專利名稱：一種環(huán)境自適應(yīng)的多目標(biāo)直接定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線定位技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用無線通信設(shè)施進(jìn)行無線定位的方法。
背景技術(shù)：
無線定位技術(shù)在搜索救援、智能交通、物流管理、地質(zhì)勘探和國土開發(fā)、航海/航空導(dǎo)航等諸多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。如今在軍事行動(dòng)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，具有空間位置特性的地理信息發(fā)揮著越來越重要的作用，高精度的無線定位技術(shù)也越來越受到廣泛關(guān)注。在眾多無線定位系統(tǒng)中，最著名的是把無線電發(fā)射源設(shè)置在各種軌道衛(wèi)星上的定位系統(tǒng)，例如美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)、歐洲的伽利略(Galileo)系統(tǒng)、俄羅斯的GL0NASS系統(tǒng)以及我國的“北斗”定位系統(tǒng)等，憑借著廣域覆蓋的巨大優(yōu)勢，將無線電定位技術(shù)發(fā)展到一個(gè)新的高度。盡管衛(wèi)星定位技術(shù)已經(jīng)在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)方面得到廣泛應(yīng)用，但是在應(yīng)用領(lǐng)域由于受到各種接收誤差的影響，需要通過其它輔助手段(例如建立差分基準(zhǔn)站)才能達(dá)到所需的定位精度要求；同時(shí)在接收信號(hào)受到物理遮擋的情況下常常無法完成導(dǎo)航任務(wù)。因此，利用現(xiàn)有和即將建設(shè)的龐大的民用無線通信設(shè)施進(jìn)行無線定位，不僅可以彌補(bǔ)衛(wèi)星定位系統(tǒng)的不足，而且可以作為無線通信高附加值的服務(wù)。尤其是在美國聯(lián)邦通信委員會(huì)頒布了 E911 (Emergency call 911)強(qiáng)制性定位要求后,加上巨大市場利潤的驅(qū)動(dòng)，國內(nèi)外出現(xiàn)了研究移動(dòng)通信系統(tǒng)終端定位技術(shù)的熱潮。受衛(wèi)星定位系統(tǒng)的影響，當(dāng)前利用民用通信設(shè)施的定位方法絕大多數(shù)采用兩步定位模式(如圖2所示)，即首先估計(jì)接收信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)特征參數(shù)(如信號(hào)強(qiáng)度(RSS)Jf號(hào)到達(dá)時(shí)間(T0A)、信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(TDOA)和信號(hào)到達(dá)角度(AOA)等)，再根據(jù)這些參數(shù)估計(jì)出移動(dòng)終端的位置。此類定位模式的定位精度取決于第一步參數(shù)估計(jì)的精度和第二步位置解算算法的性能。在兩步定位模式下，眾多研究一直試圖從提高參數(shù)估計(jì)精度和增強(qiáng)定位算法性能兩個(gè)角度提出改進(jìn)方案，以達(dá)到改善最終定位性能的目的。但不同于衛(wèi)星定位系統(tǒng)，無線通信網(wǎng)絡(luò)不是專門為定位設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其特征參數(shù)測量和估計(jì)是在完成通信功能的同時(shí)進(jìn)行的，而且在信號(hào)格式上一般也沒有為定位目的專門設(shè)計(jì)的定位信息域，難以保證特征參數(shù)測量精度，其誤差不僅影響定位參數(shù)的估計(jì)精度，而且會(huì)傳遞到第二步位置解算階段，引起更大誤差。盡管已有大量關(guān)于參數(shù)估計(jì)的論文發(fā)表，但因?yàn)閷?shí)際環(huán)境的復(fù)雜性和隨機(jī)性，目前還沒有在所有環(huán)境下都能進(jìn)行高精度參數(shù)估計(jì)的一般方法。而且涉及到多目標(biāo)定位時(shí)，存在著數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)難題。