本發(fā)明屬于無線數(shù)字傳輸領(lǐng)域，尤其涉及一種在NLOS環(huán)境下的基于TOA的無線網(wǎng)絡(luò)定位方法。

背景技術(shù)：

無線定位技術(shù)在軍事及民用上帶來了巨大的便利，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的定位，但像森林、樓區(qū)、地下停車場等衛(wèi)星信號難以到達的地方，衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位精度不高，甚至難以定位；此外，衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收設(shè)備的高昂價格也是大多普通民用用戶難以接受的。

近幾年，地面的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，比較典型的有基于TOA(time of arrival，信號到達時間)地面無線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，基于TOA的無線定位技術(shù)中，基站測量移動設(shè)備從發(fā)射信號到接收信號的時間差，基站與移動設(shè)備之間的距離可以直接的用該時間差乘以電磁波速度得到，移動設(shè)備即在以基站為球心/圓心，基站與移動設(shè)備之間的距離為半徑的球面/圓周上，如果有多個這樣的定位球/定位圓，則移動設(shè)備即在多個定位球/定位圓交點處。但是，在地面無線網(wǎng)絡(luò)中，由于存在電磁波的NLOS(non-line-of-sight，非視距)傳播，測量時間差的時鐘偏移等誤差，導(dǎo)致定位不精準(zhǔn)，而NLOS是基于TOA定位的主要誤差來源。所以，學(xué)者們提出了很多關(guān)于消除NLOS誤差的方法。比如最大似然法，最小二乘法，以及約束定位法等。但是，這些方法都需要下面的至少一個參數(shù)：

1)已知NLOS的統(tǒng)計概率分布；

2)已知NLOS的可能路徑。

而在實際應(yīng)用中，上述方法的計算量都很大，因而限制了其定位速度，此外，上述兩個參數(shù)在復(fù)雜的環(huán)境中都很難獲取，可能出現(xiàn)無法定位的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例提供一種在NLOS環(huán)境下的基于TOA的無線網(wǎng)絡(luò)定位方法，旨在解決現(xiàn)有在NLOS環(huán)境下的基于TOA的無線網(wǎng)絡(luò)定位方法都需要考慮NLOS的統(tǒng)計概率分布和/或NLOS的可能路徑，這些定位方法計算量大，導(dǎo)致定位速度慢，此外，兩個參數(shù)在復(fù)雜的環(huán)境中都很難獲取，出現(xiàn)無法定位的問題。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種在NLOS環(huán)境下的基于TOA的三維無線網(wǎng)絡(luò)定位方法，所述方法包括如下步驟：

S1.獲取半徑最小的定位球；

S2.判斷其他定位球中是否存在與所述最小半徑定位球相離的定位球，當(dāng)判斷結(jié)果為否時，則執(zhí)行步驟S3；

S3.計算最小半徑定位球與剩余定位球交集區(qū)域內(nèi)位置點的平均誤差；

S4.獲取最小平均誤差最對應(yīng)的位置點，即為移動終端所在位置點。

本發(fā)明還提供了另一種實施例，一種在NLOS環(huán)境下的基于TOA的二維無線網(wǎng)絡(luò)定位方法，所述方法包括如下步驟：

S110.獲取半徑最小的定位圓；

S120.判斷其他定位圓中是否存在與所述最小半徑定位圓相離的定位圓，當(dāng)判斷結(jié)果為否時，則執(zhí)行步驟S130；

S130.計算最小半徑定位圓與剩余定位圓交集區(qū)域內(nèi)位置點的平均誤差；

S140.獲取最小平均誤差最對應(yīng)的位置點，即為移動終端所在位置點。

本發(fā)明實施例中，移動終端位于最小半徑定位球與其他定位球的交集區(qū)域內(nèi)，獲取交集區(qū)域內(nèi)位置點的平均誤差，平均誤差最小的位置點確定為移動終端所在點，通過這種定位方法無需獲取任何先驗信息，且定位計算過程相對簡單，因而定位速度快，此外，此定位方法環(huán)境適應(yīng)性好，可以在各種復(fù)雜環(huán)境中準(zhǔn)確定位。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的在NLOS環(huán)境下的基于TOA的三維無線網(wǎng)絡(luò)定位方法流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的在NLOS環(huán)境下的基于TOA的二維無線網(wǎng)絡(luò)定位方法流程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明實施例中，移動終端位于最小半徑定位球與其他定位球的交集區(qū)域內(nèi)，獲取交集區(qū)域內(nèi)位置點的平均誤差，平均誤差最小的位置點確定為移動終端所在點，通過這種定位方法無需獲取任何先驗信息，且定位計算過程相對簡單，因而定位速度快，此外，此定位方法環(huán)境適應(yīng)性好，可以在各種復(fù)雜環(huán)境中準(zhǔn)確定位。

