專(zhuān)利名稱(chēng)：一種位置估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線通信領(lǐng)域中的定位技術(shù)，具體涉及一種對(duì)移動(dòng)臺(tái)定位的位置估計(jì)方法。
背景技術(shù)：
在無(wú)線通信領(lǐng)域中，蜂窩移動(dòng)臺(tái)定位由測(cè)量和位置估計(jì)兩個(gè)基本環(huán)節(jié)組成。在測(cè)量環(huán)節(jié)，有兩種基本的測(cè)量量，一種是到達(dá)時(shí)間差(TDOA)測(cè)量量，一種是到達(dá)時(shí)間(TOA)測(cè)量量；在位置估計(jì)環(huán)節(jié)，有兩種基本的位置估計(jì)方法，一種是TDOA位置估計(jì)方法，一種是TOA位置估計(jì)方法。從測(cè)量量的角度分析，雖然TDOA和TOA這兩種測(cè)量量都要受非視距(NLOS)誤差的影響，但是，通常TOA測(cè)量量是利用系統(tǒng)的往返時(shí)間(RTT)測(cè)量功能得到的，TOA測(cè)量量中除了包含NLOS誤差之外，還包含了RTT測(cè)量過(guò)程中引入的一些誤差，例如基站和移動(dòng)臺(tái)的射頻通道時(shí)延誤差、移動(dòng)臺(tái)收發(fā)時(shí)延誤差等，這些誤差將降低TOA測(cè)量量在高精度定位中的準(zhǔn)確性。而TDOA測(cè)量量不包含NLOS誤差和RTT測(cè)量過(guò)程中引入的誤差，因此，在移動(dòng)臺(tái)定位中，TDOA測(cè)量量比TOA測(cè)量量更為可取。從位置估計(jì)的角度分析，由于雙曲線的非線性作用，TDOA位置估計(jì)比TOA位置估計(jì)更易受幾何精度衰減因子(GDOP)的影響，換句話說(shuō)，TOA位置估計(jì)相對(duì)于TDOA位置估計(jì)來(lái)說(shuō)抑制了GDOP的影響，因此，TOA位置估計(jì)比TDOA位置估計(jì)更為可取。
在現(xiàn)有TDOA位置估計(jì)方法中，Y.T.陳(Y.T.Chen)在1994年8月8日出版的第42卷的電器和電子工程師協(xié)會(huì)會(huì)刊的信號(hào)處理分刊中公開(kāi)的“一種簡(jiǎn)單有效的雙曲線定位位置估計(jì)器”文章(“A simple and efficientestimator for hyperbolic location”，IEEE Trans Signal processing，Vol.42，no.8，Aug.1994，pp.1905-1915)中所述的陳氏算法是一個(gè)典型代表。
在現(xiàn)有TOA位置估計(jì)方法中，在2001年3月出版的《通信學(xué)報(bào)》第22卷第3期中的文章“一種考慮非視線傳播影響的TOA定位算法”是一個(gè)典型代表，該文章對(duì)TOA位置估計(jì)算法的討論分為視距(LOS)信道環(huán)境下的位置估計(jì)算法和NLOS信道環(huán)境下的位置估計(jì)算法兩種情況，這里將該文獻(xiàn)討論的LOS環(huán)境和NLOS環(huán)境下的位置估計(jì)算法分別稱(chēng)為L(zhǎng)OS-TOA陳氏算法和NLOS-TOA松弛算法。
在現(xiàn)有TOA-TDOA混合位置估計(jì)算法中，“利用主基站TOA和相對(duì)于主基站的TDOA進(jìn)行位置估計(jì)的方法和裝置”專(zhuān)利申請(qǐng)是一個(gè)代表。
在以上三種位置估計(jì)方法中，LOS-TOA陳氏算法和TOA-TDOA混合位置估計(jì)算法都是借鑒陳氏算法的求解思路進(jìn)行構(gòu)造的。這兩種位置估計(jì)方法的共同特點(diǎn)是它們都采用兩次加權(quán)線性最小二乘估計(jì)來(lái)近似實(shí)現(xiàn)最大似然估計(jì)；它們具有廣泛的通用性，既可以適用于測(cè)量量個(gè)數(shù)等于輻射源坐標(biāo)個(gè)數(shù)的情況，也適用于測(cè)量量個(gè)數(shù)大于輻射源坐標(biāo)個(gè)數(shù)的情況，同時(shí)既適用于傳感器線性排列的情況，也適用于傳感器任意排列的情況。這兩種位置估計(jì)方法的共同缺點(diǎn)是由于這些現(xiàn)有算法都是在假設(shè)輻射源和傳感器或定位接收機(jī)之間存在直達(dá)徑的前提下構(gòu)造的，在這種假設(shè)前提下，輸入到位置估計(jì)算法的誤差信號(hào)僅僅來(lái)源于傳感器的時(shí)延估計(jì)誤差，而這種時(shí)延估計(jì)誤差是零均值高斯分布，因此，這些位置估計(jì)算法不具備N(xiāo)LOS誤差抑制能力。
在以上三種位置估計(jì)方法中，NLOS-TOA松弛算法的基本思路是在TOA測(cè)量中引入松弛變量，并采用搜索的方法求取合理的位置解。這個(gè)方法在幾何上的本質(zhì)是按照一定的方式調(diào)整包含NLOS誤差的TOA圓的半徑大小，希望通過(guò)這種方法能夠消除一部分NLOS誤差的影響，得到較準(zhǔn)確的位置估計(jì)值。這種NLOS位置估計(jì)方法的搜索準(zhǔn)則為以搜索到的離LOS算法用于NLOS信道時(shí)得到的位置最近的點(diǎn)作為NLOS算法的輸出。NLOS-TOA松弛算法的缺點(diǎn)在于沒(méi)有給出一個(gè)具有客觀依據(jù)的確定松弛變量的方法，因此在實(shí)際應(yīng)用中難以選取松弛變量，不具備實(shí)用性。
