本發(fā)明涉及無線通信定位，尤其涉及一種基于tdoa的室內(nèi)混合定位方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、室內(nèi)定位的多種技術(shù)主要包括紅外線、超聲波、射頻識別、藍(lán)牙、wi-fi、zigbee和超寬帶(ultra-wideband，uwb)技術(shù)。其中，uwb技術(shù)憑借低功耗、強穿透力、高安全性、低復(fù)雜性和優(yōu)秀的定位精度等獨特屬性備受關(guān)注?；诘竭_(dá)時間差(time?difference?ofarrival，tdoa)的測距技術(shù)避免了相位模糊和天線間互耦的影響，并且該算法設(shè)備簡單，定位精度高，因此是位置解算的首選算法。

2、在非視距條件(non?line?of?sight，nlos)下，多個障礙物通常會阻止信號直接從目標(biāo)節(jié)點傳輸?shù)交?，?dǎo)致測量時間增加。常用的tdoa定位算法包括chan算法和taylor算法。chan算法如文獻(xiàn)1：chan?y?t,ho?k?c.a?simple?and?efficient?estimator?forhyperbolic?location[j].ieee?transactions?on?signal?processing,1994,42(8):1905-1915.中公開的算法。該算法是一種非迭代的兩步加權(quán)最小二乘算法，具有閉合解，可以在誤差服從高斯分布時實現(xiàn)高精度定位，然而，在復(fù)雜環(huán)境中使用時，其定位精度可能急劇下降。taylor的算法如文獻(xiàn)2：foy?w?h.position-location?solutions?by?taylor-series?estimation[j].ieee?transactions?on?aerospace?and?electronic?systems,1976(2):187-194.中公開的算法。該算法是一種基于冗余觀測的迭代加權(quán)最小二乘方法，具有高定位精度，但需要準(zhǔn)確的初始值，如果初始值與真實值之間存在較大偏差，算法可能無法收斂。chan-taylor加權(quán)算法如文獻(xiàn)3：薛曉霞,韓逢慶.基于tdoa的混合算法在室內(nèi)定位中的應(yīng)用[j].信息與電腦(理論版),2023,35(06):59-64.中公開的算法。首先采用chan算法計算出的tdoa差，對nlos錯誤進(jìn)行判別與校正，其次根據(jù)校正結(jié)果對標(biāo)記點進(jìn)行定位，最后以重新估算出的定位點為初始點，并設(shè)定適當(dāng)?shù)臋?quán)重,對所估算的定位點進(jìn)行校正，但chan-taylor算法的收斂速度可能較慢，需要進(jìn)行多個步驟的計算和校正，特別是在處理復(fù)雜問題時可能需要更多的迭代步驟才能達(dá)到收斂。因此，常用的定位算法各有缺陷，需提出新的定位算法以減少nlos對定位精度的影響。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，提出一種基于tdoa的室內(nèi)混合定位方法，該方法在保持高效計算速度的同時提高在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中的定位精度。本發(fā)明不僅能夠有效消除直射(line?of?sight，los)環(huán)境下的距離測量誤差，同時也能極大程度上抑制非直射(nlos)誤差。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于tdoa的室內(nèi)混合定位方法，該方法包括如下步驟：

2、步驟1：先通過基于uwb信號的基站與待測標(biāo)簽和參考標(biāo)簽通信獲取基站到標(biāo)簽的距離。

3、步驟2：基于chan算法計算待測標(biāo)簽和參考標(biāo)簽與所述若干基站位置信息之間的tdoa值，得到初次chan定位結(jié)果；將初次chan定位結(jié)果作為taylor級數(shù)展開算法的初始迭代值，通過不斷迭代得到初次chan-taylor定位結(jié)果。

4、步驟3：計算待測標(biāo)簽初始估計坐標(biāo)與所有參考標(biāo)簽的距離，加權(quán)平均p個參考標(biāo)簽的校正值修正tdoa值。

5、步驟4：將修正后的距離值再次代入chan算法計算得到修正后的二次初始定位結(jié)果。

6、步驟5：將修正后的chan算法定位結(jié)果作為taylor級數(shù)展開算法的初始迭代值，再次迭代得到修正后的二次chan-taylor定位結(jié)果。

