專(zhuān)利名稱(chēng)：直接估計(jì)和消除非視距誤差的無(wú)線定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在非視距環(huán)境或視距/非視距混合環(huán)境條件下，利用無(wú)線通信網(wǎng) 絡(luò)進(jìn)行無(wú)線定位的方法，屬于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無(wú)線定位技術(shù)在搜索救援、智能交通、物流管理、地質(zhì)勘探和國(guó)土開(kāi)發(fā)、航海/航 空導(dǎo)航等諸多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。如今在社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，具有空間 位置特性的地理信息發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，高精度的無(wú)線定位技術(shù)也越來(lái)越受到廣泛關(guān)注。在眾多無(wú)線定位系統(tǒng)中最著名的是把無(wú)線電發(fā)射源設(shè)置在各種軌道衛(wèi)星上的定 位系統(tǒng)，例如美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(GPS)、歐洲的伽利略((ialileo)系統(tǒng)、俄羅斯的GL0NASS 系統(tǒng)以及我國(guó)的“北斗”定位系統(tǒng)等，憑借著廣域覆蓋的巨大優(yōu)勢(shì)，將無(wú)線電定位技術(shù)發(fā)展 到一個(gè)新的高度。盡管衛(wèi)星定位技術(shù)已經(jīng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)方面得到廣泛應(yīng)用，但是在應(yīng)用 領(lǐng)域由于受到各種接收誤差的影響，需要通過(guò)其它輔助手段(例如建立差分基準(zhǔn)站)才能 達(dá)到所需的定位精度要求；同時(shí)在接收信號(hào)受到物理遮擋的情況下無(wú)法完成導(dǎo)航任務(wù)。因 此，利用現(xiàn)有和即將建設(shè)的龐大的民用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)施進(jìn)行無(wú)線定位，不僅可以彌補(bǔ)衛(wèi)星定 位系統(tǒng)的不足，而且可以作為無(wú)線通信高附加值的服務(wù)。尤其是在美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)頒 布了 E911 (Emergency call 911)定位要求后，加上巨大市場(chǎng)利潤(rùn)的驅(qū)動(dòng)，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了研 究無(wú)線通信系統(tǒng)終端定位技術(shù)的熱潮。典型的無(wú)線定位信號(hào)測(cè)量方法有基于信號(hào)強(qiáng)度(RSS)、基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間(TOA)、 基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(TDOA)、基于信號(hào)達(dá)到角度(AOA)的方法以及它們的混合方法。然而， 無(wú)論采用上述哪種測(cè)量方法進(jìn)行定位，非視距(NL0Q誤差都直接影響了最終的定位精度。 在NLOS環(huán)境中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的直線路徑被障礙物阻擋，發(fā)射信號(hào)要經(jīng)過(guò)反射、折 射、散射等才能達(dá)到接收機(jī)。如果按照傳統(tǒng)的定位方法，直接根據(jù)接收到的帶NLOS誤差的 信號(hào)對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行定位，會(huì)產(chǎn)生很大的定位誤差。Nokia公司的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明，在GSM 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中平均NLOS誤差達(dá)到500-700米，Korea Telecom公司在IS-95網(wǎng)絡(luò)中的測(cè)量結(jié) 果表明平均NLOS誤差達(dá)到589米，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測(cè)量誤差。為提高定位精度，已提出不少方法來(lái)減輕或消除NLOS誤差影響。其中最簡(jiǎn)單的方 法是識(shí)別并丟棄NLOS測(cè)量結(jié)果，僅用挑選出的LOS測(cè)量值進(jìn)行定位。但這種方法僅僅適用 于有大量LOS路徑的情形，當(dāng)LOS測(cè)量值不足或根本沒(méi)有LOS路徑時(shí)這種方法就不再適用。 因此，許多用來(lái)抑制NLOS誤差影響的方法被提出，主要可以分為以下幾類(lèi)第一類(lèi)是LOS重構(gòu)法。Wylie等人提出了一種根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)的距離測(cè)量值， 采用N階多項(xiàng)式平滑，計(jì)算出距離的標(biāo)準(zhǔn)差，與已知測(cè)量噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差比較，識(shí)別LOS/ NLOS情形，并進(jìn)一步根據(jù)距離測(cè)量值的殘差進(jìn)行LOS重構(gòu)(InProceedings of the IEEE International Conference on Universal PersonalCommunications,vol. 2,pp. 827-831, 1996年)。