專利名稱：一種基于迭代的最小二乘定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)移動(dòng)站可靠定位的方法，屬于無(wú)線電定位技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在測(cè)量噪聲假定為零均值高斯分布和方差已知的情形下，為迭代求解非線性定位方程,1976年Foy給出了一種通用的基于泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)技術(shù)的定位方法(稱Taylor法)(ff. H. Foy,^Position-Location Solutions by Taylor Series Estimation, ' IEEE Trans,on Aerosp. Electron, Systems, 1976, AES-12 (2) :187-194.) 利用 Taylor 法的通用性，可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)TOA、TDOA和AOA等測(cè)量值的混合定位，若引入測(cè)量時(shí)間史，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)作跟蹤定位；而且目標(biāo)的速度、位置等估計(jì)值的統(tǒng)計(jì)性能，也能方便的計(jì)算得到。為抑制NLOS偏差的影響，1999年Chen給出了一種基于T0A(到達(dá)時(shí)延)體制的 殘差倒數(shù)加權(quán)定位方法(Rwgh 法)(P.-C. Chen,“A non-line-of-sight error mitigationalgorithm in location estimation, ” in Proc. IEEE Wireless CommunicationsNetworking Conference,vol. I,pp. 316-320,1999.)。一般來(lái)說(shuō)，在最小二乘(LS)意義下，發(fā)生NLOS的基站一般會(huì)存在相對(duì)較大的殘差(但并非總是滿足，因而屬不能證明的命題)。Rwgh法以殘差作為NLOS度量，通過(guò)求解不同的基站組合下的非線性LS位置估計(jì)，計(jì)算其組合內(nèi)的殘差，并以該殘差的倒數(shù)對(duì)該組合位置估計(jì)進(jìn)行加權(quán)，以抑制NLOS效應(yīng)，得到最終估計(jì)。在各種測(cè)量值下，如T0A、TD0A (到達(dá)時(shí)延差)和AOA (到達(dá)角)等，Rwgh法的優(yōu)勢(shì)在于，它總是能給出一個(gè)殘差度量下的估計(jì)值，并且該估計(jì)值具有一定的NLOS抑制能力。Taylor法和Rwgh法都可直接單獨(dú)應(yīng)用于T0A、TD0A和AOA體制下的定位求解，其差異僅僅是形式上稍有不同。但由于Taylor法需要一個(gè)較好的初始解，才能保證算法的收斂，并且其要求的條件“測(cè)量噪聲方差已知”在實(shí)際定位系統(tǒng)中往往難以滿足。而Rwgh法由于其不同組合求解時(shí)采用非線性LS，直接求解時(shí)需用到搜索可行域的最優(yōu)化技術(shù)，計(jì)算量相對(duì)較大，而且目標(biāo)函數(shù)可能僅收斂到局部最優(yōu)解。從而，Taylor法(為與后述殘差Taylor法以示區(qū)別，簡(jiǎn)作TQ法)和Rwgh法的單獨(dú)直接應(yīng)用，都受到了很大的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)定位誤差大的問(wèn)題，提供一種基于迭代的最小二乘定位方法。本發(fā)明方法將Rwgh法作科學(xué)合理的簡(jiǎn)化(即3BS2法)，以為Taylor法提供一個(gè)足夠好的初始值，并利用殘差信息輔助方差信息修正Taylor法(即殘差Taylor法，簡(jiǎn)稱TR法)，從而得到一種新的具有NLOS抑制能力的迭代最小二乘定位方法(即TR3BS2法)，在蜂窩系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高效可靠定位。所述TR3BS2法是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的步驟一、對(duì)蜂窩基站數(shù)據(jù)進(jìn)行分組。
