專利名稱：一種位置估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線電通信和無線電定位領(lǐng)域中的位置估計(jì)方法，特別是蜂窩移動(dòng)臺(tái)定位中的位置估計(jì)方法。
背景技術(shù)：
在無線定位技術(shù)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，如雷達(dá)定位、聲納定位、廣漠地區(qū)的GPS定位，非可視(NLOS)傳播路徑不是普遍存在的現(xiàn)象，在這些領(lǐng)域里產(chǎn)生的定位方法也都是建立在有可視(LOS)傳播路徑存在基礎(chǔ)上的。但是在蜂窩移動(dòng)臺(tái)定位系統(tǒng)中，由于地面建筑的遮擋或地形的起伏，信號(hào)的NLOS傳播成為一種普遍現(xiàn)象，這種由非可視傳播路徑引入的NLOS誤差(即相對(duì)于LOS傳播路徑的相對(duì)時(shí)延)會(huì)導(dǎo)致位置估計(jì)精度顯著降低。
在現(xiàn)有的基于到達(dá)時(shí)間差(TDOA)的位置估計(jì)方法中，基本上都是在假設(shè)輻射源和傳感器(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)方法的誤差信號(hào)僅僅來源于傳感器的TDOA測(cè)量誤差，這種TDOA測(cè)量誤差是零均值高斯分布。在眾多的基于TDOA的位置估計(jì)方法中，Y.T.Chan(陳氏)提出的(參見，一種用于雙曲線定位的簡(jiǎn)單有效的位置估計(jì)器“A simple and efficient estimator forhyperbolic location”，IEEE Trans Signal processing，vol.42，no.8，Aug.1994，pp.1905-1915)最為典型。該方法的估計(jì)器實(shí)現(xiàn)是用加權(quán)線性最小二乘(兩次使用)估計(jì)來近似實(shí)現(xiàn)最大似然估計(jì)，理論分析表明，在TDOA測(cè)量誤差較小的情況下，這種近似處理可以保證位置估計(jì)性能達(dá)到較高的水平。另外，該方法即可以適用于TDOA測(cè)量個(gè)數(shù)等于輻射源坐標(biāo)個(gè)數(shù)的情況，也適用于TDOA測(cè)量個(gè)數(shù)大于輻射源坐標(biāo)個(gè)數(shù)的情況；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。在功能上，可以講陳氏方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有方法功能的統(tǒng)一，在性能上又優(yōu)于(至少不低于)其它TDOA位置估計(jì)方法，其運(yùn)算量顯著低于臺(tái)勞級(jí)數(shù)法，而估計(jì)精度和臺(tái)勞級(jí)數(shù)法的性能相當(dāng)。上述陳氏方法和現(xiàn)有的其他基于TDOA的位置估計(jì)方法一樣，缺點(diǎn)在于當(dāng)存在NLOS誤差時(shí)，輸入到陳氏方法的測(cè)量誤差不再滿足零均值高斯分布這樣一個(gè)假設(shè)，此時(shí)，陳氏方法不再是優(yōu)化的位置估計(jì)方法，也就是說陳氏方法不具備NLOS誤差抑制能力。因此，現(xiàn)有的基于TDOA的位置估計(jì)方法由于NLOS誤差的影響導(dǎo)致位置估計(jì)精度不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種位置估計(jì)精度較高的位置估計(jì)方法，使用該方法能夠以自適應(yīng)方式抑制NLOS誤差對(duì)定位精度的影響。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的位置估計(jì)方法，包括步驟1在進(jìn)行位置估計(jì)時(shí)，利用實(shí)時(shí)獲取的非可視(NLOS)誤差的均值對(duì)到達(dá)時(shí)間差(TDOA)測(cè)量量中包含的NLOS誤差進(jìn)行零均值矯正；
步驟2利用實(shí)時(shí)獲取的NLOS誤差的方差對(duì)加權(quán)最小二乘位置估計(jì)中的加權(quán)矩陣中的元素進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整；步驟3進(jìn)行定位位置的加權(quán)最小二乘估計(jì)，獲得本次的位置估計(jì)值；步驟4對(duì)多次獲取的位置估計(jì)值進(jìn)行平均，得到最后的位置估計(jì)值。
所述步驟1進(jìn)一步包括步驟11從至少一個(gè)TDOA測(cè)量量中分別識(shí)別出包含NLOS誤差的TDOA測(cè)量量；步驟12對(duì)上述步驟11識(shí)別出的TDOA測(cè)量量中NLOS誤差的均值進(jìn)行估計(jì)；步驟13對(duì)上述步驟12獲得的NLOS誤差的均值進(jìn)行NLOS誤差的零均值矯正。