直接定位方法(Direct Position Determination,DPD)是無線定位領(lǐng)域近幾年發(fā)展起來的一種定位新模式(如圖3所示)，該方法突破了傳統(tǒng)兩步定位方法的局限，將特征參數(shù)檢測和定位融為一體，直接利用信號(hào)波形進(jìn)行定位，無需專門的參數(shù)估計(jì)過程。目前最著名的直接定位方法是Weiss等人提出的格點(diǎn)搜索直接定位方法，可稱為GDH)方法(Weiss’A.J.and A.Amar, “Direct position determination of multiple radio signals, ”EURASIP Journal on Applied Signal Processing, vol.2005, n0.1, 37-49，2005.)。該方法依據(jù)最小二乘原則建立目標(biāo)函數(shù)，通過求解該函數(shù)的最小值即可得到移動(dòng)終端的位置估計(jì)。由于這是一個(gè)多維優(yōu)化問題，直接求解計(jì)算復(fù)雜度很高。為了方便計(jì)算，Weiss等人將定位區(qū)域劃分成若干個(gè)格點(diǎn)，將每個(gè)格點(diǎn)作為移動(dòng)終端可能的潛在位置，分別計(jì)算每個(gè)格點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值，其極值所對應(yīng)位置即為所求位置。由于這種直接定位方法不像兩步定位方法可以利用清晰的幾何關(guān)系，其計(jì)算量要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)兩步定位方法，尤其不適用于實(shí)時(shí)性要求較高的場合。而且該方法需要預(yù)先已知目標(biāo)個(gè)數(shù)，這在實(shí)際中往往較難得到。近年來，壓縮感知理論成為信號(hào)處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其獨(dú)特的思想也開始在無線定位領(lǐng)域中得到應(yīng)用。但現(xiàn)有基于壓縮感知的定位工作絕大部分針對兩步定位模式，目前僅專利申請書(申請?zhí)枮镃N2011104003679)中提出利用格點(diǎn)處信號(hào)構(gòu)成冗余字典，實(shí)現(xiàn)稀疏基的直接定位，可稱為SDH)方法。但該方法忽略了實(shí)際信道時(shí)變特性的影響，因此在實(shí)際環(huán)境中該方法的定位精度會(huì)有顯著下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，利用兩步字典學(xué)習(xí)技術(shù)，提出一種環(huán)境自適應(yīng)的多目標(biāo)直接定位方法，不僅從根本上解決時(shí)變因素對直接定位方法的影響，而且能夠根據(jù)環(huán)境的動(dòng)態(tài)改變自適應(yīng)地做出調(diào)整，達(dá)到提高Dro定位精度，促進(jìn)直接定位模式的實(shí)用化的目的。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案是:一種環(huán)境自適應(yīng)的直接定位方法，包括如下步驟:I)定位請求 :假設(shè)共有L個(gè)待定位的移動(dòng)終端，其位置未知，記為P1=Oc1, Y1)，1=1,…，L ；N個(gè)已知位置的基站位于qn=(xn, yn), n=l,…，N,每個(gè)基站均裝有含M陣元的陣列天線；移動(dòng)終端向參考基站發(fā)出定位請求，各參考基站分別接收移動(dòng)終端發(fā)出的信號(hào)，并將信號(hào)匯集到定位中心；定位中心將基站所圍成的定位區(qū)域劃分為K個(gè)格點(diǎn)(格點(diǎn)位置已知)，此處可以根據(jù)需要進(jìn)行均勻劃分或者非均勻劃分，并將格點(diǎn)坐標(biāo)組成集合
Q = {pf,…,PD ;由于在某一特定時(shí)刻移動(dòng)終端所在的位置在空間域上是唯一的，也即移
