CN101282577B

CN101282577B - 基于Ad-hoc网络技术的NLOS定位误差消除方法

Info

Publication number: CN101282577B
Application number: CN2008100149951A
Authority: CN
Inventors: 刘琚; 薛林; 陈素梅; 孙建德
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2008-04-09
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2028-04-09
Also published as: CN101282577A

Abstract

本发明提出了一种基于Ad-hoc无线网络技术的NLOS定位误差消除方法，首先在基站端测量待定位手机用户的信号到达时间序列，然后将到达时间序列转换为到达距离序列，并对到达距离序列进行拟合，求得拟合序列相对于到达距离序列的均方差，与系统噪声方差进行比较，判定基站与待定位手机之间的信号传播状态。如果判定传播状态为NLOS，则选择一定数目的中继手机并测量得到中继手机与待定位手机之间的到达时间序列，替代定位基站端测得的含有NLOS误差的到达时间序列进行定位。通过基于数据融合的定位算法得到待定位手机用户位置的最小二乘解。本发明能有效地消除因NLOS传播引起的延时误差，对NLOS误差的统计模型依赖度较低且定位精度高。

Description

基于Ad-hoc网络技术的NLOS定位误差消除方法

技术领域

本发明涉及一种基于自组织(Ad-hoc)无线网络技术的信号非直达传播(NLOS)定位误差消除方法，不仅提高了在NLOS误差统计模型不确知条件下的蜂窝网定位鲁棒性，而且还可以通过调整参与定位的中继手机用户数量，来满足不同手机用户的定位精度要求。

背景技术

传统的蜂窝网无线定位方法，主要通过测量基站与待定位手机用户之间的信号到达时间(TOA)/到达时间差(TDOA)，利用基于网络的圆周或双曲线定位方法确定用户的位置。蜂窝网无线定位的精度，受通信系统的噪声和信号非直达(NLOS)传播两方面的影响。其中，由信号NLOS传播引起的延时误差通常达到几百米到上千米，是影响蜂窝网无线定位精度的主要因素。通信系统噪声引起的误差，通常可以看作是一个均值为零的加性高斯随机变量；而信号NLOS传播引起的延时误差，则没有非常明确的统计模型来描述。

为了减少信号NLOS传播所引起的延时误差，人们提出了许多的方法。一种方法是对含有NLOS误差的测量数据进行修正，利用修正后的数据对手机用户进行定位；另一种方法是对含有NLOS误差的测量数据进行舍弃或加权处理，然后根据处理后的数据确定手机用户的位置；此外，还提出了有约束的优化方法和特征数据库方法对手机用户进行定位。然而，由于发射能量的限制，这些方法只能利用三至四个基站所提供的测量数据对手机用户进行定位，有很大的局限性。特别是多个基站与手机用户之间存在信号NLOS传播路径时，定位精度显著下降。与传统的蜂窝网相比，Ad-hoc自组织无线网络技术由于具有空间复用度高，发射能量低等特点，已成为未来无线通信领域研究的热点。将传统的蜂窝网和Ad-hoc网络技术相结合，充分利用基站和中继手机用户提供的信号强度(RSS)、信号到达时间(TOA)/到达时间差(TDOA)等测量数据来提高定位精度，正日益引起国内外通信研究人员的广泛关注。然而，如何将Ad-hoc网络技术用于蜂窝网中的NLOS定位误差消除，如何解决由此带来的定位计算量增加等问题，国内外的研究中却很少涉及。

发明内容

针对现有蜂窝网定位中存在的问题，本发明提出了一种基于Ad-hoc无线网络技术的NLOS定位误差消除方法，能够显著提高信号非直达传播(NLOS)传播条件下的定位精确度。