在“一種采用TDOA/TOA平滑及重構(gòu)的定位精度提高方法”專(zhuān)利申請(qǐng)中給出了一種綜合利用TOA和TDOA測(cè)量量、并具有NLOS誤差抑制能力的位置估計(jì)方法，該方法的特點(diǎn)是1)通過(guò)粗略的位置估計(jì)得到的移動(dòng)臺(tái)和基站的距離d，利用時(shí)延擴(kuò)展τrms在一千米處的中值T1(經(jīng)驗(yàn)值)和公式τrms＝Tldεξ來(lái)獲取功率時(shí)延分布的時(shí)延擴(kuò)展τrms，在公式中，ζ是一個(gè)對(duì)數(shù)正態(tài)分布的隨機(jī)變量；ε為一個(gè)取值在0.5～1之間的指數(shù)因子。把時(shí)延擴(kuò)展τrms作為NLOS誤差的分布參數(shù)。2)利用TOA測(cè)量值的平滑進(jìn)行NLOS識(shí)別和NLOS誤差方差的估計(jì)。
但是該方法也存在著一定的缺點(diǎn)，那就是1)時(shí)延擴(kuò)展τrms與NLOS誤差的分布參數(shù)之間沒(méi)有邏輯上的聯(lián)系。2)公式τrms＝Tldεξ是一個(gè)抽象出來(lái)的用于信道建模的關(guān)系，由此計(jì)算出的時(shí)延擴(kuò)展τrms與移動(dòng)臺(tái)的實(shí)際位置的τrms之間也難以吻合。3)利用TOA測(cè)量值的平滑進(jìn)行NLOS識(shí)別和NLOS誤差方差估計(jì)的方法不具備實(shí)時(shí)性，而且準(zhǔn)確性差。鑒于以上缺點(diǎn)，該方法在實(shí)際測(cè)量和計(jì)算中難以得到有效應(yīng)用。
總之，在現(xiàn)有蜂窩移動(dòng)臺(tái)定位技術(shù)中，目前缺少同時(shí)具有NLOS誤差抑制性能、GDOP抑制性能和實(shí)用性的位置估計(jì)算法。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種能同時(shí)具備N(xiāo)LOS誤差抑制性能、GDOP抑制性能和實(shí)用性的位置估計(jì)方法。
本發(fā)明的目的是通過(guò)如下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的一種位置估計(jì)方法，先測(cè)量定位請(qǐng)求涉及的主基站和兩個(gè)鄰基站之間的到達(dá)時(shí)間差(TDOA)，然后a.利用由非視距(NLOS)誤差分布參數(shù)求出的NLOS誤差均值對(duì)TDOA測(cè)量量中的NLOS誤差進(jìn)行零均值矯正，并根據(jù)矯正后的TDOA測(cè)量量估計(jì)移動(dòng)臺(tái)到主基站的到達(dá)時(shí)間(TOA)，然后利用移動(dòng)臺(tái)到主基站的TOA和系統(tǒng)測(cè)量得到的移動(dòng)臺(tái)到鄰基站的TDOA計(jì)算移動(dòng)臺(tái)到鄰基站的TOA；b.利用由NLOS誤差分布參數(shù)求出的NLOS誤差均值對(duì)移動(dòng)臺(tái)到主基站和移動(dòng)臺(tái)到鄰基站的TOA中的NLOS誤差進(jìn)行零均值矯正；c.利用由NLOS誤差分布參數(shù)求出的NLOS誤差方差對(duì)TOA位置估計(jì)中的加權(quán)矩陣進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，并用調(diào)整后的加權(quán)矩陣對(duì)移動(dòng)臺(tái)的位置進(jìn)行加權(quán)最小二乘估計(jì)，得到移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)值。
在上述位置估計(jì)方法中，可以重復(fù)步驟a至步驟c，得到大于1個(gè)的移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)值并對(duì)它們進(jìn)行平均，得到最終的移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)值。
在上述位置估計(jì)方法中，步驟a可以進(jìn)一步包括a1.通過(guò)NLOS識(shí)別確定需要進(jìn)行零均值矯正的TDOA測(cè)量量，并利用NLOS誤差分布參數(shù)確定TDOA測(cè)量量中NLOS誤差的均值；a2.根據(jù)步驟a1確定的NLOS誤差均值對(duì)TDOA測(cè)量量中的NLOS誤差進(jìn)行零均值矯正；a3.根據(jù)步驟a2矯正后所得的TDOA測(cè)量量計(jì)算移動(dòng)臺(tái)到主基站的TOA，再根據(jù)計(jì)算出的移動(dòng)臺(tái)到主基站的TOA值計(jì)算移動(dòng)臺(tái)到每個(gè)鄰基站的TOA。
在上述位置估計(jì)方法中，在步驟a3中可以進(jìn)一步包括如下步驟在計(jì)算主基站的TOA之后再進(jìn)行大于1次的計(jì)算，根據(jù)得到的大于1個(gè)的TOA值的平均值計(jì)算各個(gè)鄰基站的TOA值。
在上述位置估計(jì)方法中，步驟b可以進(jìn)一步包括b1.通過(guò)NLOS識(shí)別確定由步驟a3求出的、需要進(jìn)行零均值矯正的主基站和鄰基站的TOA值，并利用NLOS誤差分布參數(shù)確定由步驟a3求出的、需要進(jìn)行零均值矯正的主基站和鄰基站的TOA值中NLOS誤差的均值；b2.對(duì)所述由步驟a3求出的、需要進(jìn)行零均值矯正的主基站和鄰基站的TOA值中的NLOS誤差的均值進(jìn)行零均值矯正。
