一種基于測距誤差模型修正的無線定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于測距誤差模型修正的無線定位方法，包括以下步驟：1)布設(shè)錨節(jié)點，用錨節(jié)點相互測距定位，得出所屬環(huán)境下距離值的均值μ與方差σ，得到測距誤差模型ψ；2)在相同環(huán)境下重新布設(shè)錨節(jié)點、未知節(jié)點，未知節(jié)點和每一個錨節(jié)點間采用UWB信號進(jìn)行TOA測距，得到實測距離3)根據(jù)步驟1)得到的均值μ與方差σ，計算出誤差修正參數(shù)E1(ψ)；4)若待測節(jié)點的可通信節(jié)點數(shù)大于3，則修改由步驟2)測得的距離根據(jù)步驟3)得到的誤差修正參數(shù)E1(ψ)，計算得到修正后的距離5)利用定位算法計算修正后的未知節(jié)點坐標(biāo)。本發(fā)明從LOS和NLOS誤差分布模型角度出發(fā)，在整體精度、穩(wěn)定性及功耗方面更為優(yōu)異，應(yīng)用范圍廣，更具可行性。
【專利說明】一種基于測距誤差模型修正的無線定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線定位【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于測距誤差模型修正的無線定位 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加，人們對位置信息感知的需求也日益增 大。無線定位技術(shù)在軍事國防、消防安全、智能家居、工程機(jī)械、人員定位、以及環(huán)境監(jiān)測等 領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。
[0003] 目前無線定位技術(shù)研究主要分為兩大類：一種是基于測距定位技術(shù)，另一種是非 測距定位技術(shù)。相比而言，非測距的定位技術(shù)成本低、功耗小，但其定位精度不高，不能滿足 許多應(yīng)用領(lǐng)域中高精度要求。而基于測距的定位技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)施要求高、計算量和 通信開銷較大，但其定位精度高，如基于超寬帶（UWB，Ultra Wideband)的測距方法結(jié)合到 達(dá)時間（TOA, time of arrival)來計算收發(fā)兩端的距離，其定位精度理論上可提高至厘米 級。
[0004] 無線定位技術(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)中最為重要及直接的指標(biāo)是定位精度。實現(xiàn)無線定位或是 提高定位精度有許多種方式。例如，濾波的方法，通過修正濾波值和多次濾波來處理基于 Τ0Α的距離測量數(shù)據(jù)，改善定位效果；加權(quán)的方法，如運用bounding-box(包圍盒）算法和 加權(quán)的線性二乘估計處理存在的測距誤差；判定的方法，如根據(jù)NL0S (非視距，non-line of sight)鑒別結(jié)果分別對LOS (視距，Line of sight)條件和NL0S條件下的測距結(jié)果采取不 同的權(quán)重處理方法；循環(huán)迭代的方法，如根據(jù)非視距傳播（NL0S)環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 電波到達(dá)時間（Τ0Α)定位算法，對未知節(jié)點位置進(jìn)行初步估計，將該估計值作為初始迭代 參考點，利用泰勒級數(shù)展開法進(jìn)行迭代計算，得到未知節(jié)點位置的二次估計值。
[0005] 這類基于距離改進(jìn)算法的研究都是獨立地研究測距精度與定位精度，大多采用判 定、循環(huán)、加權(quán)等方法，從Τ0Α值、NL0S環(huán)境判別、節(jié)點信任度等方面來提高以上兩種精度。 測距精度與定位精度是密不可分的，測距的誤差在定位算法下存在對應(yīng)的定位誤差。目前 尚未對測距與定位的關(guān)系或者對基于測距的定位誤差模型做相應(yīng)的研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種操作簡單、功耗低、定位精度高的基于測 距誤差模型修正的無線定位方法。
[0007] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是包括以下步驟：
[0008] 1)布設(shè)錨節(jié)點，用錨節(jié)點相互測距定位，得出所屬環(huán)境下錨節(jié)點間相互測距距離 值的均值μ與方差σ，得到測距誤差模型ψ ;
[0009] 2)在相同環(huán)境下重新布設(shè)錨節(jié)點、未知節(jié)點，未知節(jié)點和每一個錨節(jié)點間采用 UWB信號進(jìn)行Τ0Α測距，得到實測距離j ;
[0010] 3)根據(jù)步驟1)得到的均值μ與方差σ，計算出誤差修正參數(shù)EiU);
[0011] 4)若待測節(jié)點的可通信節(jié)點數(shù)大于3,則修改由步驟2)測得的距離(?，根據(jù)步驟 3)得到的誤差修正參數(shù)Ei ( Ψ)，計算得到修正后的距離3 ;
[0012] 5)利用定位算法計算修正后的未知節(jié)點坐標(biāo)。
[0013] 相對于傳統(tǒng)定位方法，本發(fā)明的有益效果在于：