本发明提出的基于Ad-hoc无线网络技术的NLOS定位误差消除方法，包括以下步骤：

(1)利用时间-测量距离曲线判定待定位手机与基站和中继手机的信号传播状态，具体方法是：

a在每一参与定位的基站端和中继手机端对测得的时间-测量距离曲线用正交多项式进行拟合；

b计算拟合曲线相对于时间-测量距离曲线的均方差，并计算均方差与系统噪声方差的偏差；

c设定一个判决门限值，该门限值根据蜂窝网的外场实际测量得到的统计数据确定，一般取值为1，如果步骤b中的偏差与系统噪声方差的比值超过此门限，则判定基站与待定位手机之间为非直达传播，反之则判定为直达传播；

d如果基站与待定位手机之间的信号传播状态为非直达传播，则选取适当数量的中继手机；

(2)利用中继手机替代信号传播状态为非直达的基站参与定位，通过中继手机与待定位手机之间的到达时间测量值来消除非直达传播误差的影响，具体方法为：

a根据信号传播状态为非直达传播(NLOS)的基站数目，确定参与定位的中继手机的数量；

b选取相应数量的中继手机，并通过中继手机各自的定位基站，利用传统的圆周定位方法或双曲线定位方法计算其位置；

c测量中继手机与待定位手机之间的信号到达时间，并将到达时间转换为距离；

d利用信号传播状态为直达传播的基站端的距离测量值和中继手机端的距离测量值，通过数据融合的定位算法得到待定位手机的最小二乘法位置估计。

步骤(2)a中所述的参与定位的中继手机是指与定位基站和待定位手机用户之间均存在信号直达传播路径且能与待定位手机进行了Ad-hoc单跳通信的手机。

本发明能有效地消除因NLOS传播引起的延时误差，可以广泛应用于蜂窝网手机用户的定位服务。与国内外同类研究相比，该方法对NLOS误差的统计模型依赖度较低，且定位的精度明显提高。同时可以很容易地将部分装有GPS定位系统的手机作为中继手机，充分利用精确度较高的GPS手机用户位置信息，进一步提高NLOS传播条件下的定位精确度。本发明不仅计算量稳定，而且鲁棒性较好。

附图说明

图1是本发明定位方法的原理示意图。

图2是本发明定位方法的流程图。

图3是仅有一个基站的距离测量值存在NLOS误差时，利用本发明获得的定位误差曲线图。

图4是两个基站的距离测量值存在NLOS误差时，利用本发明获得的定位误差曲线图。

图5是三个基站的距离测量值均存在NLOS误差时，利用本发明获得的定位误差曲线图。

图6是利用本发明中的方法与利用测量距离修正的方法进行定位时的误差对比图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出的基于Ad-hoc无线网络技术的NLOS定位误差消除方法是：如果判定基站1与待定位手机之间的信号传播状态为NLOS，基站2和基站3与待定位手机之间的信号传播状态为LOS，则选取中继手机1和中继手机2，首先利用中继手机1和2各自的定位基站，通过基于网络的TOA/TDOA定位算法确定中继手机1和2的位置坐标，然后在中继手机1和2端得到待定位手机信号的到达时间测量值，并以此替代基站1端测得的含有NLOS误差的到达时间测量值，最后结合基站2和3端得到的待定位手机信号到达时间测量值，通过基于数据融合的定位算法得到待定位手机的最小二乘位置估计。

同理，如果基站2或基站3与待定位手机之间也存在着信号NLOS传播路径，则我们也可以采用同样的方法替代基站2或3端含有NLOS误差的到达时间测量值，并通过基于数据融合的定位算法估计待定位手机的位置。

图2给出了本发明的流程图，具体实施步骤如下：

1.监测待定位手机与其定位基站之间的信号传播状态。

具体方法是在每个定位基站端测量待定位手机的信号到达时间序列，并将到达时间序列转换为测量距离序列r(t)，，t＝0，1，...，M-1，然后利用正交多项式

s (t) = Σ_{j = 0}^{N - 1} a_{i} t^{i}

对测量距离序列拟合，其中，M是采样点个数；N是拟合的阶数。根据测量噪声误差模型确定误差的方差σm，同时计算测量距离序列与拟合序列之间的均方差

{\hat{σ}}_{m} = \sqrt{\frac{1}{M} Σ_{l = 0}^{M - 1} {[s (t) - r (t)]}^{2}},

并设定一个判决门限值。如果

大于这个门限值，则判定基站与待定位手机之间的信号传播状态为NLOS，反之则判定为直达(LOS)；

2.如果所有参与定位的基站与待定位手机之间的信号传播状态均为LOS，则利用公式X＝A^-1Y求得待定位手机的位置。

其中，

A = - 2 [\begin{matrix} x_{2 -} x_{1} & y_{2} {- y}_{1} \\ x_{3 -} x_{1} & y_{3} {- y}_{1} \end{matrix}],