參與移動(dòng)站定位且位置已知的蜂窩基站數(shù)量為M個(gè)(M彡3)，其中服務(wù)基站為BS1,其它各蜂窩基站以BSm表示，其中2 < m < M ;以BS1作為定位參考點(diǎn)，設(shè)置BS1位置坐標(biāo)為二維列向量X1=U1, yi)T=(0, 0)T,上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算；第m個(gè)基站的位置坐標(biāo)為已知向量
Xm= (Xm，ym) T。利用服務(wù)基站BS1接收移動(dòng)站信號(hào)的到達(dá)時(shí)延為T1，第m個(gè)基站接收到的來(lái)自移動(dòng)站的信號(hào)的到達(dá)時(shí)延為Tm，然后將所有\(zhòng)分別與T1作差，獲得其余M-I個(gè)蜂窩基站相對(duì)于服務(wù)基站BS1的M-I個(gè)TDOA數(shù)據(jù)^丨，即-J21=C(T2-T1)，^1=CCr3-T1),，^ml=C(Tm-T1),…，Pm = c(tm — T1)，其中 c 為電波信號(hào)傳播速度。在所獲得的M-I個(gè)TDOA數(shù)據(jù)中，任取其中3個(gè)TDOA數(shù)據(jù)作為一個(gè)組合，將該組合中TDOA數(shù)據(jù)的下標(biāo)首位作為集合Sk，共有N個(gè)滿足該條件的集合Sk，I彡k彡N，# = C3m^。
步驟二、對(duì)步驟一得到的分組數(shù)據(jù)進(jìn)行中間估計(jì)。對(duì)N個(gè)下標(biāo)首位集合Sk所對(duì)應(yīng)的TDOA數(shù)據(jù)利用球面相交(SSI)技術(shù)分別進(jìn)行單次SSI-LS估計(jì)，得到N個(gè)中間估計(jì)值七=SSI-LS(Sk) o步驟三、利用步驟二得到的中間估計(jì)值^計(jì)算殘差，得到相應(yīng)的權(quán)值。對(duì)每個(gè)Sk的中間估計(jì)值求全集殘差J(Xk)=J^Jm(Xk)
m=2=f；-X I —It-X1I)]2;'
m=2得到N個(gè)全集殘差，然后對(duì)其求倒，得到相應(yīng)的權(quán)值Wk wk = \ Vk.
Ax,t。步驟四、對(duì)中間估計(jì)值^做歸一化加權(quán)，得到該移動(dòng)站的3BS2估計(jì)值。對(duì)步驟二獲得的中間估計(jì)值&以步驟三得到的相應(yīng)的權(quán)值Wk加權(quán)，并作歸一化處理,得到移動(dòng)站的位置(x，y)的估計(jì)值^ (xMS2,y3KS2)1脆=氣-
。
k=\步驟五、將位置估計(jì)值X、^乍為初始值代入殘差Taylor法，并通過(guò)迭代得到最終位置估計(jì)值。所述殘差Taylor法為步驟5. I，將位置估計(jì)值作為初始值，計(jì)算定位誤差^ =(GfW-iGr)-1GfW^
權(quán)利要求
1.一種基于迭代的最小ニ乘定位方法，其特征在于包括如下步驟 步驟一、對(duì)蜂窩基站數(shù)據(jù)進(jìn)行分組； 參與移動(dòng)站定位且位置已知的蜂窩基站數(shù)量為M個(gè)，M ^ 3，其中服務(wù)基站為BS1，其它各蜂窩基站以BSm表示，2 < m < M ;以BS1作為定位參考點(diǎn)，設(shè)置BS1位置坐標(biāo)為ニ維列向量X1=U1, Y1)1= (0, 0)T ;第m個(gè)基站的位置坐標(biāo)為已知向量Xm= (xm, ym)T ； 利用服務(wù)基站BS1接收移動(dòng)站信號(hào)的到達(dá)時(shí)延為T i，第m個(gè)基站接收到的來(lái)自移動(dòng)站的信號(hào)的到達(dá)時(shí)延為Tm，將所有Tm分別與T1作差，獲得其余M-I個(gè)蜂窩基站相對(duì)于服務(wù)基站BS1的M-I個(gè)TDOA數(shù)據(jù)Pml; 