在上述位置估計(jì)方法中，NLOS識(shí)別可以利用從輻射源獲取的功率時(shí)延分布中選擇一組最強(qiáng)徑的樣本離散系數(shù)的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以利用從輻射源獲取的功率時(shí)延分布上的徑間功率差或者徑間幅度差來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在上述位置估計(jì)方法中，步驟c可以進(jìn)一步包括c1.通過(guò)將主對(duì)角線元素設(shè)置為視距(LOS)環(huán)境下TOA時(shí)延估計(jì)誤差的協(xié)方差和TOA的矯正殘差的協(xié)方差之和確定加權(quán)矩陣形式；c2.判斷計(jì)算各個(gè)TOA的相應(yīng)信道是否包含NLOS誤差，如果該信道不包含NLOS誤差，將相應(yīng)TOA的矯正殘差的協(xié)方差值設(shè)為零，其余元素的取值執(zhí)行下一步，如果該基站包含NLOS誤差，直接執(zhí)行下一步；c3.通過(guò)LOS信道環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行TOA測(cè)量估計(jì)，或者通過(guò)系統(tǒng)仿真，或者通過(guò)TDOA測(cè)量誤差的統(tǒng)計(jì)確定步驟c1的加權(quán)矩陣中需要調(diào)整的LOS環(huán)境下TOA時(shí)延估計(jì)誤差的協(xié)方差；如果TOA包含的NLOS誤差為離散形式，通過(guò)NLOS誤差分布參數(shù)和TOA中的離散形NLOS誤差的概率密度函數(shù)確定步驟c1的加權(quán)矩陣中需要調(diào)整的TOA矯正殘差的協(xié)方差；如果TOA包含的NLOS誤差為連續(xù)形式，通過(guò)NLOS誤差分布參數(shù)得到TDOA的連續(xù)形NLOS誤差的概率密度函數(shù)，然后通過(guò)TDOA的連續(xù)形NLOS誤差的概率密度函數(shù)得到TOA的連續(xù)形NLOS誤差的概率密度函數(shù)確定步驟c1的加權(quán)矩陣中需要調(diào)整的TOA矯正殘差的協(xié)方差。
在上述位置估計(jì)方法中，步驟a中可以通過(guò)GDOP最小準(zhǔn)則或者存在LOS信道準(zhǔn)則確定TDOA測(cè)量量。
通過(guò)本發(fā)明的技術(shù)方案可以看出，在進(jìn)行TOA位置估計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)TDOA測(cè)量量中的NLOS誤差進(jìn)行零均值矯正、對(duì)TOA中的NLOS誤差進(jìn)行零均值矯正以及利用NLOS誤差方差對(duì)TOA的加權(quán)矩陣進(jìn)行自適應(yīng)性調(diào)整，并根據(jù)該加權(quán)矩陣求解TOA位置估計(jì)值等步驟，極大地抑制了NLOS誤差對(duì)TOA估計(jì)值的精度影響。同時(shí)，由于本發(fā)明采用的是TOA位置估計(jì)方法，因此能夠有效地抑制GDOP的影響。通過(guò)本發(fā)明技術(shù)方案的各個(gè)步驟還可以看出，本發(fā)明的各個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)起來(lái)都很簡(jiǎn)便，在實(shí)際應(yīng)用中具有很好的實(shí)用性。


圖1是本發(fā)明抑制NLOS誤差和GDOP影響的位置估計(jì)方法流程圖；圖2是本發(fā)明TDOA測(cè)量量中NLOS誤差零均值矯正方法流程圖；圖3是本發(fā)明計(jì)算出的TOA值中NLOS誤差零均值矯正方法流程圖；圖4是本發(fā)明自適應(yīng)地調(diào)整加權(quán)矩陣的方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明。
本發(fā)明給出一種將TDOA測(cè)量量轉(zhuǎn)換為T(mén)OA值，然后利用TOA值進(jìn)行位置估計(jì)的方法。具體地說(shuō)，首先利用從主基站和臨近主基站的任意兩個(gè)鄰基站得到的兩個(gè)TDOA測(cè)量量求出主基站到移動(dòng)臺(tái)的TOA1；然后利用TOA1和TOAi＝TDOAi，1+TOA1把移動(dòng)臺(tái)測(cè)量得到的TDOAi，1測(cè)量量轉(zhuǎn)換為T(mén)OAi，其中TDOAi，1表示除主基站之外的第i個(gè)基站和主基站之間的TDOA值，i＝2，3，...，V，V為可測(cè)量到的基站的個(gè)數(shù)；最后利用TOAi和構(gòu)造的TOA位置估計(jì)算法估計(jì)移動(dòng)臺(tái)的位置。
TDOA測(cè)量量中的NLOS誤差既降低從TDOA測(cè)量量求取的TOA1的準(zhǔn)確性，也降低后續(xù)基于TOA值的位置估計(jì)的精度，為了抑制NLOS誤差的影響，本發(fā)明采用的基本思路是在獲取NLOS誤差的均值和方差的前提下，使用NLOS誤差的均值把非負(fù)的NLOS誤差矯正為零均值的隨機(jī)變量，然后使用NLOS誤差的方差構(gòu)造加權(quán)最小二乘估計(jì)中的加權(quán)矩陣來(lái)初步抑制NLOS誤差對(duì)位置估計(jì)的影響，最后再根據(jù)矯正后的NLOS誤差的零均值特性，通過(guò)對(duì)位置估計(jì)結(jié)果的多次平均，進(jìn)一步抑制NLOS誤差。
下面參考圖1對(duì)本發(fā)明的基本思路進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
