目標與鄰站之間的距離為r ， /7 = l,2，.",iV。
一般采用零均值高斯分布近似測距系統(tǒng)引入的測距誤差，但是在復雜的定位環(huán)境中難以 建立準確的測距誤差模型來描述非直達波傳播效應(yīng)，采用復合指數(shù)分布近似非直達波傳播效 應(yīng)導致的測距誤差。由于目標位于主站服務(wù)區(qū)內(nèi)，與目標到鄰站之間的距離相比，目標到主 站之間的距離是最短的，目標到主站之間的測距結(jié)果中非直達波傳播效應(yīng)導致的測距誤差可
以忽略。因此，目標到主站之間的測距結(jié)果可以表示為
&=^)+"0 (1) 由于目標并不位于鄰站的通信服務(wù)區(qū)內(nèi)，目標到鄰站之間的存在非直達波傳播的概率較大， 目標到鄰站之間的測距結(jié)果可以表示為
(2)
其中，w。為主站測距系統(tǒng)引入的測距誤差，w"為鄰站測距系統(tǒng)引入的測距誤差，V 為鄰站因為非直達波傳播效應(yīng)導致的測距誤差，"=1,2,...,7V。
目標相對于主站的角度肯定位于0。到36(T之間，這就是角度搜索范圍。將角度搜索范圍 均勻的等分成《個角度，即《=^-1)^， 4 = 1,2,...,尺。對于角度搜索范圍內(nèi)的每個角度
《
《，確定候選目標的坐標為<formula>formula see original document page 9</formula>(3)
其中，A = l，2,...，〖。
候選目標與第"個鄰站之間的距離估計為
<formula>formula see original document page 9</formula> (4) 其中，"=1,2，...,W， /t = l，2,...,^。
由于目標和鄰站之間的存在非直達波傳播的概率較大，仍使用所有的測距結(jié)果中的誤 差構(gòu)造定位準則是不恰當?shù)摹榱吮M量避免目標和鄰站之間存在的非直達波傳播導致的大 誤差對定位結(jié)果的影響，從而有效的提高了多站測距定位的穩(wěn)健性，有必要采用序統(tǒng)計量 構(gòu)造定位準則。確定N個鄰站的測距結(jié)果與距離估計之間的差值為
當4-⑤
當&—^<0
其中，r是懲罰系數(shù)，"=i,2,...,iv， /t = i,2，...，^。設(shè)置懲罰系數(shù)r的原因是目標與鄰站之 間的測距結(jié)果中非直達波傳播效應(yīng)導致的測距誤差總是正數(shù)，并且非直達波傳播效應(yīng)越嚴重，總的測距誤差為正數(shù)的概率就越大，懲罰系數(shù)r也就可以設(shè)置得越大。
若要避免目標和鄰站之間存在的非直達波傳播導致的最大的^個誤差對定位結(jié)果的 影響，則可以采用序統(tǒng)計量確定角度搜索范圍內(nèi)的每個角度的代價為
<formula>formula see original document page 10</formula> (6)
其中，S一^^^S…^Sw h "2… ]是自然數(shù)[1 2…iV]的一種排列， 對應(yīng)k e2/t…s股]從小到大的排列秩序，& = 1,2,...，〖，/J是一個可以調(diào)整的整數(shù)，
當^等于2時可以選擇^ = 0，當W大于2時可以選擇《>1。
根據(jù)角度搜索范圍內(nèi)代價的最小值確定測角結(jié)果《，其中《為
<formula>formula see original document page 10</formula> (7)
根據(jù)主站的測距結(jié)果和測角結(jié)果確定目標的位置為
<formula>formula see original document page 10</formula> (8)
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的流程圖。 流程開始于步驟101。
在步驟1021，確定主站和N個鄰站的測距結(jié)果4， n = l,2,...，iV; 在步驟1022，確定角度搜索范圍是0°到360°，每個搜索角度是
<formula>formula see original document page 10</formula> (9)
在步驟1031，根據(jù)主站的測距結(jié)果和每個搜索角度，確定候選目標的位置
<formula>formula see original document page 10</formula> (10)
在步驟1032，根據(jù)候選目標的位置確定候選的目標與W個鄰站之間的距離估計
<formula>formula see original document page 10</formula> (11)
其中，"=1，2,...,AA， A: = l,2,...,/:。