所述步驟11通過對(duì)輻射源進(jìn)行NLOS識(shí)別實(shí)現(xiàn)。
上述對(duì)輻射源進(jìn)行NLOS識(shí)別，利用從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)實(shí)現(xiàn)NLOS識(shí)別，或利用從輻射源獲取的單個(gè)或多個(gè)功率時(shí)延分布上的徑間功率差實(shí)現(xiàn)NLOS識(shí)別，或利用從輻射源獲取的單個(gè)或多個(gè)功率時(shí)延分布上的徑間幅度差實(shí)現(xiàn)NLOS識(shí)別。
所述步驟12進(jìn)一步包括步驟121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)延分布中獲取離散形式和連續(xù)形式下的NLOS誤差的分布參數(shù)；步驟122利用NLOS誤差分布參數(shù)以及TDOA測(cè)量量中NLOS誤差的分布形式，計(jì)算出NLOS誤差的均值；
步驟121按照下述方法獲取離散形式下的NLOS誤差的分布參數(shù)pi=(m1+m2+...+mN)×αW×N]]>式中pi為離散形式下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)；W是散射體統(tǒng)計(jì)窗的寬度，單位為碼片；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)；α是一個(gè)碼片內(nèi)進(jìn)行的采樣次數(shù)。
步驟121也可以按照下述方法獲取離散形式下的NLOS誤差的分布參數(shù)pi=s1+s2+...+sNW×N]]>式中pi為離散形下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)到的超過檢測(cè)門限的樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)；W是散射體統(tǒng)計(jì)窗的寬度，單位為樣點(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)。
步驟121按照下述方法獲取連續(xù)形式下的NLOS誤差的分布參數(shù)θi=T-1ln(1-pi)]]>式中，θi為連續(xù)形式下的NLOS誤差的分布參數(shù)，T為系統(tǒng)采樣樣點(diǎn)間隔時(shí)間，pi為離散形式下NLOS誤差分布參數(shù)。
所述步驟2進(jìn)一步包括步驟21確定加權(quán)矩陣的形式；步驟22根據(jù)步驟11的包含NLOS誤差的TOA測(cè)量量確定加權(quán)矩陣中需要調(diào)整的元素；
步驟23確定加權(quán)矩陣中需要調(diào)整的元素取值。
步驟21確定下述形式的加權(quán)矩陣Q(r)＝Q(l)+Q(n)=σij211/21/2.1/21/211/2.1/21/21/21.1/2.....1/21/21/2.1+σ(n)2,12σ(n)12σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)3,12σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)12σ(n)4,12.σ(n)12.....σ(n)12σ(n)12σ(n)12.σ(n)M,12]]>=σi2211.1121.1112.1.....111.2+σ(n)12+σ(n)22σ(n)12σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)12+σ(n)32σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)12σ(n)12+σ(n)42.σ(n)12.....σ(n)12σ(n)12σ(n)12.σ(n)12+σ(n)M2]]>其中，Q(l)=σij211/21/2.1/21/211/2.1/21/21/21.1/2.....1/21/21/2.1=σi2211.1121.1112.1.....111.2]]>Q(l)為LOS環(huán)境下TDOA測(cè)量誤差N＝[n2，1n3，1…nM，1]T的協(xié)方差矩陣，σi，j2為LOS環(huán)境下TDOA測(cè)量誤差的協(xié)方差；Q(n)=σ(n)12+σ(n)22σ(n)12σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)12+σ(n)32σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)12σ(n)12+σ(n)42.σ(n)12.....σ(n)12σ(n)12σ(n)12.σ(n)12+σ(n)M2]]>
