本發(fā)明的實施例涉及確定移動電子設備的位置的領域。

背景技術：

在iot（物聯(lián)網(wǎng)）和許多其它位置相關應用中，要求基礎設施能夠估計一個或多個無線對象或目標節(jié)點的位置。在典型的位置估計系統(tǒng)中，存在多個參考節(jié)點或網(wǎng)關（其位置是已知的）以及一個或多個目標節(jié)點或微粒（mote）（其位置是要估計的）。

為了估計目標節(jié)點的位置，需要通過由目標節(jié)點進行的無線電發(fā)射和由參考節(jié)點進行的接收或者相反方向來測量表征目標節(jié)點相對于參考節(jié)點的位置測定信息的某些度量（諸如距離或角度）。

本文將為了簡單起見而大部分考慮其中目標節(jié)點進行無線電發(fā)射（其被網(wǎng)關（參考節(jié)點）接收到，分組的到達時間（toa）被加時間戳）的情況。然而，必須理解的是本發(fā)明還以適當?shù)男薷倪m用于其中多個網(wǎng)關發(fā)送同時的分組或者在確定的時間序列中的分組（其被目標節(jié)點接收到，該目標節(jié)點基于所述分組的toa的知識來確定其自己的位置）的情況。

并且，以下描述對其中在2維平面中確定移動節(jié)點的位置的本發(fā)明的示例進行描述。雖然很重要，但本申請并非限制性的，并且本發(fā)明也包括其中在3維空間中對移動節(jié)點進行定位的變體。

如對于本領域技術人員而言已知的，如果所有網(wǎng)關是同步的，但目標節(jié)點不是，則可以使用tdoa（到達時間差）方法來計算位置。可以通過gps或其它同步機制來使網(wǎng)關同步。tdoa方法一般地涉及到確定同一分組發(fā)射到兩個不同網(wǎng)關的到達時間之間的差，該到達時間之間的差通過已知傳播速度而與從發(fā)射節(jié)點到兩個網(wǎng)關的距離的差有關。

同樣如對于本領域技術人員而言已知的，多路徑延遲的存在可以對toa和tdoa的測量結果引入嚴重的變化和偏置，這導致位置準確度的嚴重劣化。在室內(nèi)或室外的實際環(huán)境中，最有可能的是某些或所有網(wǎng)關可能遭受一定水平的多路徑傳輸延遲。網(wǎng)關中的某些可能遭受比其它網(wǎng)關更嚴重的多路徑延遲擴展也是相當可能的。類似于其它信道相關現(xiàn)象，到達時間上的多路徑誘發(fā)的偏置難以建模和估計。

定位估計系統(tǒng)一般地可以分成兩類，即基于測距和距離無關方法。tdoa基于測距的定位被廣泛地用來實現(xiàn)良好的位置準確度。所有網(wǎng)關被假設為是同步的，無論是通過gps還是其它同步化機制，然而，目標節(jié)點不需要被同步到網(wǎng)關。目標節(jié)點發(fā)射分組，所述分組被網(wǎng)關接收到并加時間戳以便每個接收網(wǎng)關或天線獲得toa值。

如對于本領域技術人員而言已知的，需要來自三個不同接收網(wǎng)關的至少兩個tdoa以便產(chǎn)生目標節(jié)點的位置的唯一估計。在某些情況下，可存在兩個可能的估計，并且可能需要來自第四網(wǎng)關的另外的toa以便獲得目標節(jié)點的最終估計。當可用網(wǎng)關的數(shù)目大于三個時，問題變成超定問題。存在專注于用以處理該問題的不同方法的許多學術研究論文以及專利，包括最大似然算法、最小均方差算法、加權最小均方差算法、最小中值誤差算法等。還存在關于從沒有多路徑延遲的其它網(wǎng)關識別具有多路徑延遲的網(wǎng)關的某些研究。在本發(fā)明中提出的系統(tǒng)和方法落入多路徑延遲網(wǎng)關被識別并被去除的情況下的組合“最小中值誤差”和“最小均方差”算法的一般范疇。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用以實現(xiàn)穩(wěn)健的位置估計和對多路徑的免疫性的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明還包括一種用以從位置算法中識別并去除具有最嚴重延遲擴展的網(wǎng)關以實現(xiàn)甚至更好的準確度的方法。