圖1為本發(fā)明適合實施例提供的在NLOS環(huán)境下的基于TOA的三維無線網(wǎng)絡(luò)定位方法的流程圖，該方法包括如下步驟：

步驟S1，獲取半徑最小的定位球；

在本發(fā)明實施例中，定位球是指以基站為球心，以移動設(shè)備到基站的偽距離為半徑形成的球，偽距離是指移動設(shè)備從發(fā)射信號到接收信號的時間差(TOA)與電磁波速度的乘積。

由于移動設(shè)備終端所在地的周邊可能存在多個基站，所以可以建立多個定位球，從該多個定位球中獲取半徑最小的定位球。

步驟S2，判斷其他定位球中是否存與所述半徑最小的定位球相離的定位球，若判斷結(jié)果否，則執(zhí)行步驟S3；

在本發(fā)明實施例中，兩定位球之間的位置關(guān)系位為內(nèi)含、相切(內(nèi)切及外切)、相交或相離，在實際環(huán)境中，由于信號在傳播過程中可能被遮擋物反射，存在接收信號遲延的現(xiàn)象，因此，定位球的偽距(即半徑)大于移動終端到基站的實際距離，移動終端通常位于定位球內(nèi)，而兩定位球的位置關(guān)系一般為相交、包含、或相切。

步驟S3，計算最小半徑定位球與其他定位球交集區(qū)域內(nèi)位置點的平均誤差；

在本發(fā)明實施例中，位置點是指在三維空間即x、y、z軸方向每隔一段距離s設(shè)置一個點，移動終端的位置就在其中設(shè)置的某個位置點或者是靠近某個位置點；因此，距離s的越小，空間內(nèi)的位置點越多，移動終端的位置在其中某個位置點的可能性越大，或者無限靠近某個位置點，但是，在獲取移動終端位置點過程中的計算量也會增大，距離s的大小要綜合兩個因素來確定。

步驟S4，獲取最小平均誤差最對應(yīng)的位置點，即為移動終端所在位置點。

在本發(fā)明實施例中，對最小半徑定位球與其他定位球交集區(qū)域內(nèi)位置點計算平均誤差，最小平均誤差對應(yīng)的位置點即為移動終端所在位置點，平均誤差可以是平均相對誤差、平均絕對誤差、平均均方誤差等，本發(fā)明可以采用而不限于所列舉的誤差方法。

本發(fā)明實施例中，移動終端位于最小半徑定位球與其他定位球的交集區(qū)域內(nèi)，獲取交集區(qū)域內(nèi)位置點的平均誤差，平均誤差最小的位置點確定為移動終端所在點，通過這種定位方法無需獲取任何先驗信息，且定位計算過程相對簡單，因而定位速度快，此外，此定位方法環(huán)境適應(yīng)性好，可以在各種復(fù)雜環(huán)境中準(zhǔn)確定位。

作為本發(fā)明的其他實施例，當(dāng)其他定位球中存在與該最小半徑定位球相離的定位球時，執(zhí)行如下步驟：

S5.檢測最小半徑定位球是否與其他定位球相離；

在本發(fā)明實施例中，在實際環(huán)境中，幾乎不會出現(xiàn)兩定位球相離的情況，只有當(dāng)基站的時鐘出現(xiàn)偏差時，可能導(dǎo)致定位球的半徑小于移動終端到基站的距離，因而與其他定位球出現(xiàn)相離的情況。

S6.若檢測結(jié)果為是，則丟棄半徑最小的定位球，執(zhí)行步驟S1，檢測結(jié)果為否，則丟棄與所述最小半徑定位球相離的定位球，執(zhí)行步驟S3；