圖1是本發(fā)明抑制NLOS誤差和GDOP影響的位置估計(jì)方法流程圖，從圖1可以看到，本發(fā)明的方法由如下六個(gè)基本步驟組成步驟101，利用由NLOS誤差分布參數(shù)求出的NLOS誤差的均值對(duì)TDOA測(cè)量量中包含的NLOS誤差進(jìn)行零均值矯正。首先從兩個(gè)或更多的TDOA測(cè)量量中，按照一定的準(zhǔn)則，例如GDOP最小準(zhǔn)則或存在LOS信道準(zhǔn)則，挑選出兩個(gè)TDOA測(cè)量量以及對(duì)應(yīng)的基站和偽隨機(jī)碼，然后對(duì)這兩個(gè)TDOA測(cè)量量進(jìn)行NLOS誤差的零均值矯正。
其中，對(duì)TDOA測(cè)量量中NLOS誤差進(jìn)行零均值矯正的方法，如圖2所示，具體由子步驟201、202、203組成步驟101的子步驟201，通過(guò)NLOS識(shí)別確定需要進(jìn)行零均值矯正的TDOA測(cè)量量。首先識(shí)別出包含NLOS誤差的TDOA測(cè)量量TDOA(m)i，j，TDOA(m)i，j表示沒(méi)有經(jīng)過(guò)NLOS誤差的零均值矯正的原始TDOA測(cè)量量，下標(biāo)i、j表示這個(gè)TDOA測(cè)量量是諸如蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的基站的第i個(gè)輻射源和第j個(gè)輻射源之間的到達(dá)時(shí)間差；TDOA(m)i,j=TDOA(los)i,j(O)+n(n)i,j+μ(n)i,j+ni,j.]]>在上式中，TDOA(los)i，j(O)是不包含任何誤差的理想的TDOA值；n(n)i，j是經(jīng)過(guò)零均值矯正后的NLOS誤差的殘差，其均值為零；μ(n)i，j是根據(jù)NLOS誤差分布參數(shù)計(jì)算出的NLOS誤差的均值；ni，j是系統(tǒng)在LOS環(huán)境下的TDOA時(shí)延估計(jì)誤差，在此不考慮各個(gè)輻射源之間時(shí)鐘漂移對(duì)TDOA測(cè)量量的影響，因此它是零均值正態(tài)分布的隨機(jī)變量。判斷TDOA(m)i，j是否包含NLOS誤差的方法是分別對(duì)第i個(gè)輻射源和第j個(gè)輻射源進(jìn)行NLOS識(shí)別，這里的識(shí)別方法有多種多樣，可以在其中任意選擇一種，例如可以利用從該輻射源獲取的一組功率時(shí)延分布中挑選出一組最強(qiáng)徑的樣本離散系數(shù)的大小實(shí)現(xiàn)NLOS識(shí)別，也可以利用從該輻射源獲取的單個(gè)或多個(gè)功率時(shí)延分布上的徑間功率差或幅度差實(shí)現(xiàn)NLOS識(shí)別。
步驟101的子步驟202，確定TDOA測(cè)量量中NLOS誤差的均值。根據(jù)步驟201的NLOS識(shí)別結(jié)果，首先從包含NLOS誤差的TDOA測(cè)量量對(duì)應(yīng)的信道的一組功率時(shí)延分布中獲取NLOS誤差的分布參數(shù)。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，既可以采用下述公式(1)，也可以采用公式(2)來(lái)完成NLOS誤差分布參數(shù)pi和pj的估計(jì)。
pi=(m1+m2+···+mN)×αW×N---(1)]]>在公式(1)中，pi是NLOS誤差分布參數(shù)；mk是第k(k∈1，2，...，N)個(gè)散射體統(tǒng)計(jì)窗內(nèi)檢測(cè)到的徑的個(gè)數(shù)，這里的散射體統(tǒng)計(jì)窗是從第k個(gè)功率時(shí)延分布上截取，它的起點(diǎn)可以是首徑之后的某個(gè)位置，也可以包含首徑位置；W是散射體統(tǒng)計(jì)窗的寬度，單位為碼片，W的取值通常在1～10個(gè)碼片之間；N是為獲取一個(gè)pi估計(jì)值所采用的功率時(shí)延分布的個(gè)數(shù)，N的取值通常在1～10之間，所用的N個(gè)功率時(shí)延分布是在一定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)進(jìn)行N次多徑搜索得到的；α是一個(gè)碼片內(nèi)進(jìn)行的采樣次數(shù)，也就是一個(gè)徑包含的樣點(diǎn)數(shù)，其取值范圍通常為1～32。
pi=s1+s2+···+sNW×N---(2)]]>在公式(2)中，pi為NLOS誤差分布參數(shù)；sk是第k(k∈1，2，...，N)個(gè)散射體統(tǒng)計(jì)窗內(nèi)檢測(cè)到的超過(guò)檢測(cè)門(mén)限的樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，這里的散射體統(tǒng)計(jì)窗是從第k個(gè)功率時(shí)延分布上截取，它的起點(diǎn)可以是首徑之后的某個(gè)位置，也可以包含首徑位置；W是散射體統(tǒng)計(jì)窗的寬度，單位為樣點(diǎn)，W的取值通常在40個(gè)樣點(diǎn)之內(nèi)，典型值為20個(gè)樣點(diǎn)；N是為獲取一個(gè)pi的估計(jì)值所采用的功率時(shí)延分布的個(gè)數(shù)，N的取值通常在1～10之間，所用的N個(gè)功率時(shí)延分布是在一定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)進(jìn)行N次多徑搜索得到的。