從M-I個(gè)TDOA數(shù)據(jù)中，任取其中3個(gè)TDOA數(shù)據(jù)作為ー個(gè)組合，將該組合中TDOA數(shù)據(jù)的下標(biāo)首位作為集合Sk，共有N個(gè)滿足該條件的集合Sk，I彡k彡N，= C^1; 步驟ニ、對(duì)步驟一得到的分組數(shù)據(jù)進(jìn)行中間估計(jì)； 對(duì)N個(gè)下標(biāo)首位集合Sk所對(duì)應(yīng)的TDOA數(shù)據(jù)利用球面相交技術(shù)分別進(jìn)行單次SSI-LS估計(jì)，得到N個(gè)中間估計(jì)值=SSI-LS(Sk). 步驟三、利用步驟ニ得到的中間估計(jì)值、計(jì)算殘差，得到相應(yīng)的權(quán)值； 對(duì)每個(gè)Sk的中間估計(jì)值ち求全集殘差 A り=ix (又) m—2 =H -x,； I-I^l-xJI)]2) m=2 得到N個(gè)全集殘差，對(duì)其求倒，得到相應(yīng)的權(quán)值Wk wk =——；~ Vk , 步驟四、對(duì)中間估計(jì)值I做歸ー化加權(quán)，得到該移動(dòng)站的3BS2估計(jì)值； 對(duì)步驟ニ獲得的中間估計(jì)值ん以步驟三得到的相應(yīng)的權(quán)值Wk加權(quán)，并作歸一化處理，得到移動(dòng)站的位置(X，y)的估計(jì)值んS2 (ズ逝2，ル《2) xWSl — ~ k=l 步驟五、將位置估計(jì)值作為初始值代入殘差Taylor法，并通過(guò)迭代得到最終位置估計(jì)值； 所述殘差Taylor法為 步驟5. I，將位置估計(jì)值作為初始值，計(jì)算定位誤差 h = (GfW1Gf T1GfW-1Hf _Aタ」W=Q F 其中，W為M-I維加權(quán)矩陣，符號(hào) 為矩陣乘積；Q為M-I維噪聲協(xié)方差矩陣；F為M-I維殘差向量構(gòu)成的對(duì)角方陣
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種基于迭代的最小ニ乘定位方法，其特征在于 M-I維加權(quán)矩陣W的另ー種計(jì)算方法為W=Q O F 其中，Q為M-I維噪聲協(xié)方差矩陣和F為M-I維殘差對(duì)角陣，符號(hào)O為元素乘積。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種基于迭代的最小ニ乘定位方法，其特征在干Cl = c{tm —11)，其中c為電波信號(hào)傳播速度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于迭代的最小二乘定位方法，具體涉及一種在蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)移動(dòng)站可靠定位的方法，屬于無(wú)線電定位技術(shù)領(lǐng)域。本方法首先對(duì)蜂窩基站數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，再利用球面相交(SSI)技術(shù)分別進(jìn)行單次SSI-LS估計(jì)，得到中間估計(jì)值，然后計(jì)算殘差，得到相應(yīng)的權(quán)值，并歸一化加權(quán)，得到移動(dòng)站的位置初始估計(jì)值，代入殘差Taylor法，通過(guò)迭代得到最終位置估計(jì)值。本發(fā)明方法經(jīng)殘差Taylor法的迭代求解，能提升抗NLOS能力；能夠?qū)崿F(xiàn)在蜂窩通信系統(tǒng)中可靠的移動(dòng)站定位功能以及較強(qiáng)的抗NLOS能力。
文檔編號(hào)H04W4/02GK102811419SQ20121022999
公開(kāi)日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月4日
發(fā)明者江成能, 劉珩, 盧繼華, 卜祥元 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)