另有根據(jù)各時(shí)間段內(nèi)的測(cè)量值，用卡爾曼濾波方法平滑距離值，通過(guò)分析噪聲方差判斷L0S/NL0S情形，并重構(gòu)LOS距離值，從而得到位置的估計(jì)值。這類(lèi)方法均基于NLOS 環(huán)境下的距離標(biāo)準(zhǔn)差大于LOS環(huán)境下的距離標(biāo)準(zhǔn)差的事實(shí)，但標(biāo)準(zhǔn)差的閾值設(shè)定靠主觀經(jīng) 驗(yàn)值或通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)得到，設(shè)定不當(dāng)容易造成錯(cuò)誤識(shí)別。第二類(lèi)是模型誤差法。Al-Jazzar利用不同的散射模型(圓環(huán)模型、圓盤(pán)模型、截 斷高斯分布模型等)獲得基于TOA信號(hào)在某一模型下的概率密度函數(shù)(IEEETransactions on Veh. Technol.，vol. 56，no. 2，pp. 583-593，2007 年)。利用概率密度函數(shù)得到 NLOS 誤 差的統(tǒng)計(jì)特性，進(jìn)而估計(jì)移動(dòng)臺(tái)的位置。由于實(shí)際信道要遠(yuǎn)復(fù)雜于上述模型，因此該方法僅 在與模型近似的環(huán)境中才能獲得較好的結(jié)果。第三類(lèi)是殘差加權(quán)算法。Pi-Chim Chen等人提出了一種利用定位殘差對(duì)定位結(jié)果 進(jìn)行加權(quán)，以降低NLOS誤差的不利影響，提高定位精度的殘差加權(quán)算法arfroceedings of the IEEE Wireless Communications and Networking Conference， vol.1， pp.316—320， 1999年)。但該算法要求有多個(gè)基站參與測(cè)量，提供多個(gè)TOA測(cè)量值。然而在實(shí)際中由于 基站密度低(如郊區(qū))或采取功率控制等，移動(dòng)臺(tái)能夠接收到的基站信號(hào)是有限的。第四類(lèi)是混合定位算法。在不同的信道和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，T0A、TD0A、A0A和RSS測(cè)量 值具有不同的誤差統(tǒng)計(jì)特性，檢測(cè)精度也各不相同，因此綜合各種定位方法的優(yōu)點(diǎn)，有望提 高對(duì)移動(dòng)臺(tái)的定位精度。Li Cong等人把泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)法推廣應(yīng)用于TD0A/A0A混合定位問(wèn) 題，與單純采用TDOA方法相比，在一定條件下取得了定位性能的改進(jìn)(IEEE Transactions on Wireless Communications，vol. 1，no. 3，pp. 439-447，2002 年)。然而 AOA 測(cè)量的加入， 需要天線陣列，增加了硬件負(fù)擔(dān)，并且在NLOS嚴(yán)重的環(huán)境中，AOA估計(jì)誤差較大，此時(shí)對(duì)定 位性能改善有限。第五類(lèi)是指紋(Fingerpring)定位法。該方法預(yù)先測(cè)量定位區(qū)域內(nèi)某些已知位置 節(jié)點(diǎn)的RSS值，并保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)有移動(dòng)臺(tái)進(jìn)入時(shí)，測(cè)量得到的RSS值與數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄 值比較，得出相應(yīng)位置坐標(biāo)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)建立完善時(shí)，定位精度較高。其缺點(diǎn) 在于建設(shè)成本較高，并且要經(jīng)常維護(hù)更新，尤其是當(dāng)環(huán)境發(fā)生較大改變時(shí)，幾乎要重建數(shù)據(jù) 庫(kù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提出一種基于非視距誤差直接估計(jì) 和消除的無(wú)線定位方法。該方法能在NLOS環(huán)境和L0S/NL0S混合環(huán)境中估計(jì)移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)，有效提高定位精度，抑制NLOS誤差的不利影響，并且滿(mǎn)足實(shí)時(shí)應(yīng)用要求。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為直接估計(jì)和消除非視距誤差的無(wú)線定位方法，包括如下步驟步驟1 建立移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方程，并建立含有目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和非視距誤差的測(cè)量 方程；步驟2 將當(dāng)前測(cè)量的新息平方和與利用擴(kuò)展卡爾曼濾波在LOS情形下新息平方 和的理論值比較，從而在線實(shí)時(shí)識(shí)別當(dāng)前測(cè)量是視距情形還是非視距情形；步驟3 若識(shí)別結(jié)果為非視距情形，則直接以NLOS誤差為目標(biāo)函數(shù)，利用帶幾何約 束關(guān)系的最小二乘方法，直接估計(jì)出每一個(gè)測(cè)量值中包含的NLOS誤差大小，并根據(jù)得到的 每一個(gè)測(cè)量值中包含的NLOS誤差大小，應(yīng)用修正的擴(kuò)展卡爾曼濾波直接將NLOS誤差消除，得到當(dāng)前時(shí)刻目標(biāo)的狀態(tài)估計(jì)；若識(shí)別結(jié)果為視距情形，則直接利用擴(kuò)展卡爾曼濾波得到 當(dāng)前時(shí)刻目標(biāo)的狀態(tài)估計(jì)；步驟4 重復(fù)上述步驟2和3，得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)狀態(tài)的序貫估計(jì)結(jié)果。