動(dòng)終端只在其中的一個(gè)格點(diǎn)處(或其附近)，因此一旦定位區(qū)域內(nèi)的格點(diǎn)位置劃定，移動(dòng)終端在空間上的位置可精確地用一個(gè)索引向量Q=H1，…，eK]T表示，其中移動(dòng)終端所在格點(diǎn)處的索引分量Q i, i e {1，…，K}為正(比如記為I),而其他格點(diǎn)所對應(yīng)索引值記為O。由于移動(dòng)終端數(shù)量一般遠(yuǎn)小于格點(diǎn)數(shù)量，如此一來，定位問題可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐罁?jù)接收信號(hào)判斷稀疏向量中非零值所在位置的問題；2)建立理想字典:在忽略信道變化的情況下，在第n個(gè)基站上接收到的第I個(gè)移動(dòng)終端發(fā)出的信號(hào)可以表示為:rn(t) =an(px) S1 (t- x n(px)) +vn(t)(I)其中Sl (t)表示第I個(gè)移動(dòng)終端發(fā)出的信號(hào)波形，一般采用訓(xùn)練序列或同步序列等已知信號(hào)波形，并且所有移動(dòng)終端采用相同信號(hào)波形；an(Pl)是第n個(gè)基站的天線陣列響應(yīng)，當(dāng)天線孔徑遠(yuǎn)小于移動(dòng)終端到天線的距離時(shí)，an(P1)僅僅是AOA的函數(shù)；Tn(P1)表示電磁波從第I個(gè)移動(dòng)終端到第n個(gè)基站所經(jīng)歷的時(shí)延；vn(t)表示噪聲矢量；下面考慮忽略掉噪聲影響的理想情況，假設(shè)第i個(gè)格點(diǎn)處存在一個(gè)移動(dòng)終端，則在第n個(gè)基站上理想接收信號(hào)可以表示為
權(quán)利要求
1.種環(huán)境自適應(yīng)的多目標(biāo)直接定位方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 1)移動(dòng)終端向參考基站發(fā)出定位請求，各參考基站分別接收移動(dòng)終端發(fā)出的信號(hào)，并將信號(hào)匯集到定位中心； 2)定位中心對參考基站所圍成的定位區(qū)域采用均勻或非均勻劃分方法劃分為K個(gè)格點(diǎn)，并將格點(diǎn)坐標(biāo)組成集合U =丨Pf,…,P〗};利用基站和格點(diǎn)坐標(biāo)，依據(jù)確定的幾何關(guān)系建立理想字典； 3)離線字典學(xué)習(xí):根據(jù)得到的采樣點(diǎn)，對理想字典進(jìn)行學(xué)習(xí)，這一步采用交替學(xué)習(xí)方式，即稀疏恢復(fù)和字典更新交替進(jìn)行； 4)在線字典學(xué)習(xí):在離線學(xué)習(xí)字典的基礎(chǔ)上，再通過增量學(xué)習(xí)方法，根據(jù)最新數(shù)據(jù)不斷調(diào)整字典和稀疏矢量e ;稀疏矢量e中非零值位置所對應(yīng)的格點(diǎn)位置就是要估計(jì)的移動(dòng)終端位置，非零值 的個(gè)數(shù)即為目標(biāo)個(gè)數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種環(huán)境自適應(yīng)的多目標(biāo)直接定位方法。該方法由定位中心首先對定位區(qū)域進(jìn)行格點(diǎn)劃分，并將格點(diǎn)坐標(biāo)組成集合；然后根據(jù)已知的基站和格點(diǎn)坐標(biāo)預(yù)先建立理想字典；接著定位中心根據(jù)各基站所收到的移動(dòng)終端發(fā)出信號(hào)，利用離線和在線兩步字典學(xué)習(xí)方法對理想字典進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使之適應(yīng)信號(hào)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而對稀疏信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，所得稀疏向量中非零值所對應(yīng)格點(diǎn)位置即為所求移動(dòng)終端位置，非零值個(gè)數(shù)即為待定位目標(biāo)個(gè)數(shù)。本發(fā)明的方法不僅無需進(jìn)行信號(hào)時(shí)延、角度、強(qiáng)度等特征參數(shù)估計(jì)，而且由于采用兩步字典學(xué)習(xí)方式能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)環(huán)境的變化，可以獲得更高的定位精度，同時(shí)該方法無需預(yù)先已知待定位目標(biāo)個(gè)數(shù)。
文檔編號(hào)H04W64/00GK103096465SQ20131000981
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月11日
發(fā)明者柯煒, 張晗博, 殷奎喜 申請人:南京師范大學(xué)