CN104330788A - 基于到达路径反向追踪的无线电定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于到达路径反向追踪的无线电定位方法，利用多径和NLOS路径信号的思路进行定位，通过信息融合技术，对基站不同的信号到达路径进行反向跟踪，逐步缩小移动台的位置可行域，最终实现对移动台的定位。本发明使用环境地理信息减轻NLOS误差对定位结果的影响，提高定位精度，提高反向射线跟踪定位方法的有效性，到达路径数目越多，定位精度越准确，提高无线定位方法的可靠性，定位精度更高，鲁棒性更强。

Description

基于到达路径反向追踪的无线电定位方法

技术领域

本发明涉及无线电定位领域，特别涉及一种基于到达路径反向追踪的无线电定位方法。

背景技术

位置信息作为与人类生产生活密切相关的基础信息，在现代社会当中成为了不可或缺的需求，其应用涉及交通、天文、气象、环保、救灾、移动通信、地质勘探、生物医学、地震监测等众多领域。随着科技的发展，人们对定位精度的要求也越来越高，这些需求不断推动定位新概念、新技术的提出。无线电定位技术在国防领域也具有重要的应用价值，现代局部战争是高技术的信息战争，而电子战又是信息战的重要支柱，谁取得了电子战的优势，谁就掌握了战争的主动权。用无线电定位技术确定军事目标的地理位置是电子战的重要方面，是夺取制空权、制电磁权、实施精确打击的首要前提。无线电定位技术也是一种重要的侦察手段，可以用于获取敌方指挥中心、战场部署和部队调动等作战信息。

射线跟踪方法基于几何光学理论，通过模拟射线(光线)的传播路径来确定反射、折射和阴影等，在无线电学中，通过射线跟踪可以辨认出多径信道中收发之间所有可能的射线路径，从而计算场点的相关无线电参数。射线跟踪主要用来做无线电波覆盖预测，可以辅助进行无线网络设计、基站选址和网络优化。把射线跟踪技术引入到无线定位领域是一项新的尝试，旨在提高复杂无线环境下的目标定位精确度和定位反应速度。基于射线跟踪的蜂窝网目标定位算法，其原理是根据射线跟踪在基站选址应用中所建立的电波覆盖数据库，反向匹配目标手机的可能位置。该方法的优点是无需对现有通信网络进行改造，定位响应速度快，且对NLOS误差不敏感，在复杂无线环境下相比现有算法定位精度较高。但是该方法对目标位置的解算是利用定位参数特征序列匹配技术，主要存在以下三个方面问题：(1)离线建立指纹库工作量庞大繁琐，周期长、费用高；(2)当环境发生变化时需要对指纹库进行更新，维护不够方便；(3)在位置解算时仅使用定位参数在数据库中进行简单匹配，没有从理论和全局角度研究最优化的定位结果，因此定位精度还有待进一步提高。对于传统无线电定位技术来说，大多仅使用观测站测量信息进行定位，但由于实际无线环境的复杂性，定位测量数据往往会受到较大的噪声污染，从而影响定位系统的定位精度和可定位概率。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种基于到达路径反向追踪的无线电定位方法，使用环境地理信息融合定位，摒弃传统抑制多径及非直达径的思路，有效利用多径信息和NLOS路径信息，减轻NLOS误差对定位结果的影响，通过逐步缩小移动台位置可行域，实现对移动台的定位，提高基于到达路径反向追踪的无线电定位的有效性，定位精度更高，鲁棒性更强。按照本发明所提供的设计方案，一种基于到达路径反向追踪的无线电定位方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤一.根据地理信息系统GIS位置信息和观测基站测量的到达角AOA和到达时间TOA的参数信息，判断接收信号的传播路径是否为直射，若是，根据AOA和TOA参数信息构造目标位置可行域PLAT，否则，进入步骤二，计算反向跟踪射线和与反向跟踪射线相交镜像面的交点及该观测基站关于镜像面的镜像点；