本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面(1)本發(fā)明將NLOS誤差作為估計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，直接估計(jì)出NLOS誤差值，并在迭代 過(guò)程中直接消除NLOS誤差，和其他不將NLOS誤差作為目標(biāo)函數(shù)而作為限制條件的定位算 法相比，本方法在抑制NLOS誤差影響方面更直接、更徹底，定位精度更高。(2) L0S/NL0S情形識(shí)別過(guò)程僅用到當(dāng)前測(cè)量值和擴(kuò)展卡爾曼濾波的測(cè)量系數(shù)矩陣 F(k)、一步預(yù)測(cè)均方誤差陣P(k|k-1)和R(k)，而這些矩陣在擴(kuò)展卡爾曼濾波的每次迭代 中，自動(dòng)更新，無(wú)需增加額外計(jì)算量，因此相對(duì)于采用統(tǒng)計(jì)特性的識(shí)別方法，大大減少了運(yùn)算量。(3)本方法無(wú)需NLOS誤差的先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)知識(shí)和L0S/NL0S轉(zhuǎn)移概率，也不依賴(lài)于某種 特定模型，具有廣泛的適用性。(4)不同于目前絕大數(shù)研究將L0S/NL0S識(shí)別和NLOS消除作為兩個(gè)不同的問(wèn)題，采 用不同的方法解決，本發(fā)明將NLOS誤差識(shí)別和消除均在擴(kuò)展卡爾曼濾波框架內(nèi)完成，減輕 了算法復(fù)雜度。


圖1是本發(fā)明方法的流程圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的方法流程圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例中采用3個(gè)基站定位時(shí)移動(dòng)臺(tái)初始位置確定方法示意圖。
具體實(shí)施例方式
為了更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案，結(jié)合附圖，作進(jìn)-
-步的詳細(xì)描述如下本實(shí)施例僅考慮利用信號(hào)到達(dá)時(shí)間(TOA)方法進(jìn)行定位，需要3個(gè)或3個(gè)以上基 站參與，所述方法包括以下幾個(gè)步驟1)建立移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程假設(shè)移動(dòng)臺(tái)在二維平面上移動(dòng)，k時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用矢量
權(quán)利要求
1.直接估計(jì)和消除非視距誤差的無(wú)線定位方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟1 建立移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方程，并建立含有目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和非視距誤差的測(cè)量方程； 步驟2 將當(dāng)前測(cè)量的新息平方和與利用擴(kuò)展卡爾曼濾波在LOS情形下新息平方和的 理論值比較，從而在線實(shí)時(shí)識(shí)別當(dāng)前測(cè)量是視距情形還是非視距情形；步驟3 若識(shí)別結(jié)果為非視距情形，則直接以NLOS誤差為目標(biāo)函數(shù)，利用帶幾何約束關(guān) 系的最小二乘方法，直接估計(jì)出每一個(gè)測(cè)量值中包含的NLOS誤差大小，并根據(jù)得到的每一 個(gè)測(cè)量值中包含的NLOS誤差大小，應(yīng)用修正的擴(kuò)展卡爾曼濾波直接將NLOS誤差消除，得到 當(dāng)前時(shí)刻目標(biāo)的狀態(tài)估計(jì)；若識(shí)別結(jié)果為視距情形，則直接利用擴(kuò)展卡爾曼濾波得到當(dāng)前 時(shí)刻目標(biāo)的狀態(tài)估計(jì)；步驟4 重復(fù)上述步驟2和3，得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)狀態(tài)的序貫估計(jì)結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種直接估計(jì)并消除非視距(NLOS)誤差影響的無(wú)線定位方法。該方法首先建立無(wú)線定位的運(yùn)動(dòng)方程和觀測(cè)方程，然后利用擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)的新息平方和去識(shí)別當(dāng)前測(cè)量值是視距(LOS)情形還是非視距情形下的結(jié)果，對(duì)于視距情形則直接利用EKF進(jìn)行位置解算和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)，對(duì)于非視距情形則先使用基于幾何關(guān)系限制條件的非線性?xún)?yōu)化方法去直接估計(jì)NLOS誤差，然后應(yīng)用修正的EKF濾波消除NLOS誤差，并進(jìn)行高精度的定位，通過(guò)循環(huán)迭代實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)臺(tái)的在線跟蹤。本發(fā)明的方法能夠有效消除無(wú)線定位中非視距誤差的影響，明顯提高定位精度，同時(shí)本方法無(wú)需已知NLOS誤差的先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)知識(shí)和LOS/NLOS轉(zhuǎn)移概率，并且其運(yùn)算量滿(mǎn)足實(shí)時(shí)應(yīng)用要求。
文檔編號(hào)H04W64/00GK102088769SQ201010601738
公開(kāi)日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者周延懷, 柯煒, 王婷婷, 王帆, 黃曉琴 申請(qǐng)人:南京師范大學(xué)