[0014] 1、本發(fā)明對于仍能檢測到直接路徑DP的NL0S環(huán)境，最大程度地減小了近20cm 定位誤差，定位誤差均值小于0. 25m，且誤差值非常穩(wěn)定，平均的定位精度比傳統(tǒng)的提高了 1. 03%;而對于無法檢測到DP的NL0S環(huán)境，最大程度地減小了 1. 5m定位誤差，定位誤差均 值小于0.6m，其誤差值也比較穩(wěn)定，平均的定位精度比傳統(tǒng)的提高了 3. 45%，在無法檢測 到DP的NL0S環(huán)境下用于提高定位精度更有必要且效果更佳，在整體精度、穩(wěn)定性及功耗方 面更為優(yōu)異，更具可行性。
[0015] 2、本發(fā)明從L0S和NL0S誤差分布模型角度出發(fā)，應(yīng)用范圍廣，具有普遍性，在誤差 統(tǒng)計特性已知的情況下具有良好的抗干擾性；
[0016] 3、本發(fā)明提出的無線定位方法不僅提高了定位精度，且與具有測距修正的算法比 較，擁有更好的魯棒性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的定位方法流程圖。
[0018] 圖2為本發(fā)明中UWB信道環(huán)境對應(yīng)的誤差模型及修正參數(shù)示意圖。
[0019] 圖3為本發(fā)明中極大似然估計法定位示意圖。
[0020] 圖4為本發(fā)明在仍能檢測到DP的NL0S環(huán)境與傳統(tǒng)算法的定位結(jié)果對比分析圖。
[0021] 圖5為本發(fā)明在無法檢測到DP的NL0S環(huán)境下與傳統(tǒng)算法的定位結(jié)果對比分析 圖。
[0022] 圖6為本發(fā)明與傳統(tǒng)算法的定位誤差均值對比分析圖。
[0023] 圖7為本發(fā)明與傳統(tǒng)算法的定位誤差方差對比分析圖。

【具體實施方式】
[0024] 為了更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的 說明。
[0025] 如圖1所示，本發(fā)明包括以下步驟：
[0026] 步驟一：布設(shè)錨節(jié)點，用錨節(jié)點相互測距定位，訓(xùn)練出所屬環(huán)境下錨節(jié)點間相互測 距距離值的均值μ與方差σ，得到測距誤差模型ψ。
[0027] 現(xiàn)有的基于Τ0Α估計的UWB測距誤差模型，即：
[0028]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于測距誤差模型修正的無線定位方法，包括以下步驟： 1) 布設(shè)錨節(jié)點，用錨節(jié)點相互測距定位，得出所屬環(huán)境下錨節(jié)點間相互測距距離值的 均值μ與方差σ，得到測距誤差模型Ψ ; 2) 在相同環(huán)境下重新布設(shè)錨節(jié)點、未知節(jié)點，未知節(jié)點和每一個錨節(jié)點間采用UWB信 號進(jìn)行ΤΟΑ測距，得到實測距離; 3) 根據(jù)步驟1)得到的均值μ與方差〇，計算出誤差修正參數(shù)E1(Ψ); 4) 若待測節(jié)點的可通信節(jié)點數(shù)大于3,則修改由步驟2)測得的距離<5，根據(jù)步驟3) 得到的誤差修正參數(shù)Ei ( Ψ)，計算得到修正后的距離3 ; 5) 利用定位算法計算修正后的未知節(jié)點坐標(biāo)。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于測距誤差模型修正的無線定位方法，其特征在于：所述步 驟1)中，在LOS環(huán)境下，DP相當(dāng)于最強(qiáng)路徑SP，其他多徑分量影響不明顯，在此環(huán)境下的測 距誤差模型為：
在NLOS環(huán)境下，此時仍能檢測到直接路徑DP，但是DP無法體現(xiàn)出明顯主徑的地位，在 此環(huán)境下的測距誤差模型為：
在無法檢測到DP的NLOS環(huán)境下，此環(huán)境下的測距誤差模型為：
其中LOS為視距，NLOS為非視距，DP為直接路徑，SP為最強(qiáng)路徑。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于測距誤差模型修正的無線定位方法，其特征在于：所述步 驟2)中，所布設(shè)錨節(jié)點的數(shù)量大于等于3,其中至少有三個錨節(jié)點不在同一直線上。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于測距誤差模型修正的無線定位方法，其特征在于：所述步 驟3)中，誤差修正參數(shù)E1( Ψ)的值為：
其中Φ (X)代表標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的分布函數(shù)。
5. 如權(quán)利要求4所述的基于測距誤差模型修正的無線定位方法，其特征在于：所述步 驟4)中，設(shè)測得的距離為^，修正后的距離為，則有：
在LOS環(huán)境和仍能檢測到DP的NLOS環(huán)境環(huán)境下，修正的距離為：
在無法檢測到DP的NLOS環(huán)境下，修正后的距離為：
6.如權(quán)利要求1所述的基于測距誤差模型修正的無線定位方法，其特征在于：所述步 驟5)中的定位算法采用極大似然估計法。
【文檔編號】H04W64/00GK104093207SQ201410362608
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】姚志強(qiáng), 譚姣, 盛孟剛, 簡博宇, 曹璐云 申請人:湘潭大學(xué)