=σ(n)2,12σ(n)12σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)3,12σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)12σ(n)4,12.σ(n)12.....σ(n)12σ(n)12σ(n)12.σ(n)M,12]]>Q(n)為零均值矯正后的NLOS誤差ni，j構(gòu)成的為M-1維矢量N(n)＝[n(n)2，1n(n)3，1…n(n)M，1]T的協(xié)方差矩陣。
所述步驟23進(jìn)一步包括步驟231確定加權(quán)矩陣中可視(LOS)環(huán)境下TDOA測(cè)量誤差的斜方差矩陣中各個(gè)需要調(diào)整元素的取值通過LOS信道環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行TDOA測(cè)量誤差的統(tǒng)計(jì)來近似得到，或者通過系統(tǒng)仿真近似得到；步驟232確定加權(quán)矩陣中零均值矯正后的NLOS誤差構(gòu)成的多維矢量的斜方差矩陣中各個(gè)需要調(diào)整元素的取值通過包含NLOS誤差的TOA測(cè)量量中的NLOS誤差的概率密度函數(shù)得到。
由于本發(fā)明所述的位置估計(jì)方法能夠?qū)LOS誤差進(jìn)行抑制，使得該方法拓寬了現(xiàn)有TDOA位置估計(jì)方法的適用環(huán)境，使之不僅適用于LOS環(huán)境，而且適用于NLOS環(huán)境和LOS與NLOS相混合的環(huán)境；同時(shí)，由于本發(fā)明使用的NLOS誤差均值和方差可以實(shí)時(shí)地獲得，可以實(shí)時(shí)地對(duì)NLOS誤差進(jìn)行抑制，無須長時(shí)間地對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行跟蹤測(cè)量；因此，本發(fā)明解決了由于NLOS誤差的影響導(dǎo)致位置估計(jì)精度不高的問題。


圖1是本發(fā)明所述方法的實(shí)施例流程圖；圖2是圖1采用的NLOS誤差零均值矯正過程流程圖；
圖3是圖1采用的自適應(yīng)調(diào)整加權(quán)矩陣過程流程圖。
具體實(shí)施例方式
為了抑制TDOA測(cè)量量中的NLOS誤差對(duì)位置估計(jì)精度的影響，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)矩陣來初步抑制NLOS誤差(此時(shí)的NLOS誤差的均值已經(jīng)為零)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。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
圖1是本發(fā)明所述方法的實(shí)施例流程圖。圖1所示的是以移動(dòng)臺(tái)定位實(shí)施例的四個(gè)基本步驟步驟101，利用由實(shí)時(shí)獲取的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。該步驟由如圖2所示的子步驟201、202、203組成。
步驟201，識(shí)別出包含NLOS誤差的TDOA測(cè)量量TDOA(m)i，j，TDOA(m)i，j表示沒有經(jīng)過NLOS誤差的零均值矯正的、原始的TDOA測(cè)量量，下標(biāo)i、j表示這個(gè)TDOA測(cè)量量是第i個(gè)輻射源(如蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的基站)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(0)+n(n)i,j+μ(n)i,j+ni,j.]]>其中，TDOA(los)i，j(0)是不包含任何誤差的理想的TDOA值；n(n)i，j是經(jīng)過零均值矯正后的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，是零均值正態(tài)分布的隨機(jī)變量(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)。在步驟201中，判斷TDOA(m)i，j是否包含NLOS誤差的方法可以通過分別對(duì)第i個(gè)輻射源(如蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的基站)和第j個(gè)輻射源進(jìn)行NLOS識(shí)別的方法實(shí)現(xiàn)。對(duì)第i個(gè)輻射源進(jìn)行NLOS識(shí)別的方法有多種，如，可以利用從第i個(gè)輻射源獲取的一組功率時(shí)延分布(如，利用該輻射源發(fā)射信號(hào)的偽隨機(jī)碼進(jìn)行提取)中挑選出一組最強(qiáng)徑(每個(gè)功率時(shí)延分布上挑選出一個(gè)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(或幅度)差實(shí)現(xiàn)NLOS識(shí)別。