在得到NLOS誤差的分布參數(shù)之后，利用NLOS誤差分布參數(shù)pi和pj以及NLOS誤差的分布形式，計(jì)算出NLOS誤差的均值。
離散形式的NLOS誤差的均值可以利用pi、pj和公式(3)表示的離散形式的TDOA的NLOS誤差δ(s)i，j的概率密度函數(shù)直接得到。
在公式(3)中，δ(s)i，j是第i和第j個(gè)基站對(duì)應(yīng)的以樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為單位的TDOA的NLOS誤差量，單位為樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，δ(s)i，j∈(...-3，-2，-1，0，1，2，3...)，該樣點(diǎn)數(shù)和樣點(diǎn)間隔的乘積就是NLOS誤差，其量綱為時(shí)間；pi和pj分別是第i和第j個(gè)基站的TOA測(cè)量的NLOS誤差量δ(s)i、δ(s)j的分布參數(shù)；δ(s)i，j＝δ(s)i-δ(s)j。
連續(xù)形式的NLOS誤差的均值可以利用pi、pj和公式(4)求出連續(xù)形式的TDOA測(cè)量量中的NLOS誤差的分布參數(shù)θi和θj，然后利用θi、θj和公式(5)表示的連續(xù)形式的TDOA的NLOS誤差δi，j的概率密度函數(shù)求出NLOS誤差的均值。
θi=T-1ln(1-pi)---(4)]]>在公式(4)中，T為系統(tǒng)采樣樣點(diǎn)間隔時(shí)間，單位為微秒。
在公式(5)中，θi和θj就是δi，j的分布參數(shù)。
步驟101的子步驟203，利用步驟202獲取的NLOS誤差的均值μ(n)i，j，按照公式(6)進(jìn)行NLOS誤差的零均值矯正。
TDOAi,j(nlos_miti)=TDOA(m)i,j-μ(n)i,j=TDOA(los)i,j(O)+n(n)i,j+ni,j---(6)]]>在公式(6)中，TDOAi，j(nlos_miti)表示進(jìn)行NLOS誤差零均值矯正后的TDOA測(cè)量量。
步驟102，根據(jù)零均值矯正后的TDOA測(cè)量量計(jì)算主基站的TOA1和鄰基站的TOAi。
首先，計(jì)算主基站的TOA1。其具體實(shí)現(xiàn)方法是把從公式(6)得到的TDOA2，1(nlos_miti)和TDOA3，1(nlos_miti)乘以光速后代替公式(7)中的r2.1和r3.1，就得到移動(dòng)臺(tái)位置坐標(biāo)x，y的包含中間變量r1的表示形式。
xy=x2,1y2,1x3,1y3,1-1×{r2,1r3,1r1+12r2,12-K2+K1r3,12-K3+K1}---(7)]]>在公式(7)中，Ki＝xi2+yj2(i＝1，2，3)，(xi，yi)是基站的位置坐標(biāo)。
然后將公式(7)的結(jié)果，即x，y包含中間變量r1的值帶入i＝1時(shí)的公式(8)，得到r1的平方形式，r1的解的正值就是移動(dòng)臺(tái)到參考基站的距離，這里的參考基站編號(hào)為1號(hào)，用這個(gè)距離除以光速，就是要求的TOA1。在很特殊的情況下，r1的解會(huì)有兩個(gè)正根，這時(shí)需要利用先驗(yàn)知識(shí)并結(jié)合部分測(cè)量數(shù)據(jù)，如結(jié)合RTT測(cè)量量、移動(dòng)臺(tái)所處的扇區(qū)信息，來(lái)確定一個(gè)正確的解，并放棄另一個(gè)解。為了提高TOA1的準(zhǔn)確度，可以對(duì)多次TDOA測(cè)量得到的多個(gè)TOA1進(jìn)行平均。由于TOA1是使用矯正后的TDOA測(cè)量量TDOAi，1(nlos_miti)求出的，TOA1的NLOS誤差的均值為零。
ri2＝(xi-x)2+(yi-y)2＝Ki-2xix-2yiy+x2+y2，i＝1，2，...，M(8)在公式(8)中，Ki＝xi2+yi2，(xi，yi)是基站的位置坐標(biāo)，是已知參量；(x，y)是移動(dòng)臺(tái)位置坐標(biāo)，是未知參量，也就是待求解參量。
在計(jì)算出主基站的TOA1之后，計(jì)算各個(gè)鄰基站的TOAi，這里的TOAi包含NLOS誤差，具體實(shí)現(xiàn)方法是根據(jù)公式(9)進(jìn)行計(jì)算。
TOAi＝-TDOA(m)i，1+TOA1(9)在公式(9)中，TDOA(m)i，1表示第i個(gè)基站與第1個(gè)基站間的包含NLOS誤差的TDOA測(cè)量量。
步驟103，利用由NLOS誤差分布參數(shù)求出的NLOS誤差的均值對(duì)TOA測(cè)量量中包含的NLOS誤差進(jìn)行零均值矯正。
其中，對(duì)TOA測(cè)量量中的NLOS誤差進(jìn)行零均值矯正的過(guò)程，如圖3所示，由子步驟301、302、303組成步驟103的子步驟301，通過(guò)NLOS識(shí)別確定需要進(jìn)行零均值矯正的TOA測(cè)量量。識(shí)別出包含NLOS誤差的TOAi，下標(biāo)i表示這個(gè)TOAi是諸如蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的基站的第i個(gè)輻射源和接收機(jī)之間的到達(dá)時(shí)間或偽距；TOAi=TOA(los)i(O)+n(n)i+μ(n)i+ni.]]>其中，TOA(los)i(O)是不包含任何誤差的理想狀態(tài)的TOA值；n(n)i是經(jīng)過(guò)零均值矯正后的NLOS誤差的殘差，其均值為零；μ(n)i是根據(jù)NLOS誤差分布參數(shù)計(jì)算出的NLOS誤差的均值；ni是系統(tǒng)在LOS環(huán)境下的TOA時(shí)延估計(jì)誤差，是零均值正態(tài)分布的隨機(jī)變量。判斷TOAi是否包含NLOS誤差的方法是對(duì)第i個(gè)輻射源進(jìn)行NLOS識(shí)別，這里的識(shí)別方法是公知技術(shù)，可以在多種識(shí)別方法中任意選擇一種，例如可以利用從該輻射源獲取的一組功率時(shí)延分布中挑選出一組最強(qiáng)徑的樣本離散系數(shù)的大小實(shí)現(xiàn)NLOS識(shí)別，也可以利用從第i個(gè)輻射源獲取的單個(gè)或多個(gè)功率時(shí)延分布上的徑間功率差或幅度差實(shí)現(xiàn)NLOS識(shí)別。