步骤二.根据步骤一中的反向跟踪射线和镜像面的交点及镜像点，由反射路径和绕射路径判决法判断反向跟踪射线是绕射还是反射，若是绕射，则根据绕射点位置和剩余时延构造目标位置可行域PLAT，若是反射，则根据反射点和镜像点位置计算反射路径；

步骤三.根据步骤二中得到的反射路径判断是否发生二次反射或绕射，若没有发生，则根据TOA和AOA参数信息构造目标位置可行域PLAT，否则，计算反向跟踪射线和该射线正方向的镜像面的交点及二级镜像点；

步骤四.根据步骤三中得到的交点及二级镜像点，由反射路径和绕射路径判决法判断该次射线是绕射还是反射，若是绕射，则根据绕射点位置和剩余时延构造目标位置可行域PLAT，若是反射，则根据反射点和二次镜像点位置计算二次反射路径，并根据TOA和AOA参数信息构造目标位置可行域PLAT；

步骤五.判断所有到达径是否跟踪完毕，若是，则构造目标位置可行域，否则，返回步骤一。

上述步骤中，所述反射路径和绕射路径判决法如下：建筑物两个墙角的坐标分别为点A(x_A,y_A)和点B(x_B,y_B)，反向跟踪射线和径向面的交点为C(x_C，y_C)，则其中，参数为判决门限，即交点C距离建筑物拐角的距离门限。

所述步骤三中反射路径判断是否发生二次反射或绕射的判断规则内容为：S_G＝τ-L_OC-L_CG，当反向跟踪射线的剩余距离S_G为负值或者小于判决门限λ₀时，则反向跟踪射线不会在镜像面二处发生二次反射或者绕射现象，反向射线跟踪过程结束，否则，反向跟踪射线在镜像面二处发生二次反射或绕射时，根据反射路径和绕射路径判决法对具体发生二次反射还是二次绕射进行继续判决，其中，C为反向跟踪射线与镜像面一的交点，G为反向跟踪射线与镜像面二的交点，O为观测基站点，L_OC为观测基站O到交点C之间的距离，L_CG为交点C到交点G之间的距离，S_G为观测基站到交点G的剩余距离，τ为时间测量值与光速系数的运算值。

所述步骤二中剩余时延为反向跟踪射线的反射射线到达绕射点时的剩余时延。

本发明基于到达路径反向追踪的无线电定位方法的有益效果：

1.本发明使用环境地理信息的数据层融合定位技术，和经典的无线定位方法不同，它不是从消除多径信号和抑制NLOS误差入手解来决问题，而是从利用多径和NLOS路径信号的思路进行定位，通过信息融合技术，对基站不同的信号到达路径进行反向跟踪，逐步缩小移动台的位置可行域，最终实现对移动台的定位，提高基于到达路径反向追踪的无线电定位的有效性，定位精度更高，鲁棒性更强。

2.本发明相比直接使用测量参数进行无线定位的方法，使用环境地理信息可以减轻NLOS误差对定位结果的影响，提高定位精度，提高该反向射线跟踪定位方法的有效性，所使用的到达路径数目越多，定位精度越准确，提高无线定位方法的可靠性。

附图说明：

图1为本发明的微小区环境定位方法示意图；

图2为本发明的追踪流程示意图；

图3为本发明的微小区环境反向跟踪射线原理示意图；

图4为本发明的反射路径的环境位置可行域构造；

图5为本发明的绕射路径的环境位置可行域构造；

图6为本发明的算法仿真环境；

图7为本发明的遗传算法染色体分布图；

图8为本发明的定位性能统计对比图；

图9为本发明的不同路径数的定位误差统计对比图。

具体实施方式：

下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不限于此。

一种基于到达路径反向追踪的无线电定位方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤一.根据地理信息系统GIS位置信息和观测基站测量的到达角AOA和到达时间TOA的参数信息，判断接收信号的传播路径是否为直射，若是，根据AOA和TOA参数信息构造目标位置可行域PLAT，否则，进入步骤二，计算反向跟踪射线和与反向跟踪射线相交镜像面的交点及该观测基站关于镜像面的镜像点；