在歩驟1041，確定N個鄰站的測距結(jié)果與距離估計之間的差值
<formula>formula see original document page 11</formula>其中，r是懲罰系數(shù)，非直達波傳播效應(yīng)越嚴重，總的測距誤差為正數(shù)的概率就越大， 懲罰系數(shù)r也就可以設(shè)置得越大<formula>formula see original document page 11</formula>在步驟1042，確定角度搜索范圍內(nèi)的每個角度的代價為
<formula>formula see original document page 11</formula> 其中<formula>formula see original document page 11</formula> h2…"」是自然數(shù)[1 2…W]的一種排列， 對應(yīng)[& e24…^]從小到大的排列秩序，& = 1,2，...,〖，A是一個可以調(diào)整的整數(shù)，
當W等于2時可以選擇5=0，當W大于2時可以選擇A上1。 在步驟1043，根據(jù)角度搜索范圍內(nèi)代價的最小值確定測角結(jié)果《，其中《為
"arg mjn (14)
在步驟105，根據(jù)主站的測距結(jié)果和測角結(jié)果確定目標的位置
,<formula>formula see original document page 11</formula>根據(jù)本發(fā)明的流程結(jié)束于步驟106。
試驗按照圖2示出的布站位置，中心是主站，其它是鄰站，主站與鄰站之間的距離大約 等于2km，主站的通信服務(wù)區(qū)是以主站為中心、半徑等于l公里的圓以內(nèi)，目標均勻的位于 主站的通信服務(wù)區(qū)內(nèi)。各站的測距系統(tǒng)引入的測距誤差滿足零均值、標準差等于15米的高 斯噪聲，目標與鄰站之間非直達波傳播效應(yīng)導致的測距誤差滿足復合指數(shù)分布，
艮<formula>formula see original document page 11</formula>(16)
其中，；為目標到鄰站之間的直線距離，"=l，2，...,iV， r為l公里處距離擴展的中值，^為 路損指數(shù)，隨機變量"滿足標準差為 的對數(shù)正態(tài)分布。在or。-2dB、 ；^0.5和r:60米的 郊區(qū)環(huán)境下，圖3、圖4和圖5分別示出了本發(fā)明使用主站和右邊的兩個鄰站、三個鄰站和 四個鄰站測距時的定位誤差累積概率比較的圖，其中，懲罰系數(shù)1=2000米，與定位誤差(橫
坐標)對應(yīng)的累積概率(縱坐標)等于<formula>formula see original document page 11</formula>小于定位誤差的概率，三種情
況下的^分別等于0， 1和1，實線連接" "表示本發(fā)明的利用鄰站測距輔助測角的非直達 波定位方法的定位誤差累積概率，虛線連接" "表示相同的試驗條件下Chan方法在目標與 各站之間都是直達波傳播假設(shè)下的定位誤差累積概率?？梢?，本發(fā)明的利用鄰站測距輔助測 角的非直達波定位方法明顯改善了多站測距定位的精度和穩(wěn)健性能，例如，對于定位誤差小 于100米的累積概率而言，本發(fā)明的利用鄰站測距輔助測角的非直達波定位方法比相同的試 驗條件下的Chan方法提高了約20%。
雖然已經(jīng)參考附圖對本發(fā)明的一種利用鄰站測距輔助測角的非直達波定位方法以二維 平面定位的舉例方式進行了描述，但是本發(fā)明不限于上述這些細節(jié)，同樣適用于在非直達波 傳播環(huán)境中改善三維測距定位系統(tǒng)的性能，并且本申請含蓋權(quán)利要求范圍之內(nèi)的各種變型或 改變。在工業(yè)應(yīng)用中，將本發(fā)明提出的一種利用鄰站測距輔助測角的非直達波定位方法應(yīng)用 于無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的多站測距定位系統(tǒng)，可滿足非直達波傳播情況下通過測量多站到目標之 間的距離獲取目標位置信息的定位系統(tǒng)對高精度、穩(wěn)健定位的要求。
權(quán)利要求