步驟202，進(jìn)行TDOA測(cè)量量中NLOS誤差的均值的估計(jì)。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)延分布中獲取離散形式和連續(xù)形式下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)，也可以采用下述公式(2)來完成離散形式下的NLOS誤差分布參數(shù)pi和pj的估計(jì)(對(duì)于LOS信道chi，其NLOS誤差分布參數(shù)pi為1)。
pi=(m1+m2+...+mN)×αW×N]]>式中pi為離散形式下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(從第k個(gè)功率時(shí)延分布上截取，散射體統(tǒng)計(jì)窗的起點(diǎn)可以是首徑之后的某個(gè)位置，也可以包含首徑首徑)內(nèi)檢測(cè)到的徑的個(gè)數(shù)；W是散射體統(tǒng)計(jì)窗的寬度，單位為碼片，通常，W的取值在1～10個(gè)碼片之間；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)，通常，N的取值在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次多徑搜索來得到；α是一個(gè)碼片內(nèi)進(jìn)行的采樣次數(shù)，通常，α在1～32之間取值，α值就是一個(gè)徑包含的樣點(diǎn)數(shù)。
pi=s1+s2+...+sNW×N]]>式中pi為離散形式下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(從第k個(gè)功率時(shí)延分布上截取，散射體統(tǒng)計(jì)窗的起點(diǎn)可以是首徑之后的某個(gè)位置，也可以包含首徑首徑)內(nèi)檢測(cè)到的超過檢測(cè)門限的樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)；W是散射體統(tǒng)計(jì)窗的寬度，單位為樣點(diǎn)，通常，W的取值在40個(gè)樣點(diǎn)之內(nèi)；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)，通常，N的取值在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次多徑搜索來得到。
然后，利用上述離散形式下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和下述公式(3)表示的離散形式的TDOA的NLOS誤差δ(s)ij的概率密度函數(shù)直接得到。
fδ(s)i,j(δ(s)i,j)=pipj(1-pi)(1-pj)1-(1-pi)(1-pj);δ(s)ij=0---(3a)]]>fδ(s)i,j(δ(s)i,j)=pipj(1-pi)(1-pj)1-(1-pi)(1-pj)(1-pj)δ(s)ij;δ(s)ij>0---(3b)]]>fδ(s)i,j(δ(s)i,j)=pipj(1-pi)(1-pj)1-(1-pi)(1-pj)(1-pi)δ(s)ij;δ(s)ij<0---(3c)]]>
式中，δ(s)ij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)ij∈(...-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(時(shí)間量綱)；pi、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)ij＝δ(s)i-δ(s)j。
連續(xù)形式的NLOS誤差的均值可以利用pi、pj和下述公式(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和下述公式(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)]]>式中，θi為連續(xù)形式下的NLOS誤差的分布參數(shù)，T為系統(tǒng)采樣樣點(diǎn)間隔時(shí)間，pi為離散形式下NLOS誤差分布參數(shù)。
參考上述公式(4)求出θj。fδi,j(δi,j)=1θi+θjeδi,jθj]]>當(dāng)δi，j＜0即δi＜δj時(shí)(5a)fδi,j(δi,j)=1θi+θj]]>當(dāng)δi，j＝0即δi＝δj時(shí) (5b)fδi,j(δi,j)=1θi+θje-δi,jθi]]>當(dāng)δi，j＞0即δi＞δj時(shí) (5c)步驟203，利用步驟202獲取的NLOS誤差的均值μ(n)i，j，按照下述公式(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(0)+n(n)i,j+ni,j---(6)]]>