本發(fā)明提出了一種用以根據(jù)最小中值誤差準則來計算位置估計的新型系統(tǒng)和程序。其還介紹了一種用以針對每個網(wǎng)關計算toa變化的技術和用以識別并去除具有最嚴重多路徑延遲擴展的網(wǎng)關的方案，使得只有沒有或具有較不嚴重的多路徑延遲擴展的網(wǎng)關在位置計算中被用來實現(xiàn)改善的準確度。

本發(fā)明還提出了一種用于將toa與rssi（接收信號強度指示）和snr（信噪比）元數(shù)據(jù)融合以相比于純基于toa方法而言改善位置準確度的有效方案。具體地，通過檢查對應rssi和snr元數(shù)據(jù)來判斷每個toa測量結果的可靠性。toa測量結果將在對應rssi和snr在某個閾值值以上時被用于tdoa計算。

此外，本發(fā)明提出了一種用以緩解來自多路徑延遲擴展的toa中的偏置的新型方法。本發(fā)明提出了一種用以補償源自于一個或兩個toa中的偏置的tdoa中的偏置的新型方法。

本發(fā)明還提出了一種用以適應性地選擇或組合根據(jù)最小中值誤差方法和加權最小均方差方法的位置估計以在各種多路徑信道條件下實現(xiàn)改善的準確度的新型技術。

本發(fā)明提出了一種用以利用擴展的最小中值誤差算法且通過有效地識別并去除具有最顯著多路徑延遲擴展的網(wǎng)關、使得只有不具有多路徑或者具有最小多路徑延遲的網(wǎng)關被用于位置估計來實現(xiàn)穩(wěn)健且準確的位置估計的系統(tǒng)和方法。

附圖說明

●圖1a以示意性的簡化方式圖示出定位過程，多個同步網(wǎng)關通過其接收由移動節(jié)點發(fā)射的定位分組，并借助于解算器來確定所述移動節(jié)點的位置，所述解算器處理分組以及其它元數(shù)據(jù)（諸如rssi和snr）在每個網(wǎng)關處的到達時間。

●圖1b為了完整起見而圖示出其中網(wǎng)關向移動節(jié)點發(fā)射同時的、我們的時間相關的定位分組的補充情況，所述移動節(jié)點基于所述分組的toa來確定其自己的位置。

●圖2a和2b用流程圖來表示本發(fā)明方法的可能實施方式。

具體實施方式

參考圖1a，我們將假設總共n個網(wǎng)關120a-g接收到由目標節(jié)點110發(fā)射的定位分組135和針對每個網(wǎng)關處的每次接收的測量結果m，該測量結果m包括信號的到達時間（toa），并且優(yōu)選地還包括用于接收分組的接收信號強度（rssi）和/或信噪比（snr）的指示。雖然toa是時間的測量結果，但是基于飛行時間乘以已知傳播速度等于飛行距離的事實，我們在這里在不失一般性的情況下將其視為距離。

假設網(wǎng)關120a-g靠公共的時間參考運行，所述公共的時間參考是通過交換適當?shù)耐交?40或者通過參考外部時間參考（例如從地理定位衛(wèi)星接收到的信號）而獲得的。如上所述，提供同步化參考的多個方法在本領域中是已知的，并且本發(fā)明包含其中的全部。明確地意圖在于本發(fā)明可以基于線性調(diào)頻脈沖調(diào)制信號的同步測距交換，如以本申請人的名義通過wo2014124785公開的。

包括toa值以及rssi和snr的測量結果m被饋送到解算器單元160，該解算器單元160將其用來確定移動點的位置。解算器單元在本示例中被表示為不同于網(wǎng)關12a-g，但是其也可以是一個或多個網(wǎng)關的部分，而不脫離本發(fā)明的范圍。

