本發(fā)明涉及無(wú)線定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種NLOS傳輸環(huán)境無(wú)線定位方法。

背景技術(shù)：

無(wú)線定位是指利用包含在接收信號(hào)中的角度和距離等參數(shù)來(lái)估計(jì)移動(dòng)終端位置的一種技術(shù)。近年來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活的需求，該技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用，它可以提供包括緊急呼救、旅游信息服務(wù)、車(chē)輛管理等在內(nèi)的業(yè)務(wù)，同時(shí)也被應(yīng)用到了基于位置信息的收費(fèi)系統(tǒng)和智能交通系統(tǒng)中，是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。

在實(shí)際的無(wú)線傳輸環(huán)境中，由于障礙物的存在，因此信號(hào)從發(fā)送端到被接收的這一段時(shí)間內(nèi)并不會(huì)沿著直線傳輸，它往往需要經(jīng)過(guò)發(fā)射和衍射才能夠到達(dá)接收端。這使得接收端對(duì)距離以及角度等信息估計(jì)準(zhǔn)確度的下降，從而顯著降低了無(wú)線定位算法的精度。據(jù)此，在無(wú)線定位技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，減少甚至降低非視距(NLOS,non-line-of-sight)帶來(lái)的誤差是非常重要的。根據(jù)摩托羅拉和愛(ài)立信對(duì)GSM網(wǎng)絡(luò)的實(shí)地測(cè)量發(fā)現(xiàn)，NLOS誤差有隨著MS-BS之間直線距離的增加而上升的趨勢(shì)，這就更加劇了對(duì)傳統(tǒng)定位算法精度的影響。事實(shí)上，對(duì)于其他類(lèi)型的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，比如3G和4G移動(dòng)通信，上述NLOS誤差的距離依賴(lài)特性存在的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

為了克服已有NLOS傳輸環(huán)境無(wú)線定位方法的精度較差的不足，本發(fā)明提供一種有效提升定位精度的基于到達(dá)時(shí)間商(TROA，time ratio of arrival)的三基站NLOS誤差抑制與定位方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于TROA的三基站NLOS誤差抑制與定位方法，所述定位方法包括以下步驟：

1)由3個(gè)基站BS接收到移動(dòng)臺(tái)MS發(fā)送的信號(hào)，并且提取出信號(hào)中的到達(dá)時(shí)間信息TOA，并且將這些信息匯集到定位主基站中，所述定位主基站知道所有BS坐標(biāo)；

2)以主基站的測(cè)量值為參考，將其他兩個(gè)基站測(cè)量的TOA除以參考值，轉(zhuǎn)變成2個(gè)TROA；

3)根據(jù)定位幾何原理，構(gòu)建以TROA為參數(shù)的雙變量定位方程組；

4)將雙變量定位方程組進(jìn)行變換和消元處理，得到與MS坐標(biāo)有關(guān)的一元二次方程；

5)利用韋達(dá)定理求解可能的MS位置，并結(jié)合定位可行域選擇最終的MS坐標(biāo)估計(jì)值。

進(jìn)一步，所述步驟2)中，利用第i個(gè)基站BS_i測(cè)量得到各自到達(dá)時(shí)間TOA_i，主基站設(shè)為第1個(gè)基站，那么它和第1個(gè)基站測(cè)量值的商就是TROA_i1，也就是

移動(dòng)臺(tái)(MS)和第i個(gè)基站(BS)之間的距離寫(xiě)成：

其中(x,y)和(x_i,y_i)分別是MS和第i個(gè)BS的坐標(biāo)，c是電磁波空氣中傳播速度。

再進(jìn)一步，所述步驟3)中，令dr_i1為測(cè)距之間的商，假設(shè)BS₁的位置位于坐標(biāo)原點(diǎn)，那么

由于只有三個(gè)BS，i＝2或者3，對(duì)(3)左右進(jìn)行平方處理，化簡(jiǎn)得到

更進(jìn)一步，所述步驟4)中，令R＝x²+y²，對(duì)(4)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換

對(duì)(5)進(jìn)行上下相除得到

其中然后(6)化簡(jiǎn)得到x的表達(dá)式為

x＝ay+b (7)

其中將(7)代入到(5)中的第1條方程中即得到一個(gè)一元二次方程組

dy²+ey+f＝0 (8)