當(dāng)其他定位球中存在與最小半徑定位球相離的定位球，需要判斷是哪個定位球的半徑小于移動終端到基站的距離，若最小半徑定位球與其他定位球都不相離，則說明是與最小半徑定位球相離的定位球的半徑小于移動終端到基站的距離，若最小半徑定位球與其他定位球都相離時，則說明最小半徑定位球的定位球的半徑小于移動終端到基站的距離，由于移動終端的位置不在定位球半徑小于移動終端到基站的距離的定位球內(nèi)，因而這樣的定位球是需要丟棄的。

在本發(fā)明實施例中，判斷其他定位球中是否存與所述半徑最小的定位球相離的定位球具體包括如下步驟：

S21.計算所述最小半徑的定位球球心到其他定位球球心的距離；

在本發(fā)明實施例中，設(shè)定半徑最小的定位球B_min的球心為(x_min、y_min、z_min)，半徑最小的定位球B_min的半徑為R_min，半徑最小的定位球B_min的球心到其他定位球B_i球心的距離其中i＝1、2、3…t，t為參與定位的定位球總數(shù)目。

S22.判斷是否存在所述最小半徑的定位球球心到其他定位球球心的距離大于兩者的半徑之和。

在本發(fā)明實施例中，即比較R_i+R_min與d_R的大小，當(dāng)d_R＞R_i+R_min時，定位球B_i與定位球B_min相離，反之，定位球B_i與定位球B_min不相離。

在本發(fā)明實施例中，步驟S3包括如下步驟：

步驟S31，對最小半徑定位球劃分位置點；

在本發(fā)明實施例中，對最小半徑定位球的空間進行分割，每個分割點都有可能是移動終端所在位置點，設(shè)定位置點的坐標(biāo)集合為P＝{(x_k、y_k、z_k)}，其中，

x_k＝x_min-R_min,x_min-R_min+s,x_min-R_min+2·s,…,x_min+R_min

y_k＝y(tǒng)_min-R_min,y_min-R_min+s,y_min-R_min+2·s,…,y_min+R_min

z_k＝z_min-R_min,z_min-R_min+s,z_min-R_min+2·s,…,z_min+R_min；

其中，s為空間分辨率。

步驟S32，保留最小半徑定位球與其他定位球的交集區(qū)域內(nèi)的位置點；

在本發(fā)明實施例中，步驟S32具體包括如下步驟：

步驟S321，計算最小半徑定位球內(nèi)位置點到其他定位球球心的距離；

在本發(fā)明實施例中，P中各個位置點到各個剩余定位球的距離為而

步驟S322，判斷位置點到其他定位球球心的距離是否都小于等于對應(yīng)定位球的半徑，若判斷結(jié)果為是，則保留該位置點，若判斷結(jié)果為否，則丟棄該位置點。

在本發(fā)明實施例中，若則將該位置點放入集合M，否則，則丟棄該位置點。

步驟S33，計算該交集區(qū)域內(nèi)位置點的平均誤差。

在本發(fā)明實施例中，以平均相對誤差為例進行說明，平均相對誤差E的計算公式為：

其中，(x_i,y_i,z_i)∈M，m是集合M中位置點的總數(shù)目，(x_α,y_α,z_α)是集合M中的某個位置點，即(x_α,y_α,z_α)∈M，而α＝1、2、3...m。

在本發(fā)明實施例中，對最小半徑定位球的空間進行分割，有最小半徑定位球的空間最小，因而能容納的位置點也是最少，從最小半徑定位球空間容納的定位點來篩選出交集區(qū)域內(nèi)的位置點，相對于從其他定位球空間容納的定位點來篩選出交集區(qū)域內(nèi)的位置點而言，計算量相對減少，可以提高定位速度。

作為本發(fā)明的另一實施例，在步驟S1之前還包括：

步驟S7，將定位球按半徑從小到大依次排列。

作為本發(fā)明的其他實施例，在步驟S7之前還包括：

步驟S8，獲取基站的位置；

在本發(fā)明實施例中，獲取基站的位置坐標(biāo)，設(shè)假設(shè)第i個基站的坐標(biāo)為(x_i、y_i、z_i)。

步驟S9，計算所述基站到移動終端的偽距；

在本發(fā)明實施例中，第i個基站測得的移動設(shè)備從發(fā)出信號到接收信號的時間差(TOA值)為Toa_i，則基站到移動終端的偽距偽s＝Toa_i×c，其中是電磁波速度c＝3×10⁸m/s。