使用多個天線和多個發(fā)射以便通過多樣性來實現(xiàn)改善的準確度是相當常見的。這對于在本發(fā)明中提出的具有較嚴重多路徑延遲的網(wǎng)關的識別和去除而言也是重要的。然而，為了進一步簡化表達，以下數(shù)學處理僅考慮其中每個網(wǎng)關具有單個接收天線且目標節(jié)點僅發(fā)射一個分組的情況。可以容易地將其擴展至多天線和多發(fā)射的情況。基于此，我們可以如下概述定位任務。

表示具有已知位置的第i個網(wǎng)關，是在網(wǎng)關處測量的分組到達時間。首先，選擇具有最小toa的網(wǎng)關作為參考網(wǎng)關，表示為。

令表示網(wǎng)關與參考網(wǎng)關之間的到達時間差。tdoa是如下從toa測量結果獲得的，

。

優(yōu)選地，本發(fā)明方法的第一步驟是toa濾波和去除，其中，具有其對應rssi和/或snr在確定閾值值以下的toa將被視為不可靠（可能具有更大的誤差）估計，并且將不會被包括為用于tdoa計算。

令為目標節(jié)點的位置；我們?nèi)缓缶哂幸韵碌仁剑?/p>

。

針對位置估計，的殘余誤差被定義為：

。

最小均方解是點，其使所有（二次）殘余誤差項的和或如下面定義的成本函數(shù)最小化

。

然而，最小平方解在有離群值樣本的情況下具有不良性能，其對應于其中某些網(wǎng)關具有比其余網(wǎng)關更嚴重得多的多路徑延遲擴展的情況。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，用擴展最小中值（elm）誤差法的變體來估計移動節(jié)點110的位置以改善在有離群值的情況下的穩(wěn)健性。

具體地，所有tdoa殘余誤差項將被按照升序排序。不同于尋找使中值點tdoa殘余誤差最小化的解的常規(guī)最小中值法，本方法尋找使從經(jīng)排序的列表中的第一項至中值點的tdoa殘余誤差的和最小化的解。

雖然上述方法將使得算法更加穩(wěn)健且沒有離群值樣本的干擾，但本發(fā)明優(yōu)選地還包括用以搜索用于elm方法的最佳解的高效方式，如將進一步詳述的。

優(yōu)選地，本發(fā)明還包括用以識別并去除具有最嚴重多路徑延遲的網(wǎng)關的步驟，以進一步改善性能。

位置估計主要是基于從toa對計算的tdoa，優(yōu)選地在通過檢查對應rssi和snr而將toa從tdoa計算中去除之后，如上所述。

在有利變體中，本發(fā)明還包括用以緩解不同網(wǎng)關上的不同多路徑延遲擴展所引入的誤差的步驟。每個tdoa被計算為來自兩個不同網(wǎng)關的一對toa的差。當超過一對toa可用時，例如在多個接收天線或多個分組發(fā)射的情況下，將存在關于同一位置處的目標節(jié)點產(chǎn)生的一列tdoa。用以處理此多樣性的簡單方法將計算tdoa的整個列表的平均值（或加權平均值），并且將其用作用于位置計算的單個tdoa。

優(yōu)選地，本發(fā)明首先確定被用來計算tdoa的兩個toa中的哪一個具有更大的toa偏差。當存在多個接收天線時，可以計算toa偏差，因為將存在來自單個分組發(fā)射的關于同一網(wǎng)關的多個toa。更大的toa偏差最有可能與更大的多路徑延遲擴展有關，因此有更大的偏置。通過知道toa中的哪一個具有更大的偏置，本發(fā)明的方法確定對應的tdoa是具有正的還是負的凈偏置。本發(fā)明然后按照降序?qū)doa的整個列表排序，并且用整個經(jīng)排序的tdoa列表的一段來獲得被用于位置計算的最終tdoa以實現(xiàn)平均。通過使中心位置移位并改變求平均區(qū)段的長度，可以補償或緩解tdoa中的凈正或負多路徑偏置。

本發(fā)明還包括用以根據(jù)從不同網(wǎng)關遭受的多路徑信道類型而適應性地選擇或組合來自elm和來自典型最小均方差法的結果的步驟。已發(fā)現(xiàn)，即使當所有網(wǎng)關都具有相當水平的多路徑延遲時，本發(fā)明的算法也比最小平方法顯著更好地工作。