其中

所述步驟5)中，式(8)根據(jù)韋達(dá)定理得到y(tǒng)的兩個(gè)可能解

然后將(9)代入到(7)中，就能夠得到MS的兩個(gè)可能解，最后根據(jù)可行域來(lái)選擇正確的估計(jì)位置，正確的MS坐標(biāo)估計(jì)必須落在可行域內(nèi)。

所述步驟5)中，所述可行域?yàn)樗卸ㄎ粓A的共同區(qū)域，所述定位圓定義為以BS為中心，BS到MS測(cè)距為半徑的圓。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：在得到BS和MS之間的TOA(可等效為距離)之后，便能夠通過(guò)除法變換，將測(cè)距轉(zhuǎn)變成測(cè)距的商，然后根據(jù)定位幾何關(guān)系構(gòu)建定位方程組，考慮三基站的特殊性對(duì)方程組進(jìn)行消元得到一元二次方程，再利用韋達(dá)定理求解可能的MS位置，并結(jié)合定位可行域選擇MS坐標(biāo)估計(jì)值。

TROA是指將測(cè)量的TOA轉(zhuǎn)變成它們的商，即兩兩相除的形式。由于NLOS誤差有隨著真實(shí)距離的增加而上升的趨勢(shì)，傳統(tǒng)的定位算法的性能在此種環(huán)境中將大打折扣，因此必須采用一定的方法消除NLOS誤差對(duì)定位性能的影響。本發(fā)明利用NLOS誤差的這種特性，提出了基于TROA的無(wú)線定位算法，即使在嚴(yán)重的NLOS傳輸環(huán)境中，本發(fā)明也能夠?qū)S進(jìn)行高性能定位。在NLOS誤差距離依賴(lài)模型(DDM，distance dependent model)中，NLOS誤差隨著真實(shí)距離的增加而上升，詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)1：Jingyu Hua,Limin Meng,Kai Zhou,Bin Jiang,Dongming Wang,Accurate and simple wireless localizations based on time product of arrival in the DDM-NLOS propagation environment，,IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN SIGNAL PROCESSING,vol.9,no.2pp.239-246,Mar.2015；即華驚宇，孟利民，周凱，江彬，王東明,DDM-NLOS傳輸環(huán)境中基于到達(dá)時(shí)間積德簡(jiǎn)單精確無(wú)線定位方法,IEEE信號(hào)處理選題期刊,第9卷第2期,239-246,2015年3月；本專(zhuān)利的估計(jì)算法可以有效抑制此時(shí)NLOS誤差對(duì)于估計(jì)性能的不利影響。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：在NLOS誤差隨著真實(shí)距離的增加而上升的環(huán)境中，本發(fā)明在僅有三個(gè)BS時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)NLOS誤差的抑制效果，和傳統(tǒng)的LS類(lèi)算法相比，本發(fā)明的計(jì)算量并沒(méi)有增加，但是在NLOS誤差的抑制作用方面則有顯著的改善。

附圖說(shuō)明

圖1為基于TROA的NLOS傳輸環(huán)境無(wú)線定位方法的流程圖。

圖2定位可行域示意圖。

圖3為各種算法在NLOS的DDM傳輸模型中定位結(jié)果的示意圖。

圖4為在DDM模型中，NLOS誤差的最大值max對(duì)各算法精度的影響的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照?qǐng)D1～圖4，一種基于TROA的三基站NLOS誤差抑制與定位方法，包括以下步驟：

1)由3個(gè)基站(BS)接收到移動(dòng)臺(tái)(MS)發(fā)送的信號(hào)，并且提取出信號(hào)中的到達(dá)時(shí)間(TOA，time of arrival)信息，并且將這些信息匯集到定位主基站中，所述主基站知道所有BS坐標(biāo)；

2)以主基站的測(cè)量值為參考，將其他基站測(cè)量的TOA除以參考值，轉(zhuǎn)變成2個(gè)TROA；

3)根據(jù)定位幾何原理，構(gòu)建以TROA為參數(shù)的雙變量定位方程組；

4)將雙變量定位方程組進(jìn)行變換和消元處理，得到與MS坐標(biāo)有關(guān)的一元二次方程；

5)利用韋達(dá)定理求解可能的MS位置，并結(jié)合定位可行域選擇最終的MS坐標(biāo)估計(jì)值。

所述步驟2)中，針對(duì)三基站情形，利用第i個(gè)基站BS_i測(cè)量得到各自到達(dá)時(shí)間TOA_i，主基站設(shè)為第1個(gè)基站，那么它和第1個(gè)基站測(cè)量值的商就是TROA_i1，也就是