7、步驟6：將修正后的chan算法定位結(jié)果和chan-taylor算法定位結(jié)果進(jìn)行殘差加權(quán)得到最終定位結(jié)果。

8、本發(fā)明定義基站坐標(biāo)為bi＝(xi,yi)，待測標(biāo)簽(x,y)經(jīng)過chan算法的初始定位結(jié)果為(x(1),y(1))，經(jīng)過chan-taylor算法得到的定位結(jié)果為(x(2),y(2))，參考點(xc,yc)經(jīng)過chan算法得到的估計坐標(biāo)為(xc1,yc1)，經(jīng)過chan-taylor算法得到的估計坐標(biāo)為(xc2,yc2)，參考點的真實坐標(biāo)為(xc',yc')。對于修正距離后的二次chan算法的定位結(jié)果(x'(1),y'(1))和chan-taylor的定位結(jié)果(x'(2),y'(2))。

9、進(jìn)一步地，步驟1中獲取待測標(biāo)簽(x,y)和參考標(biāo)簽與基站bi＝(xi,yi)的tdoa測量值di和di,c如公式(1)和(2)所示：

10、

11、

12、進(jìn)一步地，步驟2中將式(1)展開可得公式(3)：

13、

14、令式(3)中的可化為公式(4)：

15、di2-ki＝-2xix-2yiy+d0?????????????????????????????(4)

16、將x,y,d0視為不確定變量，可將上式(4)化為矩陣，如公式(5)所示：

17、gα＝η?????????????????????????????????????(5)

18、其中，

19、

20、在測量過程中因有誤差干擾，α'＝[x',y',r'0]t表示定位目標(biāo)的實際坐標(biāo)，構(gòu)建誤差向量ψ，ψ的具體表示如公式(6)所示：

21、ψ＝h-gα'???????????????????????????????????(6)

22、進(jìn)一步可以將式(6)轉(zhuǎn)化為公式(7)：

23、

24、其中，δ＝[δ1,δ2,…δn]t。

25、測距誤差的協(xié)方差矩陣如公式(8)所示：

26、q＝e[ψψt]＝c2bqtb??????????????????????????????(8)

27、式中，c為光速；qt表示定位目標(biāo)到各基站的傳輸時間誤差的方差。

28、采用加權(quán)最小二乘法進(jìn)行估計，計算可得到該模型的第1次估計坐標(biāo)如公式(9)所示：

29、α＝(gtq-1g)-1gtq-1h??????????????????????????????(9)

30、通過將第一個加權(quán)最小二乘(wls)的結(jié)果作為重構(gòu)的誤差方程的輸入進(jìn)行計算，如公式(10)所示：

31、α＝(g'tψ'-1g')-1g'tψ'-1h'???????????(10)

32、其中，

33、b'＝diag(xα-x1,yα-y1,dα),ψ'＝4b'cov(α)b'

34、得到初次chan定位結(jié)果如公式(11)所示：

35、

36、具體的，taylor算法首先需要計算出距離差，如公式(12)所示：

37、

38、對于確定的初始迭代點(x(1),y(1))，根據(jù)泰勒展開原理，可以對式(12)進(jìn)行展開并略去二階及以上高階分量，如公式(13)所示：

39、

40、由于x＝x(1)+δx、y＝y(tǒng)(1)+δy，因此式(13)可轉(zhuǎn)化為公式(14)：

41、ψ＝f-hδ????????????????(14)

42、其中ψ＝[ψ2,ψ3,…，ψn]t為誤差向量，δ＝[δx,δy]t，

43、

44、這里的變量di,1(x,y)和di,1(x(1),y(1))分別表示tdoa時間差測量值和當(dāng)前迭代值，

45、由于每次迭代后(x(1),y(1))都會有所變化，因此di,1(x(1),y(1))也隨之變化。在h中，

46、di代表到各個基站之間的距離，并用表示。隨著迭代的進(jìn)行，變量di逐漸逼近真實值。

47、對式(14)進(jìn)行加權(quán)最小二乘，如公式(15)所示：

48、δ＝(ht∑-1η)ht∑-1f?????????????(15)

49、其中∑＝cov(ψ)，在每次迭代完成后，將更新迭代值x'(1)＝x(1)+δx,y'(1)＝y(tǒng)(1)+δy，并用此值更新變量f和h。

50、當(dāng)滿足如公式(16)所示的門限條件時便完成迭代：

51、|δx|+|δy|＜ε????????(16)

52、進(jìn)一步地，步驟3中，初次chan定位結(jié)果(x(1),y(1))和與基站的計算距離和如公式(17)和(18)所示：

53、

54、

55、具體的，步驟3中初次chan-taylor定位結(jié)果(x(2),y(2))和(xc2,yc2)與基站之間的計算距離和如公式(19)和(20)所示：

56、

57、

58、參考點(xc',yc')真實距離di',c應(yīng)如公式(21)所示：

59、

60、定義δdi,c表示參考點(xc',yc')相對于基站bi的誤差校正值，如公式(22)所示：

61、δdi,c＝di,c2-di',c???????????(22)