步驟103的子步驟302，進(jìn)行TOAi中NLOS誤差的均值的估計(jì)。
首先，根據(jù)步驟301的NLOS識(shí)別結(jié)果，從包含NLOS誤差的TOAi對(duì)應(yīng)的信道的一組功率時(shí)延分布中獲取NLOS誤差的分布參數(shù)，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，既可以采用公式(1)，也可以采用公式(2)來(lái)完成NLOS誤差分布參數(shù)pi的估計(jì)。
然后，利用NLOS誤差分布參數(shù)pi以及TOAi中NLOS誤差的分布形式，計(jì)算出NLOS誤差的均值。
離散形式的TOAi中NLOS誤差為幾何分布，其均值可以利用pi和公式(10)表示的離散形式的TOAi中NLOS誤差δ(s)i的概率密度函數(shù)直接得到。
公式(10)中的δ(s)i表示系統(tǒng)采樣的樣點(diǎn)數(shù)，該樣點(diǎn)數(shù)和樣點(diǎn)間隔的乘積就是NLOS誤差，其量綱為時(shí)間，pi是幾何分布的分布參數(shù)。
連續(xù)形式的TOAi的NLOS誤差服從單邊指數(shù)分布，其均值可以利用pi和公式(4)，求出連續(xù)形式的TOAi中的NLOS誤差的分布參數(shù)θi，然后利用θi和公式(11)表示的連續(xù)形式的TOAi的NLOS誤差δi的概率密度函數(shù)求出NLOS誤差的均值。
公式(11)中的δi表示連續(xù)取值的NLOS誤差，θi是分布參數(shù)。
步驟103的子步驟303，利用步驟302獲取的NLOS誤差的均值μ(n)i，按照公式(12)進(jìn)行TOAi中NLOS誤差的零均值矯正。
TOAi(nlos_miti)=TOAi-μ(n)i=TOA(los)i(O)+n(n)i+ni---(12)]]>在公式(12)中，TOAi(nlos_miti)表示進(jìn)行NLOS誤差零均值矯正后的TOA測(cè)量量；n(n)i為T(mén)OAi的矯正殘差；ni為時(shí)延估計(jì)誤差。
步驟104，利用由NLOS誤差分布參數(shù)求出的NLOS誤差的方差對(duì)加權(quán)最小二乘估計(jì)中的加權(quán)矩陣中的元素進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。
其中，加權(quán)矩陣的自適應(yīng)調(diào)整如圖4所示，進(jìn)一步包括子步驟401、402和403步驟104的子步驟401，確定加權(quán)矩陣的形式，本發(fā)明采用公式(13)作為T(mén)OA最小二乘估計(jì)的加權(quán)矩陣。
Q(r)=Q(l)+Q(n)=σ1200·00σ220·000σ32·0·····000·σM2+σ(n)1200·00σ(n)220·000σ(n)32·0·····000·σ(n)M2---(13)]]>其中，Q(l)=σ1200·00σ220·000σ32·0·····000·σM2---(14)]]>Q(l)為L(zhǎng)OS環(huán)境下TOA的時(shí)延估計(jì)誤差N＝[n1n2…nM]T的協(xié)方差矩陣，N為M維矢量，N的均值為零，N的協(xié)方差矩陣Q(l)為M×M維對(duì)稱(chēng)矩陣。σi2為L(zhǎng)OS環(huán)境下TOA時(shí)延估計(jì)誤差的協(xié)方差。
Q(n)=σ(n)1200·00σ(n)220·000σ(n)32·0·····000·σ(n)M2---(15)]]>Q(n)為零均值矯正后的NLOS誤差n(n)i構(gòu)成的M維矢量N(n)＝[n(n)1n(n)2…n(n)M]T的協(xié)方差矩陣，N(n)的均值為零，Q(n)為M×M維對(duì)稱(chēng)矩陣。
步驟104的子步驟402，根據(jù)NLOS識(shí)別結(jié)果確定加權(quán)矩陣中需要調(diào)整的元素。這一步驟直接利用步驟401的結(jié)果，只要構(gòu)成TOAi的第i個(gè)輻射源相應(yīng)的信道包含NLOS誤差，就要對(duì)加權(quán)矩陣中對(duì)應(yīng)的元素，即加權(quán)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。例如，經(jīng)過(guò)NLOS識(shí)別，確定第1個(gè)輻射源對(duì)應(yīng)的信道為L(zhǎng)OS信道，則公式(13)中的Q(n)包含σ(n)12的元素需要進(jìn)行調(diào)整，即σ(n)12取零值。
步驟104的子步驟403，確定加權(quán)矩陣中需要調(diào)整的元素的取值。
