本發(fā)明涉及一種基于主成分分析原理的時(shí)間到達(dá)模式匹配定位方法。

背景技術(shù)：

手機(jī)終端設(shè)備如何基于基站的測(cè)量信息，計(jì)算或確定終端在三維空間中的位置坐標(biāo)，也就是三維定位問(wèn)題，被認(rèn)為是現(xiàn)代商用通信網(wǎng)絡(luò)中對(duì)于定位系統(tǒng)真正具有技術(shù)難度的挑戰(zhàn)。鑒于通信基站所處的電磁信號(hào)環(huán)境較為復(fù)雜。以室內(nèi)環(huán)境為例，無(wú)線電信號(hào)的傳播過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)墻面的多次反射、室內(nèi)物體的折射和吸收等。這些物理因素會(huì)導(dǎo)致通信基站測(cè)量得到的諸如距離、角度等信息存在噪聲。如何基于這些有噪聲的測(cè)量，得到對(duì)于位置信息的準(zhǔn)確估計(jì)，也是通信基站實(shí)現(xiàn)終端定位亟需解決的問(wèn)題?，F(xiàn)有的一般通用的算法大都是基于分析測(cè)量無(wú)線電信號(hào)的TOA數(shù)據(jù)中的噪聲干擾信號(hào)，或者建立相應(yīng)的求解方程組，很難在精度和效率上同時(shí)滿足通信基站實(shí)現(xiàn)終端定位的需求。

而主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)原理是一種常用的數(shù)據(jù)分析方法。PCA通過(guò)線性變換將原始數(shù)據(jù)變換為一組各維度線性無(wú)關(guān)的表示，可用于提取數(shù)據(jù)的主要特征分量，常用于數(shù)據(jù)壓縮編碼、模式識(shí)別、圖像處理等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供了一種基于主成分分析原理的時(shí)間到達(dá)模式匹配定位方法，跳出了分析TOA數(shù)據(jù)各種測(cè)量誤差的框架，提供了基于分析從終端用戶到達(dá)各個(gè)基站的TOA分布模式，定位終端用戶的一種基于PCA原理的模式識(shí)別新方法，克服現(xiàn)有基于無(wú)線通信基站定位終端用戶精度低，難以保障復(fù)雜電磁傳播環(huán)境下準(zhǔn)確高效定位的缺點(diǎn)，精度較高、具有較好實(shí)時(shí)處理能力、使用盡可能少的基站對(duì)終端用戶進(jìn)行定位的新方法，解決復(fù)雜電磁環(huán)境下終端用戶實(shí)時(shí)高精度定位問(wèn)題。

為達(dá)到本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用技術(shù)方案：一種基于主成分分析原理的時(shí)間到達(dá)模式匹配定位方法，其包括以下步驟：

S1)根據(jù)給定基站網(wǎng)的通信半徑確定定位區(qū)域，并在坐標(biāo)系中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，令xyz軸的劃分精度為△r＝(△x，△y，△z)；

S2)根據(jù)步驟S1確定的定位區(qū)域，建立該區(qū)域內(nèi)的所有空間點(diǎn)到達(dá)基站網(wǎng)的TOA數(shù)據(jù)庫(kù)，則任一空間點(diǎn)相對(duì)于基站網(wǎng)都存在唯一與之對(duì)應(yīng)的TOA分布，并將定位區(qū)域中的空間點(diǎn)稱為預(yù)判終端點(diǎn)，也稱TOA原子，同時(shí)稱所有預(yù)判終端點(diǎn)的TOA模式組成的數(shù)據(jù)庫(kù)為TOA原子庫(kù)，則每個(gè)原子對(duì)應(yīng)著唯一的TOA模式；用α_w(r_w)表示第w個(gè)原子的TOA模式，其中r_w表示第w個(gè)原子的空間坐標(biāo)，則α_w(r_w)＝(τ_w1,τ_w2,τ_wm,…,τ_wM)，令空間總點(diǎn)數(shù)為W，w＝1，2，3，…，W；m表示第m個(gè)基站，令基站數(shù)為M，m＝1，2，3，…，M；τ_wm表示第w個(gè)原子到達(dá)第m個(gè)基站的時(shí)間差；由此將每種TOA模式按列排列成一個(gè)TOA模式矩陣，用M表示，如式1；