步驟S10，以基站位置為球心，基站到移動終端的偽距為半徑，建立定位球；

在本發(fā)明實施例中，以基站的坐標(biāo)為(x_i、y_i、z_i)球心，以R_i＝Toa_i×c為半徑，建立定位球。

圖2為本發(fā)明適合實施例提供的在NLOS環(huán)境下的基于TOA的二維無線網(wǎng)絡(luò)定位方法的流程圖，該方法包括如下步驟：

步驟S110，獲取半徑最小的定位圓；

在本發(fā)明實施例中，定位圓是指以基站為圓心，以移動設(shè)備到基站的偽距離為半徑形成的圓，偽距離是指移動設(shè)備從發(fā)射信號到接收信號的時間差(TOA)與電磁波速度的乘積。

由于移動設(shè)備終端所在地的周邊可能存在多個基站，所以可以建立多個定位圓，從該多個定位圓中獲取半徑最小的定位圓。

步驟S120，判斷其他定位圓中是否存與所述半徑最小的定位圓相離的定位圓，若判斷結(jié)果否，則執(zhí)行步驟S130；

在本發(fā)明實施例中，兩定位圓之間的位置關(guān)系位為內(nèi)含、相切(內(nèi)切及外切)、相交或相離，在實際環(huán)境中，由于信號在傳播過程中可能被遮擋物反射，存在接收信號遲延的現(xiàn)象，因此，定位圓的偽距(即半徑)大于移動終端到基站的實際距離，移動終端通常位于定位圓內(nèi)，而兩定位圓的位置關(guān)系一般為相交、包含、或相切。

步驟S130，計算最小半徑定位圓與其他定位圓交集區(qū)域內(nèi)位置點的平均誤差；

在本發(fā)明實施例中，位置點是指在二維空間即x、y軸方向每隔一段距離s設(shè)置一個點，移動終端的位置就在其中設(shè)置的某個位置點或者是靠近某個位置點；因此，距離s的越小，圓內(nèi)的位置點越多，移動終端的位置在其中某個位置點的可能性越大，或者無限靠近某個位置點，但是，在獲取移動終端位置點過程中的計算量也會增大，距離s的大小要綜合兩個因素來確定。

步驟S140，獲取最小平均誤差最對應(yīng)的位置點，即為移動終端所在位置點。

在本發(fā)明實施例中，對最小半徑定位圓與其他定位圓交集區(qū)域內(nèi)位置點計算平均誤差，最小平均誤差對應(yīng)的位置點即為移動終端所在位置點，平均誤差可以是平均相對誤差、平均絕對誤差、平均均方誤差等，本發(fā)明可以采用而不限于所列舉的誤差方法。

本發(fā)明實施例中，移動終端位于最小半徑定位圓與其他定位圓的交集區(qū)域內(nèi)，獲取交集區(qū)域內(nèi)位置點的平均誤差，平均誤差最小的位置點確定為移動終端所在點，通過這種定位方法無需獲取任何先驗信息，且定位計算過程相對簡單，因而定位速度快，此外，此定位方法環(huán)境適應(yīng)性好，可以在各種復(fù)雜環(huán)境中準(zhǔn)確定位。

作為本發(fā)明的其他實施例，當(dāng)其他定位圓中存在與該最小半徑定位圓相離的定位圓時，執(zhí)行如下步驟：

S150.檢測最小半徑定位圓是否與其他定位圓相離；

在本發(fā)明實施例中，在實際環(huán)境中，幾乎不會出現(xiàn)兩定位圓相離的情況，只有當(dāng)基站的時鐘出現(xiàn)偏差時，可能導(dǎo)致定位圓的半徑小于移動終端到基站的距離，因而與其他定位圓出現(xiàn)相離的情況。

S160.若檢測結(jié)果為是，則丟棄半徑最小的定位圓，執(zhí)行步驟S110，檢測結(jié)果為否，則丟棄與所述最小半徑定位圓相離的定位圓，執(zhí)行步驟S130；

當(dāng)其他定位圓中存在與最小半徑定位圓相離的定位圓時，需要判斷是哪個定位圓的半徑小于移動終端到基站的距離，若最小半徑定位圓與其他定位圓都不相離，則說明是與最小半徑定位圓相離的定位圓的半徑小于移動終端到基站的距離，若最小半徑定位圓與其他定位圓都相離時，則說明最小半徑定位圓的定位圓的半徑小于移動終端到基站的距離，由于移動終端的位置不在定位圓半徑小于移動終端到基站的距離的定位圓內(nèi)，因而這樣的定位圓是需要丟棄的。