式中，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，利用由NLOS誤差分布參數(shù)實(shí)時(shí)求出的NLOS誤差的方差對(duì)加權(quán)最小二乘位置估計(jì)中的加權(quán)矩陣中的元素進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。該步驟包含圖3所示的子步驟301、302和303。
步驟301，確定加權(quán)矩陣的形式，本例采用下述公式(7)作為最小二乘移動(dòng)臺(tái)位置估計(jì)的加權(quán)矩陣。
Q(r)＝Q(l)+Q(n)=σij211/21/2.1/21/211/2.1/21/21/21.1/2.....1/21/21/2.1+σ(n)2,12σ(n)12σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)3,12σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)12σ(n)4,12.σ(n)12.....σ(n)12σ(n)12σ(n)12.σ(n)M,12---(7a)]]>=σi2211.1121.1112.1.....111.2+]]>σ(n)12+σ(n)22σ(n)12σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)12+σ(n)32σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)12σ(n)12+σ(n)42.σ(n)12.....σ(n)12σ(n)12σ(n)12.σ(n)12+σ(n)M2---(7b)]]>其中，
Q(l)=σij211/21/2.1/21/211/2.1/21/21/21.1/2.....1/21/211/2.1=σi2211.1121.1112.1.....111.2---(8)]]>Q(l)為LOS環(huán)境下TDOA測(cè)量誤差N＝[n2，1n3，1…nM，1]T的協(xié)方差矩陣，N為M-1維矢量，N的均值為零，N的協(xié)方差矩陣Q(l)為(M-1)*(M-1)維對(duì)稱矩陣。σi，j2為LOS環(huán)境下TDOA測(cè)量誤差的協(xié)方差。
Q(n)=σ(n)12+σ(n)22σ(n)12σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)12+σ(n)32σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)12σ(n)12+σ(n)42.σ(n)12.....σ(n)12σ(n)12σ(n)12.σ(n)12+σ(n)M2---(9a)]]>=σ(n)2,12σ(n)12σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)3,12σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)12σ(n)4,12.σ(n)12.....σ(n)12σ(n)12σ(n)12.σ(n)M,12---(9b)]]>Q(n)為零均值矯正后的NLOS誤差ni，j構(gòu)成的為M-1維矢量N(n)＝[n(n)2，1n(n)3，1…n(n)M，1]T的協(xié)方差矩陣，N(n)的均值為零，Q(n)為(M-1)*(M-1)維對(duì)稱矩陣；步驟302，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步驟201的結(jié)果，只要構(gòu)成TDOA測(cè)量量TDOA(m)i，j的第i個(gè)輻射源(如蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的基站)和第j個(gè)輻射源之中有一個(gè)包含NLOS誤差，就要對(duì)加權(quán)矩陣中對(duì)應(yīng)的元素(加權(quán)系數(shù))進(jìn)行調(diào)整。如，經(jīng)過NLOS識(shí)別，確定第1個(gè)輻射源(對(duì)應(yīng)的信道)為LOS信道，則，公式(7)中Q(n)中包含σ(n)12的元素，都要進(jìn)行調(diào)整(此時(shí)σ(n)12要取零值)；步驟303，確定加權(quán)矩陣中需要調(diào)整的元素的取值，該子步驟又由兩部分內(nèi)容1、首先確定矩陣Q(l)中各個(gè)元素的取值，即上述公式(8)中的σi，j2或σi2的取值。σi，j2和σi2的關(guān)系為σi,j2=2σi2,]]>只要確定了σi，j2和σi2中的一個(gè)，就可以確定另外一個(gè)，如，可以通過LOS信道環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行TDOA測(cè)量誤差的統(tǒng)計(jì)來近似得到σi，j2，也可以通過系統(tǒng)仿真來近似得到σi，j2，然后，如果有必要，就可以利用σi2=(1/2)σi,j2]]>來確定σi2；2、確定矩陣Q(n)中各個(gè)元素的取值。Q(n)具有公式(9a)和(9b)兩種形式，對(duì)應(yīng)兩種不同的確定Q(n)的元素取值的方法。