M＝[α₁(r₁),α₂(r₂),α₃(r₃),…,α_W(r_W)]_M×W 式1

S3)對(duì)TOA模式矩陣進(jìn)行PCA分析，得出M的協(xié)方差矩陣用C表示，特征向量矩陣用V表示，V對(duì)應(yīng)的特征值用ξ_m表示，如式2；

式中：β_m表示協(xié)方差矩陣C的第m個(gè)特征向量；“T”符號(hào)表示矩陣轉(zhuǎn)置；

S4)對(duì)步驟S3中ξ_m的值進(jìn)行降序排列，選擇前n(n≤M)個(gè)ξ，及其對(duì)應(yīng)的特征向量，組成新的特征向量矩陣V_new，也稱其為特征模式空間；其中n的選取根據(jù)所需定位精度確定，同時(shí)n的值確定參與定位的基站數(shù)；

S5)將所用預(yù)判終端點(diǎn)的TOA模式投射到特征模式空間V_new，得到Ψ＝[ψ₁,ψ₂,ψ₃,…,ψ_W]，如式3：

S6)將被測(cè)的TOA數(shù)據(jù)設(shè)為一列向量x，投射到特征模式空間，得到Φ，如式4：

S7)遍歷TOA原子庫(kù)中的各個(gè)TOA原子，將遍歷到的第w個(gè)原子在Ψ中對(duì)應(yīng)的TOA模式與Φ進(jìn)行匹配，即求取兩種TOA模式的相關(guān)系數(shù)，其求解公式如5:

優(yōu)選地，將空間任一點(diǎn)與基站網(wǎng)的TOA看成一種模式，通過(guò)建立空間各點(diǎn)到達(dá)基站網(wǎng)的TOA匹配模板，并利用測(cè)量所得被點(diǎn)定位到達(dá)基站網(wǎng)的TOA模式，與在TOA匹配模板庫(kù)中檢索出的TOA模式進(jìn)行匹配，確定匹配模板中與被測(cè)TOA模式所對(duì)應(yīng)的空間點(diǎn)即為定位點(diǎn)。

優(yōu)選地，所述步驟S3到S6完成TOA特征模式空間的提取，并確定參與定位的基站數(shù)，完成對(duì)TOA模式矩陣的降維處理。

優(yōu)選地，所述步驟S7是通過(guò)求取兩組TOA模式的相關(guān)系數(shù)來(lái)確定其匹配度。

優(yōu)選地，所述步驟S7的遍歷算法包括如下步驟：首先設(shè)置第一遍歷步長(zhǎng)遍歷整個(gè)原子庫(kù)，令△r_step＝(k₁△x，k₂△y，k₃△z)，k₁，k₂，k₃的值根據(jù)所需的定位精度和效率而定，同時(shí)求取對(duì)應(yīng)的ρ_w，確定匹配度(ρ_w(r_w))最高的TOA原子對(duì)應(yīng)的空間區(qū)域，保留最大ρ_w值對(duì)應(yīng)的TOA原子，并以該原子為中心向外適當(dāng)擴(kuò)張，擴(kuò)張的步長(zhǎng)根據(jù)所需的定位精度和效率而定，一般擴(kuò)張1到2個(gè)△r_step即可，以確定下一步遍歷空間區(qū)域；其次設(shè)置第二遍歷步長(zhǎng)遍歷確定的空間區(qū)域，第二遍歷步長(zhǎng)設(shè)為△r，其中△r遠(yuǎn)小于△r_step，同時(shí)求取對(duì)應(yīng)的匹配度ρ_w(r_w)，并保留ρ_w(r_w)的峰值及其對(duì)應(yīng)TOA原子庫(kù)中的空間位置即為被定位點(diǎn)的位置，如式6：

r_us＝max{ρ_w(r_w)} 式6

式中：r_us表示被定位點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是：

本發(fā)明能夠?qū)崟r(shí)完成目標(biāo)區(qū)域內(nèi)終端用戶的定位，跳出了對(duì)TOA測(cè)量數(shù)據(jù)誤差分析的框架，定位精度較目前的無(wú)線通信基站定位算法有大幅提高，可用于無(wú)線電信號(hào)在視距或非視距傳播環(huán)境下對(duì)終端用戶的定位。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