首先，確定矩陣Q(l)中各個(gè)元素的取值，即公式(14)中的σi2的取值?？梢酝ㄟ^(guò)LOS信道環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行TOA測(cè)量誤差的統(tǒng)計(jì)來(lái)近似得到σi2，也可以通過(guò)系統(tǒng)仿真來(lái)近似得到σi2，還可以通過(guò)TDOA測(cè)量誤差的統(tǒng)計(jì)來(lái)近似得到σi，j2，然后利用σi2=12σi,j2]]>來(lái)確定σi2。
然后，確定矩陣Q(n)中各個(gè)元素的取值。在這里可以利用步驟103求取的pi和公式(10)表示的TOAi的NLOS誤差δ(s)i的概率密度函數(shù)求出σ(n)i2，也可以利用步驟103求取的pi和公式(4)求出θi，然后再利用求出的θi和公式(11)表示的TOAi中NLOS誤差δi的概率密度函數(shù)求出σ(n)i2。TOA1的NLOS誤差的方差采用從主基站獲取的分布參數(shù)p1進(jìn)行計(jì)算，具體步驟與TOAi的方差的計(jì)算方法相同。
步驟105，進(jìn)行加權(quán)最小二乘估計(jì)，得到一組初步抑制了NLOS誤差影響的移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)值。
在測(cè)量到大于3個(gè)的多個(gè)基站的TDOA時(shí)，將利用步驟102獲取的一個(gè)TOA1和多個(gè)TOAi(i＝2，3，...，M M≥4)代入公式(8)構(gòu)造一個(gè)非線性方程組，通過(guò)引入中間變量d1＝(x-x1)2+(y-y1)2和利用加權(quán)最小二乘估計(jì)求解這個(gè)非線性方程組，就可以獲得移動(dòng)臺(tái)的位置坐標(biāo)(x，y)。為了使M大于等于4時(shí)得到的方程組(8)的求解過(guò)程具有NLOS誤差抑制能力，在利用加權(quán)最小二乘估計(jì)求解這個(gè)非線性方程組時(shí)，用步驟104確定的Q(r)替換方程組(8)的估計(jì)誤差的協(xié)方差矩陣。這樣得到的位置估計(jì)值較好地抑制了GDOP誤差和NLOS誤差。
步驟106，通過(guò)對(duì)步驟105獲取的一組移動(dòng)臺(tái)位置值進(jìn)行平均，進(jìn)一步抑制NLOS誤差對(duì)位置估計(jì)精度的影響。也就是，首先通過(guò)步驟105，在諸如幾秒的短時(shí)間間隔內(nèi)，獲取多個(gè)在獨(dú)立TOA測(cè)量的基礎(chǔ)上輸出的位置估計(jì)值，然后對(duì)這些位置估計(jì)值(坐標(biāo)分量)進(jìn)行平均，得到一個(gè)位置坐標(biāo)。
這一步利用按照公式(12)進(jìn)行零均值矯正后的TOA測(cè)量值的NLOS誤差的均值為零的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)步驟105獲取的多個(gè)位置估計(jì)結(jié)果進(jìn)行平均，進(jìn)一步抑制NLOS誤差矯正殘差對(duì)位置估計(jì)精度的影響，降低了位置估計(jì)誤差的方差。
上述只是對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明，并不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種位置估計(jì)方法，先測(cè)量定位請(qǐng)求涉及的主基站和兩個(gè)鄰基站之間的到達(dá)時(shí)間差(TDOA)，其特征是，該方法進(jìn)一步包括a.利用由非視距(NLOS)誤差分布參數(shù)求出的NLOS誤差均值對(duì)TDOA測(cè)量量中的NLOS誤差進(jìn)行零均值矯正，并根據(jù)矯正后的TDOA測(cè)量量估計(jì)移動(dòng)臺(tái)到主基站的到達(dá)時(shí)間(TOA)，然后利用所述移動(dòng)臺(tái)到主基站的TOA和系統(tǒng)測(cè)量得到的移動(dòng)臺(tái)到鄰基站的TDOA計(jì)算移動(dòng)臺(tái)到鄰基站的TOA；b.利用由NLOS誤差分布參數(shù)求出的NLOS誤差均值對(duì)移動(dòng)臺(tái)到主基站和移動(dòng)臺(tái)到鄰基站的TOA中的NLOS誤差進(jìn)行零均值矯正；c.利用由NLOS誤差分布參數(shù)求出的NLOS誤差方差對(duì)TOA位置估計(jì)中的加權(quán)矩陣進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，并用調(diào)整后的加權(quán)矩陣對(duì)移動(dòng)臺(tái)的位置進(jìn)行加權(quán)最小二乘估計(jì)，得到移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置估計(jì)方法，其特征是，重復(fù)所述步驟a至步驟c，得到大于1個(gè)的移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)值，對(duì)所述大于1個(gè)的移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)值進(jìn)行平均，得到最終的移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的位置估計(jì)方法，其特征是步驟a進(jìn)一步包括a1.通過(guò)NLOS識(shí)別確定需要進(jìn)行零均值矯正的TDOA測(cè)量量，并利用NLOS誤差分布參數(shù)確定TDOA測(cè)量量中NLOS誤差的均值；a2.根據(jù)步驟a1確定的NLOS誤差均值對(duì)TDOA測(cè)量量中的NLOS誤差進(jìn)行零均值矯正；a3.