對(duì)于Q(n)的公式(9a)的形式，只需要求取TOA測(cè)量量中的NLOS誤差的方差，這可以利用步驟202求取的pi和下述公式(10)表示的TOA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202求取的pi和公式(4)、下述公式(11)表示的TOA的NLOS誤差δi的概率密度函數(shù)求出σ(n)i2。
fδ(δ(s)i)=pi(1-pi)δ(s)i,δ(s)i∈(0,1,2...)]]>fδ(δ(s)i)＝0，當(dāng)δ(s)i取(0，1，2…)以外的值時(shí)(10)式中的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(時(shí)間量綱)，pi為幾何分布的分布參數(shù)。
fδ(δi)=1θie-δiθi,]]>當(dāng)δi大于零時(shí)；fδ(δi)＝0，當(dāng)δi取其它值時(shí) (11)對(duì)于Q(n)的公式(9b)的形式除了需要計(jì)算σ(n)i2之外，還要計(jì)算σ(n)i，j2σ(n)i，j2。σ(n)i2的計(jì)算可以按照對(duì)Q(n)的公式(9a)的討論進(jìn)行；σ(n)i，j2的計(jì)算就需要利用由步驟202求取的pi、pj和公式(3)表示的TDOA測(cè)量量中的離散形式的NLOS誤差的概率密度函數(shù)，或者使用由步驟202求取的pi、pjpj，通過公式(4)求出θi和θj后，再利用公式(5)表示的TDOA測(cè)量量中的連續(xù)形式的NLOS誤差的概率密度函數(shù)來計(jì)算σ(n)i，j2。
步驟103，進(jìn)行加權(quán)最小二乘位置估計(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。該步驟首先將下述方程(12)表示的距離關(guān)系變換成公式(13)表示的雙曲線方程組，ri2=(xi-x)2+(yi-y)2]]>=Ki-2xix-2yiy+x2+y2,i=1,2,...,M]]>式中Ki=xi2+yi2------(12)]]>(xi，yi)是已知的基站的位置坐標(biāo)參量，(x，y)是未知(待求解)的移動(dòng)臺(tái)位置坐標(biāo)參量。ri是移動(dòng)臺(tái)到第i個(gè)基站的距離。根據(jù)信號(hào)在移動(dòng)臺(tái)和基站間的傳播速度為c，可以得到下面一組雙曲線方程ri，1＝cdi，1＝ri-r1(13)
式中di，1表示移動(dòng)臺(tái)到第i個(gè)基站的時(shí)延和移動(dòng)臺(tái)到第一個(gè)基站的時(shí)延之差；ri，1表示移動(dòng)臺(tái)到第i個(gè)基站的距離ri和移動(dòng)臺(tái)到第一個(gè)基站的距離r1之差。
求解方程(13)就可以得到移動(dòng)臺(tái)的位置坐標(biāo)(x，y)。求解方程(13)的基本步驟是1)引入中間變量d1＝(x-x1)2+(y-y1)2；2)對(duì)方程(13)兩次使用加權(quán)最小二乘估計(jì)。
在兩次利用加權(quán)最小二乘估計(jì)求解這個(gè)非線性方程組時(shí)，要用步驟102確定的Q(r)來替換方程組(13)的估計(jì)誤差的協(xié)方差矩陣，這樣就可以得到有四個(gè)或四個(gè)以上的輻射源(基站或衛(wèi)星，基站和衛(wèi)星)參與定位時(shí)的位置估計(jì)。這里得到的是初步抑制了NLOS誤差影響的移動(dòng)臺(tái)位置的加權(quán)最小二乘估計(jì)值。
步驟104，通過對(duì)步驟103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。具體實(shí)現(xiàn)步驟是首先通過步驟103，在短時(shí)間間隔內(nèi)，獲取多個(gè)(大于一個(gè))在獨(dú)立TDOA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(6)進(jìn)行零均值矯正后的TDOA測(cè)量值的NLOS誤差的均值為零的特點(diǎn)，通過對(duì)步驟103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，降低位置估計(jì)誤差的方差。
權(quán)利要求