圖1是本發(fā)明根據(jù)基站網(wǎng)的空間位置信息構(gòu)建的空間任一點(diǎn)到達(dá)基站網(wǎng)形成TOA模式的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中BS_m表示第m個(gè)基站，第d_m表示第m個(gè)基站到終端的距離，r_p表示空間任一點(diǎn)的空間坐標(biāo)，d_m＝‖r_m-r_p‖且d_m＝τ_pmc，c是光在真空中的傳播速度。

圖2是本發(fā)明構(gòu)建的定位區(qū)域內(nèi)TOA原子庫(kù)分布示意圖。

圖3是本發(fā)明根據(jù)圖1中基站坐標(biāo)信息構(gòu)建的空間各點(diǎn)到達(dá)基站網(wǎng)的TOA模式分布示意圖，圖中PUS表示任一預(yù)判終端點(diǎn)。

圖4是本發(fā)明利用基站網(wǎng)的空間位置信息及某終端到達(dá)該基站網(wǎng)的TOA測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行定位并在視距傳播環(huán)境下的匹配效果圖；

圖5與圖4相似，其是在非視距傳播環(huán)境下的匹配效果圖。

圖6是本發(fā)明的終端定位流程圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：如圖1-6所示，本發(fā)明提供一種基于主成分分析原理的時(shí)間到達(dá)模式匹配定位方法的具體實(shí)施例，其包括如下步驟：

S1)根據(jù)給定基站網(wǎng)的基站空間坐標(biāo)及其通信半徑確定定位區(qū)域，并在坐標(biāo)系中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，令xyz軸的劃分精度為△r＝(△x，△y，△z)，如圖1所示，本發(fā)明根據(jù)定位基站網(wǎng)的空間位置坐標(biāo)繪出的任一空間點(diǎn)到達(dá)基站網(wǎng)的TOA分布模式，如圖2為本發(fā)明針對(duì)該實(shí)施例繪出的定位區(qū)域內(nèi)TOA原子庫(kù)分布示意圖；

S2)根據(jù)步驟S1確定的定位區(qū)域，建立該區(qū)域內(nèi)的所有空間點(diǎn)到達(dá)基站網(wǎng)的TOA數(shù)據(jù)庫(kù)，則任一空間點(diǎn)相對(duì)于基站網(wǎng)都存在唯一與之對(duì)應(yīng)的TOA分布，并將定位區(qū)域中的空間點(diǎn)稱為預(yù)判終端點(diǎn)，也稱TOA原子，同時(shí)稱所有預(yù)判終端點(diǎn)的TOA模式組成的數(shù)據(jù)庫(kù)為TOA原子庫(kù)，則每個(gè)原子對(duì)應(yīng)著唯一的TOA模式；用α_w(r_w)表示第w個(gè)原子的TOA模式，其中r_w表示第w個(gè)原子的空間坐標(biāo)，則α_w(r_w)＝(τ_w1,τ_w2,τ_wm,…,τ_wM)，令空間總點(diǎn)數(shù)為W，w＝1，2，3，…，W；m表示第m個(gè)基站，令基站數(shù)為M，m＝1，2，3，…，M；τ_wm表示第w個(gè)原子到達(dá)第m個(gè)基站的時(shí)間差；由此將每種TOA模式按列排列成一個(gè)TOA模式矩陣，用M表示，如式1；