在本發(fā)明實施例中，判斷其他定位圓中是否存與所述半徑最小的定位圓相離的定位圓具體包括如下步驟：

S121.計算所述最小半徑的定位圓圓心到其他定位圓圓心的距離；

在本發(fā)明實施例中，設(shè)定半徑最小的定位圓A_min的圓心為(x_min、y_min)，半徑最小的定位圓A_min的半徑為r_min，半徑最小的定位圓A_min的圓心到其他定位圓A_i圓心的距離其中i＝1、2、3…t，t為參與定位的定位圓總數(shù)目。

S122.判斷是否存在所述最小半徑的定位圓圓心到其他定位圓圓心的距離大于兩者的半徑之和。

在本發(fā)明實施例中，即比較r_i+r_min與d_r的大小，當(dāng)d_r＞r_i+r_min時，定位圓A_i與定位圓A_min相離，反之，定位圓A_i與定位圓A_min不相離。

在本發(fā)明實施例中，步驟S130包括如下步驟：

步驟S131，對最小半徑定位圓劃分位置點；

在本發(fā)明實施例中，對最小半徑定位圓的空間進行分割，每個分割點都有可能是移動終端所在位置點，設(shè)定位置點的坐標(biāo)集合為P＝{(x_k、y_k)}，其中，

x_k＝x_min-r_min,x_min-r_min+s,x_min-r_min+2s,…,x_min+r_min，

y_k＝y(tǒng)_min-r_min,y_min-r_min+s,y_min-r_min+2s,…,y_min+r_min；

其中，s為空間分辨率。

步驟S132，保留最小半徑定位圓與其他定位圓的交集區(qū)域內(nèi)的位置點；

在本發(fā)明實施例中，步驟S132具體包括如下步驟：

步驟S1321，計算最小半徑定位圓內(nèi)位置點到其他定位圓圓心的距離；

在本發(fā)明實施例中，P中各個位置點到各個剩余定位圓圓心的距離為而

步驟S1322，判斷位置點到其他定位圓圓心的距離是否都小于等于對應(yīng)定位圓的半徑，若判斷結(jié)果為是，則保留該位置點，若判斷結(jié)果為否，則丟棄該位置點。

在本發(fā)明實施例中，若則將該位置點放入集合M，否則，則丟棄該位置點。

步驟S133，計算該交集區(qū)域內(nèi)位置點的平均誤差。

在本發(fā)明實施例中，以平均相對誤差為例進行說明，平均相對誤差E的計算公式為：

其中，(x_i,y_i)∈M，m是集合M中位置點的總數(shù)目，(x_α,y_α)是集合M中的某個位置點，即(x_α,y_α)∈M，而α＝1、2、3…m。

在本發(fā)明實施例中，對最小半徑定位圓的空間進行分割，有最小半徑定位圓的空間最小，因而能容納的位置點也是最少，從最小半徑定位圓空間容納的定位點來篩選出交集區(qū)域內(nèi)的位置點，相對于從其他定位圓空間容納的定位點來篩選出交集區(qū)域內(nèi)的位置點而言，計算量相對減少，可以提高定位速度。

作為本發(fā)明的另一實施例，在步驟S110之前還包括：

步驟S111，將定位圓按半徑從小到大依次排列。

作為本發(fā)明的其他實施例，在步驟S111之前還包括：

步驟S112，獲取基站的位置；

在本發(fā)明實施例中，獲取基站的位置坐標(biāo)，設(shè)假設(shè)第i個基站的坐標(biāo)為(x_i、y_i)。

步驟S113，計算所述基站到移動終端的偽距；

在本發(fā)明實施例中，第i個基站測得的移動設(shè)備從發(fā)出信號到接收信號的時間差(TOA值)為Toa_i，則基站到移動終端的偽距偽s＝Toa_i×c，其中是電磁波速度c＝3×10⁸m/s。

步驟S114，以基站位置為圓心，基站到移動終端的偽距離為半徑，建立定位圓；

在本發(fā)明實施例中，以基站的坐標(biāo)為(x_i、y_i)圓心，以R_i＝Toa_i×c為半徑，建立定位圓。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。