移動(dòng)臺(tái)(MS)和第i個(gè)基站(BS)之間的距離寫(xiě)成：

其中(x,y)和(x_i,y_i)分別是MS和第i個(gè)BS的坐標(biāo)，c是電磁波空氣中傳播速度。

根據(jù)上述公式，將TROA轉(zhuǎn)變成距離之商。如果令dr_i1為測(cè)距之間的商，并且不失一般性，假設(shè)BS₁的位置位于坐標(biāo)原點(diǎn)，那么

由于只有三個(gè)BS，i＝2或者3。對(duì)(3)左右進(jìn)行平方處理，化簡(jiǎn)得到

令R＝x²+y²，同時(shí)更進(jìn)一步，所述步驟4)中，對(duì)(4)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換

對(duì)(5)進(jìn)行上下相除可以得到

其中然后(6)可以化簡(jiǎn)得到x的表達(dá)式為

x＝ay+b (7)

其中將(7)代入到(5)中的第1條方程中即可得到一個(gè)一元二次方程組

dy²+ey+f＝0 (8)

其中

式(8)可以根據(jù)韋達(dá)定理得到y(tǒng)的兩個(gè)可能解

然后將(9)代入到(7)中，就能夠得到MS的兩個(gè)可能解，最后根據(jù)可行域來(lái)選擇正確的估計(jì)位置，正確的MS坐標(biāo)估計(jì)必須落在可行域內(nèi)。所謂的可行域可以簡(jiǎn)單地解釋為所有定位圓的共同區(qū)域，如附圖的圖2所示。而定位圓定義為以BS為中心，BS到MS測(cè)距為半徑的圓。

圖1中，在利用基站測(cè)量的得到信號(hào)的到達(dá)時(shí)間之后首先需要將其轉(zhuǎn)變成測(cè)量距離商的形式，然后根據(jù)該商和MS位置的數(shù)學(xué)關(guān)系建立定位方程組，然后通過(guò)數(shù)學(xué)變換將方程組進(jìn)行一元二次消元處理，最后利用韋達(dá)定理求解可能的MS位置，并結(jié)合定位可行域選擇最終的MS坐標(biāo)估計(jì)值。

圖2中，MS的可行域就是點(diǎn)A、B和C以及它們之間的弧線圍成的區(qū)域，這塊區(qū)域是所有定位圓的共同區(qū)域，之所以被稱(chēng)為可行域是因?yàn)镸S必然位于該區(qū)域內(nèi)。定位圓定義為以BS為中心，BS到MS測(cè)距為半徑的圓。

圖3各種算法的仿真定位結(jié)果，黑色三角形代表基站位置。這個(gè)仿真采用經(jīng)典的蜂窩網(wǎng)絡(luò)7基站模型作為定位基站的拓?fù)?，其中基站的坐?biāo)分別為(0,0),在本仿真中，取蜂窩小區(qū)半徑r＝1000m，并且假設(shè)距離測(cè)量誤差為標(biāo)準(zhǔn)差等于20m的零均值高斯變量。此外考慮NLOS誤差符合參考文獻(xiàn)[1]中的第三類(lèi)DDM模型，即NLOS誤差隨著真實(shí)距離的增加而上升。max為NLOS的最大可能取值，在這個(gè)仿真中定為500m。從圖3中可以看出，本發(fā)明的定位結(jié)果更加接近于真實(shí)位置。

圖4是本發(fā)明和其他定位算法的均方根誤差(RMSE，root mean square error)對(duì)比圖，其仿真環(huán)境和圖3相同，主要用于研究max對(duì)各算法精度的影響。對(duì)比算法包括采用LS原理的到達(dá)時(shí)間差(TDOA，time difference of arrival)算法、到達(dá)時(shí)間和(TSOA，time sum of arrival)算法和到達(dá)時(shí)間(TOA)算法。從圖4可以看出，隨著max的增加，所有算法的精度都在下降，但是有所不同的是，本發(fā)明的定位算法下降地最為緩慢，而且其性能一直優(yōu)于其它算法。