62、經(jīng)校正后的距離如公式(23)所示：

63、

64、為確保測距信息的準(zhǔn)確性，需要避免僅依賴單一參考點進(jìn)行校正。因此，本發(fā)明選擇距離定位標(biāo)簽最近的p個參考點，并按照估計坐標(biāo)與參考點距離的遠(yuǎn)近對它們的校正信息進(jìn)行加權(quán)平均。參考點與定位標(biāo)簽的距離越近，表示該參考點與定位標(biāo)簽的相關(guān)性強，則在權(quán)重中所占比例也會相應(yīng)增大；而當(dāng)距離較遠(yuǎn)時，表示與定位標(biāo)簽的相關(guān)性較弱，則參考點權(quán)重需相應(yīng)減小。通過這種方式，我們能夠綜合考慮多個參考點的信息，提高校正的準(zhǔn)確性和可靠性。因此構(gòu)建權(quán)重矩陣w，如公式(24)所示：

65、w＝[λ1,λ2,…,λp]??????????(24)

66、λp為估計坐標(biāo)與參考點之間距離的反比，表示參考點的校正值權(quán)值，如公式(25)所示：

67、

68、dp是估計坐標(biāo)與參考點距離的倒數(shù)，如公式(26)所示：

69、

70、加權(quán)后的誤差校正值如公式(27)所示：

71、

72、經(jīng)校正后的距離如公式(28)所示：

73、

74、得到修正后的測距值，再次代入chan-taylor算法。為了進(jìn)一步提高定位精度，本發(fā)明構(gòu)建了加權(quán)系數(shù)wm對定位結(jié)果進(jìn)行權(quán)重運算。

75、對于修正距離后的tdoa值di,1如公式(29)所示：

76、

77、進(jìn)一步地，步驟4中對于修正距離后的chan算法的定位結(jié)果(x'(1),y'(1))的tdoa值為公式(30)所示：

78、

79、進(jìn)一步地，步驟5中對于修正距離后的chan-taylor的定位結(jié)果(x'(2),y'(2))的tdoa值為公式(31)所示：

80、

81、進(jìn)一步地，步驟6中為了提高定位精度、減小定位誤差，并且能更有效地利用定位數(shù)據(jù)，排除掉不可靠或異常的數(shù)據(jù)點，因此本發(fā)明利用殘差進(jìn)行修正和加權(quán)，提高了定位算法的魯棒性和準(zhǔn)確性。

82、具體的，兩種定位算法的殘差定義如公式(32)所示：

83、

84、當(dāng)數(shù)值相對較小時，表示定位結(jié)果更準(zhǔn)確，應(yīng)該賦予更高的權(quán)重；而當(dāng)數(shù)值相對較大時，表示定位結(jié)果誤差較大，應(yīng)該賦予較低的權(quán)重。對tdoa值使用不同的算法進(jìn)行處理時，則對于第m種定位算法的權(quán)重系數(shù)可以表達(dá)為如公式(33)所示：

85、

86、wm表示為削弱nlos影響的第m種算法估計定位結(jié)果進(jìn)行加權(quán)的加權(quán)系數(shù)。因此，標(biāo)簽節(jié)點的加權(quán)最終估計坐標(biāo)是每種算法估計值的加權(quán)平均，如公式(34)所示：

87、

88、有益效果：

89、1、本發(fā)明在保持高效計算速度的同時提高在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中的定位精度，不僅能夠有效消除直射(line?of?sight，los)環(huán)境下的距離測量誤差，同時也能極大程度上抑制非直射(nlos)誤差。

90、2、本發(fā)明能夠有效消除直射(los)環(huán)境下的距離測量誤差，同時也能極大程度上抑制非直射(nlos)誤差，將taylor算法的初始估計值替換為chan算法的定位結(jié)果并利用參考標(biāo)簽來調(diào)整chan-taylor混合算法的初始位置結(jié)果。然后根據(jù)校正后的結(jié)果再次代入算法進(jìn)行定位，并利用殘差引入了加權(quán)系數(shù)進(jìn)行位置的再處理。

91、3、本發(fā)明提高定位精度的同時保持快速響應(yīng)和高效率。通過模擬實驗，驗證了本發(fā)明的有效性。