現(xiàn)在將參考圖2a-2b來描述本發(fā)明方法的步驟：

圖2a圖示出根據(jù)本發(fā)明的一方面的用已修改elm算法來確定位置的方法。最初（步驟200），從n個網(wǎng)關的池中選擇3網(wǎng)關集合的組合。具有已知位置的3網(wǎng)關集合允許優(yōu)選地在去除不可靠toa之后基于足以用于在兩個維度上確定移動節(jié)點的位置的其統(tǒng)計偏差來計算兩個獨立的tdoa值（步驟204）。在多天線或多分組發(fā)射的情況下，可以獲得兩列tdoa。識別每個tdoa列表中的凈正或負多路徑偏置，并且如前所述地執(zhí)行用以緩解或補償偏置的操作（步驟208）。此后，產(chǎn)生沒有或具有減小的偏置的兩個tdoa。由此，其為簡單的3網(wǎng)關tdoa位置問題，其中，可以通過如上所述地直接求解兩個雙曲線方程來實現(xiàn)位置估計。一般地，此過程可以提供兩個、一個解或無解（步驟210）。

在3d導航的一般情況下，單獨的三個網(wǎng)關不足以確定位置。本發(fā)明的方法通過增加每個所考慮組合中的網(wǎng)關數(shù)從而針對每個組合具有可解問題或者通過使用附加信息（例如節(jié)點110的位置或測距消息135被發(fā)送的時間的部分知識）而仍適用。

如果3網(wǎng)關問題給出兩個解，則可以用多個手段來去除一個網(wǎng)關（步驟220），例如最直截了當?shù)姆椒ㄊ峭ㄟ^檢查用于第四或更多額外網(wǎng)關的tdoa或tdoa殘數(shù)，或者通過與先前已知的位置相比較。在某些情況下，toa上的誤差可能如此嚴重，以致于根本不存在有效的解。到目前為止，沒有產(chǎn)生或者產(chǎn)生一個有效的基于3網(wǎng)關的位置估計。

如果存在來自步驟220的有效的3網(wǎng)關解（測試（230）），則算法計算tdoa殘余誤差的所有組合并將其按照升序排序。

根據(jù)經(jīng)排序的tdoa殘余誤差列表，本發(fā)明計算（步驟240）直到中值點殘余誤差，其是經(jīng)排序列表中的第一項（最小殘余誤差項）到中值點項的和。

并且在步驟240中，本發(fā)明的方法計算超中值誤差，其是直到中值點誤差加上經(jīng)排序列表中的進一步向上的確定數(shù)目的項。

并且，在步驟240中，本發(fā)明的方法計算平均（所有點）誤差，其是經(jīng)排序列表中的所有tdoa殘余誤差的和。此外，該加和可排除具有最重大tdoa殘余誤差的確定數(shù)目的項以排除某些離群值。

此外，直到中值、超中值和平均殘余誤差加和被除以加和項的對應數(shù)目以分別地獲得平均tdoa殘余誤差。

稍后將需要3網(wǎng)關解和對應的直到中值、超中值和均方差并將它們存儲在候選列表或另一適當?shù)臄?shù)據(jù)結構中（步驟255）。

針對來自池的3個網(wǎng)關的所有可能組合重復步驟200-250（以判定260終止的環(huán)路）。這將創(chuàng)建由所有基于3網(wǎng)關的位置估計組成的候選列表。然后，算法基于tdoa殘余誤差而從候選列表中估計目標節(jié)點的位置。在此步驟的可能實現(xiàn)中，該位置可以是具有最小直到中值誤差或者具有最小超中值誤差或者具有最小平均誤差的解。用以判定3個可能解中的哪一個將是elm位置輸出的程序可以是基于針對3個可能解的總體tdoa殘余誤差的檢查。

圖2b圖示出較高層級的位置確定的過程。最初（步驟310），針對每個網(wǎng)關計算toa變化。toa變化將被用于如在320和330中的多路徑網(wǎng)關的識別和去除。