1.一種位置估計(jì)方法，包括步驟1在進(jìn)行位置估計(jì)時(shí)，利用實(shí)時(shí)獲取的非可視(NLOS)誤差的均值對(duì)到達(dá)時(shí)間差(TDOA)測(cè)量量中包含的NLOS誤差進(jìn)行零均值矯正；步驟2利用實(shí)時(shí)獲取的NLOS誤差的方差對(duì)加權(quán)最小二乘位置估計(jì)中的加權(quán)矩陣中的元素進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整；步驟3進(jìn)行定位位置的加權(quán)最小二乘估計(jì)，獲得本次的位置估計(jì)值；步驟4對(duì)多次獲取的位置估計(jì)值進(jìn)行平均，得到最后的位置估計(jì)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置估計(jì)方法，其特征在于，所述步驟1進(jìn)一步包括步驟11從至少一個(gè)TDOA測(cè)量量中分別識(shí)別出包含NLOS誤差的TDOA測(cè)量量；步驟12對(duì)上述步驟11識(shí)別出的TDOA測(cè)量量中NLOS誤差的均值進(jìn)行估計(jì)；步驟13對(duì)上述步驟12獲得的NLOS誤差的均值進(jìn)行NLOS誤差的零均值矯正。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的位置估計(jì)方法，其特征在于，所述步驟11通過對(duì)輻射源進(jìn)行NLOS識(shí)別實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的位置估計(jì)方法，其特征在于所述對(duì)輻射源進(jìn)行NLOS識(shí)別，利用從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)實(shí)現(xiàn)NLOS識(shí)別，或利用從輻射源獲取的單個(gè)或多個(gè)功率時(shí)延分布上的徑間功率差實(shí)現(xiàn)NLOS識(shí)別，或利用從輻射源獲取的單個(gè)或多個(gè)功率時(shí)延分布上的徑間幅度差實(shí)現(xiàn)NLOS識(shí)別。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的位置估計(jì)方法，其特征在于，所述步驟12進(jìn)一步包括步驟121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)延分布中獲取離散形式和連續(xù)形式下的NLOS誤差的分布參數(shù)；步驟122利用NLOS誤差分布參數(shù)以及TDOA測(cè)量量中NLOS誤差的分布形式，計(jì)算出NLOS誤差的均值；
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的位置估計(jì)方法，其特征在于，步驟121按照下述方法獲取離散形式下的NLOS誤差的分布參數(shù)pi=(m1+m2+...+mN)×αW×N]]>式中pi為離散形式下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)；W是散射體統(tǒng)計(jì)窗的寬度，單位為碼片；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)；α是一個(gè)碼片內(nèi)進(jìn)行的采樣次數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的位置估計(jì)方法，其特征在于，步驟121按照下述方法獲取離散形式下的NLOS誤差的分布參數(shù)pi=s1+s2+...+sNW×N]]>式中pi為離散形下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)到的超過檢測(cè)門限的樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)；W是散射體統(tǒng)計(jì)窗的寬度，單位為樣點(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)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的位置估計(jì)方法，其特征在于，步驟121按照下述方法獲取連續(xù)形式下的NLOS誤差的分布參數(shù)θi=T-1ln(1-pi)]]>式中，θi為連續(xù)形式下的NLOS誤差的分布參數(shù)，T為系統(tǒng)采樣樣點(diǎn)間隔時(shí)間，pi為離散形式下NLOS誤差分布參數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的位置估計(jì)方法，其特征在于，所述步驟2進(jìn)一步包括步驟21確定加權(quán)矩陣的形式；步驟22根據(jù)步驟11的包含NLOS誤差的TOA測(cè)量量確定加權(quán)矩陣中需要調(diào)整的元素；步驟23確定加權(quán)矩陣中需要調(diào)整的元素取值。