M＝[α₁(r₁),α₂(r₂),α₃(r₃),…,α_W(r_W)]_M×W 式1

如圖3為本發(fā)明針對(duì)該實(shí)施例繪出的TOA模式矩陣的時(shí)空分布。

S3)對(duì)TOA模式矩陣進(jìn)行PCA分析，得出M的協(xié)方差矩陣用C表示，特征向量矩陣用V表示，V對(duì)應(yīng)的特征值用ξ_m表示，如式2；

式中：β_m表示協(xié)方差矩陣C的第m個(gè)特征向量；“T”符號(hào)表示矩陣轉(zhuǎn)置；

S4)對(duì)步驟S3中ξ_m的值進(jìn)行降序排列，選擇前n(n≤M)個(gè)ξ，及其對(duì)應(yīng)的特征向量，組成新的特征向量矩陣V_new，也稱其為特征模式空間；其中n的選取根據(jù)所需定位精度確定，同時(shí)n的值確定參與定位的基站數(shù)；

S5)將所用預(yù)判終端點(diǎn)的TOA模式投射到特征模式空間V_new，得到Ψ＝[ψ₁,ψ₂,ψ₃,…,ψ_W]，如式3：

S6)將被測(cè)的TOA數(shù)據(jù)設(shè)為一列向量x，投射到特征模式空間，得到Φ，如式4：

S7)遍歷TOA原子庫(kù)中的各個(gè)TOA原子，將遍歷到的第w個(gè)原子在Ψ中對(duì)應(yīng)的TOA模式與Φ進(jìn)行匹配，即求取兩種TOA模式的相關(guān)系數(shù)，其求解公式如5:

為提高遍歷效率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位，設(shè)計(jì)了高效遍歷算法，具體步驟如下：首先設(shè)置第一遍歷步長(zhǎng)遍歷整個(gè)原子庫(kù)，令△r_step＝(k₁△x，k₂△y，k₃△z)，k₁，k₂，k₃的值根據(jù)所需的定位精度和效率而定，同時(shí)求取對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)ρ_w，保留最大ρ_w值對(duì)應(yīng)的TOA原子，并以該原子為中心向外適當(dāng)擴(kuò)張，擴(kuò)張的步長(zhǎng)根據(jù)所需的定位精度和效率而定，一般擴(kuò)張1到2個(gè)△r_step即可，以確定下一步遍歷空間區(qū)域；其次設(shè)置第二遍歷步長(zhǎng)遍歷確定的空間區(qū)域，該過(guò)程的空間遍歷步長(zhǎng)可設(shè)為△r，同時(shí)求取對(duì)應(yīng)的匹配度ρ_w(r_w)，并保留ρ_w(r_w)的峰值及其對(duì)應(yīng)TOA原子庫(kù)中的空間位置即為被定位點(diǎn)的位置，如式6：

r_us＝max{ρ_w(r_w)} 式6

式中：r_us表示被定位點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

圖4-5給出了遍歷TOA原子庫(kù)時(shí)，不同場(chǎng)景中的TOA模式匹配效果，被匹配到的TOA模式與被測(cè)TOA模式基本一致。

本發(fā)明是基于PCA原理的TOA模式匹配定位無(wú)線通信終端的方法，能夠根據(jù)終端返回的TOA測(cè)量數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)獲取定位區(qū)域內(nèi)終端的位置，其定位精度較目前常規(guī)基于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)基站定位終端的方法有大幅提高，因其跳出了常規(guī)的噪聲分析和求解方程組的框架，也是定位方法的一種創(chuàng)新。本發(fā)明可用于視距誤差或非視距誤差傳播環(huán)境下測(cè)量得到的被定位點(diǎn)與基站網(wǎng)的TOA數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信基站對(duì)終端用戶或者對(duì)終端用戶的運(yùn)動(dòng)軌跡的定位，比如高樓林立的城區(qū)、建筑物內(nèi)部、地下停車場(chǎng)等。

當(dāng)然上述實(shí)施例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明主要技術(shù)方案的精神實(shí)質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。