1、一種利用鄰站測距輔助測角的非直達波定位方法，其特征在于利用主站的測距結(jié)果和角度搜索范圍確定目標位置的搜索范圍，在目標位置搜索范圍內(nèi)，計算每個候選目標與鄰站之間的距離估計，通過比較距離估計與鄰站的測距結(jié)果之間的差值，確定角度搜索范圍內(nèi)的每個角度的代價，根據(jù)最小代價對應(yīng)的角度確定目標相對于主站的測角結(jié)果，最后利用主站測距結(jié)果和利用鄰站測距結(jié)果得到的測角結(jié)果確定目標的位置，其具體步驟是首先，確定主站和N個鄰站的測距結(jié)果和角度搜索范圍、每個搜索角度；其次，根據(jù)主站的測距結(jié)果和每個搜索角度，確定候選的目標位置；并根據(jù)候選的目標位置確定候選的目標與N個鄰站之間的距離估計；然后，確定N個鄰站的測距結(jié)果與距離估計之間的差值；確定角度搜索范圍內(nèi)的每個角度的代價；根據(jù)角度搜索范圍內(nèi)代價的最小值確定測角結(jié)果；最后，根據(jù)主站的測距結(jié)果和鄰站測距輔助的測角結(jié)果確定目標的位置。
2、 如權(quán)利要求1所述的非直達波定位方法，其特征在于設(shè)目標位于[;c。,y。]，主站位于坐標原點，目標與主站之間的距離為r。，第"個鄰站的坐標為[Xn，K]，目標 與鄰站之間的距離為；，"=l,2,...,iV，確定的主站和W個鄰站的測距結(jié)果是4 ， "=0，l,2，...,iV;確定的角度搜索范圍是0°到360°之間。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的非直達波定位方法，其特征在于所述確定的主站 的測距結(jié)果是4， 4=^+^，其中，w。為主站測距系統(tǒng)引入的測距誤差，W個鄰 站的測距結(jié)果是4， & =^+W +V ，其中，、為鄰站測距系統(tǒng)引入的測距誤差，v" 為鄰站因為非直達波傳播效應(yīng)導致的測距誤差，"=l，2,...,iV;確定的每個搜索角度是<formula>see original document page 2</formula>
4、 如權(quán)利要求1或2所述的非直達波定位方法，其特征在于所述根據(jù)主站的測距結(jié)果和每個搜索角度，確定候選的目標位置是<formula>see original document page 3</formula>根據(jù)候選的目標位置確定候選的目標與W個鄰站之間的距離估計；<formula>see original document page 3</formula> 其中，n=l,2，..N， k = l,2，...K。
5、如權(quán)利要求1或2所述的非直達波定位方法，其特征在于所述確定N個鄰站的測距結(jié)果與距離估計之間的差值是<formula>see original document page 3</formula>其中，T是懲罰系數(shù)，n=l，2，...,N， k = l，2,...,K確定角度搜索范圍內(nèi)的每個角度的代價為J(k)=εnN-n其中,εn1k≤εn2k≤...≤εnNk[n1, n2…nM]是自然數(shù)[1 2,...,N]排列，對應(yīng)[ε1k,ε2k …εNk]從小到大的排列秩序，k = 1,2,...，K，n式一個可以調(diào)整的整數(shù)，當N等于2時選擇n=0，當N大于2時選擇1≤n;根據(jù)角度搜索范圍內(nèi)代價的最小值確定測角結(jié)果是θk，其中(k-<formula>see original document page 3</formula>
6、如權(quán)利要求1或2所述的非直達波定位方法，其特征在于所述根據(jù)主站的測距結(jié)果和鄰站測距輔助的測角結(jié)果確定目標的位置<formula>see original document page 3</formula>
全文摘要
利用鄰站測距輔助測角的非直達波定位方法屬無線通信基站網(wǎng)絡(luò)的目標信息定位范疇，涉及通過測量多站到目標之間的距離獲取目標位置信息的方法。利用主站的測距結(jié)果和角度搜索范圍確定目標位置的搜索范圍，在目標位置搜索范圍內(nèi)，計算每個候選目標與鄰站之間的距離估計，通過比較距離估計與鄰站的測距結(jié)果之間的差值，確定角度搜索范圍內(nèi)的每個角度的代價，根據(jù)最小代價對應(yīng)的角度確定目標相對于主站的測角結(jié)果，最后利用主站測距結(jié)果和利用鄰站測距結(jié)果得到的測角結(jié)果確定目標的位置。本方法有效的提高了多站測距定位的估計精度和定位的穩(wěn)健性。對于定位誤差小于100米的累積概率而言，本發(fā)明比相同的試驗條件下的Chan方法提高了約20％。
文檔編號H04Q7/38GK101201398SQ20071005070
公開日2008年6月18日 申請日期2007年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月5日
發(fā)明者群 萬, 瑛 張, 杜亞平, 郭賢生, 陳璋鑫, 黃際彥 申請人:電子科技大學