Y = [\begin{matrix} r_{2}^{2} - r_{1}^{2} - x_{2}^{2} {- y}_{2}^{2} + x_{1}^{2} + y_{1}^{2} \\ r_{3}^{2} - r_{1}^{2} - x_{3}^{2} - y_{3}^{2} + x_{1}^{2} + y_{1}^{2} \end{matrix}]

(x_i，y_i)，i＝1，2，3为参与定位基站的位置坐标，r_i，i＝1，2，3为基站与待定位手机之间的测量距离。

3.如果参与定位的某一基站与待定位手机之间的信号传播状态为NLOS，则根据选取一定数量的中继手机(与定位基站和待定位手机用户之间均存在直达传播路径且能与待定位手机进行了Ad-hoc单跳通信的手机)，然后利用基于网络的TOA/TDOA定位算法通过各自的定位基站计算中继手机的位置坐标；

4.测量中继手机与待定位手机之间的信号到达时间序列并转换为到达距离序列。

5.如果参与定位的其中两个或全部基站与待定位手机之间的信号传播路径为NLOS，则重复步骤3和4。

6.利用信号传播状态为LOS的定位基站端、中继手机端的距离测量序列，通过基于数据融合的定位算法计算得待定位手机的最小二乘位置估计

\hat{X} = {(A^{T} A)}^{- 1} A^{T} Y,

其中，

A = - 2 [\begin{matrix} x_{3} - x_{2} & y_{3} - y_{2} \\ x_{4} {- x}_{2} & y_{3} - y_{2} \\ x_{5} - x_{2} & y_{5} - y_{2} \\ \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot \end{matrix}]

Y = [\begin{matrix} r_{3}^{2} - r_{2}^{2} - x_{3}^{2} - y_{3}^{2} + x_{2}^{2} + y_{2}^{2} \\ r_{4}^{2} - r_{2}^{2} - x_{4}^{2} - y_{4}^{2} + x_{2}^{2} + y_{2}^{2} \\ r_{5}^{2} - r_{2}^{2} - x_{5}^{2} - y_{5}^{2} + x_{2}^{2} + y_{2}^{2} \\ \cdot \cdot \cdot \end{matrix}]

(x_i，y_i)，i＝2，3为参与定位基站的位置坐标，r_i，i＝2，3为基站与待定位手机之间的测量距离；(x_i，y_i)，i＝4，5，...为参与定位的中继手机的位置坐标，r_i，i＝4，5，...为参与定位的中继手机与待定位手机之间的测量距离。

图3给出了仅有一个基站的距离测量值存在NLOS误差时，利用本发明定位误差消除方法获得的定位误差曲线图。从图中可以看出，选用8台中继手机参与定位时，定位精度能够达到稳定。

图4给出了两个基站的距离测量值存在NLOS误差时，利用本发明定位误差消除方法获得的定位误差曲线图。从图中可以看出，选用20台中继手机参与定位时，定位精度能够达到稳定。

图5给出了三个基站的距离测量值均存在NLOS误差时，利用本发明定位误差消除方法获得的定位误差曲线图。从图中可以看出，选用25台中继手机参与定位时，定位精度能够达到稳定。

从图3、图4和图5中可以看出，选择一定数量的中继手机参与定位，在不同的测量噪声条件下，均能够达到较高的定位精度要求。表明本发明的方法不仅计算量稳定，而且定位方法的鲁棒性较好。

图6给出了其他相关文献中利用测量距离修正值定位的误差曲线图。从图中可以看出，与之相比，利用本发明中的方法可以达到其测量噪声较低时的定位精度。

Claims

1.一种基于Ad-hoc无线网络技术的NLOS非直达传播定位误差消除方法，包括以下步骤：

c设定一个判决门限值，该门限值根据蜂窝网的外场实际测量得到的统计数据确定，取值为1，如果步骤b中的偏差与系统噪声方差的比值超过此门限，则判定基站与待定位手机之间为非直达传播，反之则判定为直达传播；

a根据信号传播状态为非直达传播的基站数目，确定参与定位的中继手机的数量；

2.根据权利要求1所述的基于Ad-hoc无线网络技术的NLOS非直达传播定位误差消除方法，其特征在于：步骤(2)a中所述的参与定位的中继手机是指与定位基站和待定位手机用户之间均存在信号直达传播路径且能与待定位手机进行了Ad-hoc单跳通信的手机。