根據(jù)步驟a2矯正后所得的TDOA測(cè)量量計(jì)算移動(dòng)臺(tái)到主基站的TOA，再根據(jù)計(jì)算出的移動(dòng)臺(tái)到主基站的TOA值計(jì)算移動(dòng)臺(tái)到每個(gè)鄰基站的TOA。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的位置估計(jì)方法，其特征是，在步驟a3中進(jìn)一步包括如下步驟在計(jì)算主基站的TOA之后再進(jìn)行大于1次的計(jì)算，根據(jù)得到的大于1個(gè)的TOA值的平均值計(jì)算各個(gè)鄰基站的TOA值。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的位置估計(jì)方法，其特征是步驟b進(jìn)一步包括b1.通過(guò)NLOS識(shí)別確定由步驟a3求出的、需要進(jìn)行零均值矯正的主基站和鄰基站的TOA值，并利用NLOS誤差分布參數(shù)確定由步驟a3求出的、需要進(jìn)行零均值矯正的主基站和鄰基站的TOA值中NLOS誤差的均值；b2.對(duì)所述由步驟a3求出的、需要進(jìn)行零均值矯正的主基站和鄰基站的TOA值中的NLOS誤差的均值進(jìn)行零均值矯正。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的位置估計(jì)方法，其特征是，所述NLOS識(shí)別利用從輻射源獲取的功率時(shí)延分布中選擇一組最強(qiáng)徑的樣本離散系數(shù)的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的位置估計(jì)方法，其特征是，所述NLOS識(shí)別利用從輻射源獲取的功率時(shí)延分布上的徑間功率差或者徑間幅度差來(lái)實(shí)現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的位置估計(jì)方法，其特征是步驟c進(jìn)一步包括c1.通過(guò)將矩陣的主對(duì)角線元素設(shè)置為視距(LOS)環(huán)境下TOA時(shí)延估計(jì)誤差的協(xié)方差和TOA的矯正殘差的協(xié)方差之和的方式確定加權(quán)矩陣形式；c2.將包含NLOS誤差的每個(gè)計(jì)算TOA的信道所對(duì)應(yīng)的TOA的矯正殘差的協(xié)方差值設(shè)為零；c3.通過(guò)LOS信道環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行TOA測(cè)量估計(jì)，或通過(guò)系統(tǒng)仿真，或通過(guò)TDOA測(cè)量誤差統(tǒng)計(jì)的方式確定步驟c1的加權(quán)矩陣中需要調(diào)整的LOS環(huán)境下TOA時(shí)延估計(jì)誤差的協(xié)方差；判斷TOA包含的NLOS誤差為離散形式還是連續(xù)形式，如果是離散形式，則通過(guò)NLOS誤差分布參數(shù)和TOA中的離散形NLOS誤差的概率密度函數(shù)確定步驟c1的加權(quán)矩陣中需要調(diào)整的TOA矯正殘差的協(xié)方差；如果為連續(xù)形式，則通過(guò)NLOS誤差分布參數(shù)得到TDOA的連續(xù)形NLOS誤差的概率密度函數(shù)，然后通過(guò)TDOA的連續(xù)形NLOS誤差的概率密度函數(shù)得到TOA的連續(xù)形NLOS誤差的概率密度函數(shù)確定步驟c1加權(quán)矩陣中需要調(diào)整的TOA矯正殘差的協(xié)方差。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的位置估計(jì)方法，其特征是，在步驟a中通過(guò)GDOP最小準(zhǔn)則或者存在LOS信道準(zhǔn)則確定TDOA測(cè)量量。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種位置估計(jì)方法，包括先測(cè)量定位請(qǐng)求涉及的主基站和兩個(gè)鄰基站之間的到達(dá)時(shí)間差(TDOA)；利用由非視距(NLOS)誤差分布參數(shù)求出的NLOS誤差均值對(duì)TDOA測(cè)量量中的NLOS誤差進(jìn)行零均值矯正，并據(jù)此估計(jì)移動(dòng)臺(tái)到主基站的到達(dá)時(shí)間(TOA)和計(jì)算移動(dòng)臺(tái)到鄰基站的TOA；利用NLOS誤差均值對(duì)移動(dòng)臺(tái)到主基站和移動(dòng)臺(tái)到鄰基站的TOA中的NLOS誤差進(jìn)行零均值矯正；利用NLOS誤差方差對(duì)TOA位置估計(jì)中的加權(quán)矩陣進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，并用調(diào)整后的加權(quán)矩陣進(jìn)行加權(quán)最小二乘估計(jì)，得到移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)值。使用本發(fā)明可以極大地抑制NLOS誤差和GDOP的影響，明顯地提高位置估計(jì)的精度。
文檔編號(hào)H04W64/00GK1499874SQ0214931
公開(kāi)日2004年5月26日 申請(qǐng)日期2002年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月7日
發(fā)明者刁心璽 申請(qǐng)人:華為技術(shù)有限公司