稍后（步驟290），系統(tǒng)通過使用例如在圖2a中描述的步驟來確定elm解，并且如前所述地基于tdoa殘余誤差來選擇最佳elm位置估計。

優(yōu)選地，本發(fā)明的方法還包括在elm下的用以確定多路徑延遲是否存在和哪些網(wǎng)關最受到多路徑延遲的影響的步驟（步驟320）。檢測網(wǎng)關中的多路徑的可能方式是將來自每個網(wǎng)關的toa變化與給定閾值相比較。

被識別為具有過分的多路徑延遲擴展的網(wǎng)關被從活動網(wǎng)關列表去除（步驟330），并且再次地估計elm位置（步驟295）。優(yōu)選地，算法將在活動網(wǎng)關列表中保持至少最小數(shù)目的網(wǎng)關（通常是4個）。

本發(fā)明的方法還包括基于針對某些閾值值進行的對應rssi和snr的檢查而從tdoa計算去除不可靠的toa。

本發(fā)明還包括用以緩解或補償源自于來自不同網(wǎng)關的toa中的不同多路徑延遲擴展的tdoa中的偏置的方法。

優(yōu)選地，本發(fā)明的方法還包括步驟340，其中，通過檢查來自每個網(wǎng)關的toa變化，進行是否要執(zhí)行最小均方（lms）確定以改善位置準確度的判定。一般地，lms確定可以在跨所有活動網(wǎng)關的toa變化都具有相當?shù)闹?、即所有網(wǎng)關具有相當?shù)亩嗦窂窖舆t擴展時導致良好性能。如果340中的判定是是（yes），則在360中使用所有可用網(wǎng)關來執(zhí)行l(wèi)ms確定。

優(yōu)選地，在其中網(wǎng)關天線和微粒的高度明顯不同的情況下，基于2d的方法將由于在2d坐標系中使用在3d坐標系中測量的toa而招致位置誤差。如果微粒的高度通過其它設備是已知的，例如氣壓測量，則本發(fā)明包括一種用以補償源自于網(wǎng)關和微粒之間的高度差的toa測量結果偏置的方法。

此外，本發(fā)明包括一種用以使用已知網(wǎng)關和微粒的高度信息以及所估計的微粒位置來補償toa測量結果中的偏置以在沒有或具有減小的來自高度差的偏置的情況下實現(xiàn)改善的位置估計的遞歸方法。

最終，算法選擇elm解或lms解或者其組合（步驟365）并輸出最終位置。到目前為止，獲得了基于一個或多個分組進行的目標節(jié)點位置的單次估計。在目標節(jié)點進行更多連續(xù)發(fā)射的情況下，可以產(chǎn)生目標節(jié)點的位置的更多連續(xù)單次elm估計。所有這些單次估計可以被饋送到跟蹤算法，例如卡爾曼濾波器370或另一適當算法，以跟蹤目標節(jié)點的移動或如果目標節(jié)點正保持在靜態(tài)的話改善位置準確度。

模擬已顯示系統(tǒng)可以針對遭受各種多路徑延遲擴展的網(wǎng)關實現(xiàn)穩(wěn)健且高效的位置估計。在所有網(wǎng)關都具有相同或接近水平的延遲擴展的情況下，算法顯示為是穩(wěn)定的，并產(chǎn)生至少與常規(guī)lms方法相同的準確度。系統(tǒng)解決了2d位置估計問題，但是該思想可以被容易地擴展至處理3d位置估計。

本發(fā)明中的系統(tǒng)和方法在有跨不同接收網(wǎng)關的大但不均勻的多路徑延遲擴展的情況下輸送比最小均方法好得多的位置準確度。擴展的最小中值算法以低復雜性實現(xiàn)了良好的性能。與唯一嚴重多路徑延遲的網(wǎng)關識別和去除技術、用以去除不可靠toa的toa與rssi和snr的融合方法以及用以緩解和補償tdoa計算中的多路徑偏置的方法組合，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了甚至比簡單的最小中值平方和最小均方法更好的性能。