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的位置估計(jì)方法，其特征在于，步驟21確定下述形式的加權(quán)矩陣Q(r)＝Q(l)+Q(n)=σij211/21/2.1/21/211/2.1/21/21/21.1/2.....1/21/21/2.1+σ(n)2,12σ(n)12σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)3,12σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)12σ(n)4,12.σ(n)12.....σ(n)12σ(n)12σ(n)12.σ(n)M,12]]>=σi2211.1121.1112.1.....111.2+σ(n)12+σ(n)22σ(n)12σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)12+σ(n)32σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)12σ(n)12+σ(n)42.σ(n)12.....σ(n)12σ(n)12σ(n)12.σ(n)12+σ(n)M2]]>其中，Q(l)=σij211/21/2.1/21/211/2.1/21/21/21.1/2.....1/21/21/2.1=σi2211.1121.1112.1.....111.2]]>Q(l)為LOS環(huán)境下TDOA測(cè)量誤差N＝[n2，1n3，1…nM，1]T的協(xié)方差矩陣，σi，j2為LOS環(huán)境下TDOA測(cè)量誤差的協(xié)方差；Q(n)=σ(n)12+σ(n)22σ(n)12σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)12+σ(n)32σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)12σ(n)12+σ(n)42.σ(n)12.....σ(n)12σ(n)12σ(n)12.σ(n)12+σ(n)M2]]>=σ(n)2,12σ(n)12σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)3,12σ(n)12.σ(n)12σ(n)12σ(n)12σ(n)4,12.σ(n)12.....σ(n)12σ(n)12σ(n)12.σ(n)M,12]]>Q(n)為零均值矯正后的NLOS誤差ni，j構(gòu)成的為M-1維矢量N(n)＝[n(n)2，1n(n)3，1…n(n)M，1]T的協(xié)方差矩陣。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的位置估計(jì)方法，其特征在于，所述步驟23進(jìn)一步包括步驟231確定加權(quán)矩陣中可視(LOS)環(huán)境下TDOA測(cè)量誤差的斜方差矩陣中各個(gè)需要調(diào)整元素的取值通過LOS信道環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行TDOA測(cè)量誤差的統(tǒng)計(jì)來近似得到，或者通過系統(tǒng)仿真近似得到；步驟232確定加權(quán)矩陣中零均值矯正后的NLOS誤差構(gòu)成的多維矢量的斜方差矩陣中各個(gè)需要調(diào)整元素的取值通過包含NLOS誤差的TOA測(cè)量量中的NLOS誤差的概率密度函數(shù)得到。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種位置估計(jì)方法，該方法首先結(jié)合位置估計(jì)中的NLOS識(shí)別結(jié)果，利用由NLOS誤差的概率密度函數(shù)和分布參數(shù)確定的NLOS誤差的均值對(duì)TDOA測(cè)量中的NLOS誤差進(jìn)行零均值矯正，然后結(jié)合NLOS識(shí)別結(jié)果，利用由NLOS誤差的概率密度函數(shù)和分布參數(shù)確定的NLOS誤差的方差，對(duì)位置估計(jì)方法中的加權(quán)矩陣進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)NLOS誤差的初步抑制；最后對(duì)多個(gè)位置估計(jì)結(jié)果進(jìn)行平均，實(shí)現(xiàn)對(duì)NLOS誤差的進(jìn)一步抑制；上述方案不僅適用于LOS環(huán)境，而且適用于NLOS環(huán)境和LOS與NLOS相混合的環(huán)境；同時(shí)，該方法可以實(shí)時(shí)、有效地對(duì)NLOS誤差進(jìn)行抑制，無須長時(shí)間地對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行跟蹤測(cè)量。
文檔編號(hào)H04W4/02GK1499873SQ02148339
公開日2004年5月26日 申請(qǐng)日期2002年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月8日
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