步骤二.根据步骤一中的反向跟踪射线和镜像面的交点及镜像点，由反射路径和绕射路径判决法判断反向跟踪射线是绕射还是反射，若是绕射，则根据绕射点位置和剩余时延构造目标位置可行域PLAT，若是反射，则根据反射点和镜像点位置计算反射路径；

步骤三.根据步骤二中得到的反射路径判断是否发生二次反射或绕射，若没有发生，则根据TOA和AOA参数信息构造目标位置可行域PLAT，否则，计算反向跟踪射线和该射线正方向的镜像面的交点及二级镜像点；

步骤四.根据步骤三中得到的交点及二级镜像点，由反射路径和绕射路径判决法判断该次射线是绕射还是反射，若是绕射，则根据绕射点位置和剩余时延构造目标位置可行域PLAT，若是反射，则根据反射点和二次镜像点位置计算二次反射路径，并根据TOA和AOA参数信息构造目标位置可行域PLAT；

步骤五.判断所有到达径是否跟踪完毕，若是，则构造目标位置可行域，否则，返回步骤一。

上述步骤中，所述反射路径和绕射路径判决法如下：建筑物两个墙角的坐标分别为点A(x_A,y_A)和点B(x_B,y_B)，反向跟踪射线和径向面的交点为C(x_C，y_C)，则其中，参数为判决门限，即交点C距离建筑物拐角的距离门限。

所述步骤三中反射路径判断是否发生二次反射或绕射的判断规则内容为：S_G＝τ-L_OC-L_CG，当反向跟踪射线的剩余距离SG为负值或者小于判决门限λ₀时，则反向跟踪射线不会在镜像面二处发生二次反射或者绕射现象，反向射线跟踪过程结束，否则，反向跟踪射线在镜像面二处发生二次反射或绕射时，根据反射路径和绕射路径判决法对具体发生二次反射还是二次绕射进行继续判决，其中，C为反向跟踪射线与镜像面一的交点，G为反向跟踪射线与镜像面二的交点，O为观测基站点，L_OC为观测基站O到交点C之间的距离，L_CG为交点C到交点G之间的距离，S_G为观测基站到交点G的剩余距离，τ为到达时间测量值与光速系数的乘积，其中，时间测量值为接收信号接收时间与该接收信号的发送时间的差值。

所述步骤二中剩余时延为反向跟踪射线的反射射线到达绕射点时的剩余时延。

如图3所示，按照镜像法的原理，源像点对称于反射面产生镜像点(一级镜像点)，如果发生二次反射，镜像点对称于二次反射面产生新的镜像点(二级镜像点)。鉴于电磁波能量经过反射后的衰减较大，对于反射面，忽略建筑物墙壁的弧度，即认为反射面影射到二维平面上均为直线。设基站坐标为(0,0)，基站覆盖区域为R，移动台坐标为MS(x_MS,y_MS)，基站端第k条到达路径的TOA测量值为τ_k，AOA测量值为θ_k，时延和角度的测量标准偏差分别为ε_τk和ε_θk，则从基站出发进行反向跟踪的射线方程为:

$\frac{y}{x}=\mathrm{arcth}{\mathrm{\θ}}_k$

设与反向射线相交的第一个镜像面为直线l₁，建筑物两个墙角的坐标分别为点A(x_A,y_A)和点B(x_B,y_B)，则直线l₁的方程如下式所示:

$\frac{y-y_A}{x-x_A}=\frac{y_B-y_A}{x_B-x_A}$

由上式可得反向跟踪射线和直线l1的交点C(x_C,y_C)，其中:

$\left\{\begin{array}{c}{x}_C=\frac{x_B{y}_A-x_A{y}_B}{y_A-y_B+x_B\mathrm{arctg}{\mathrm{\θ}}_k-x_A\mathrm{arctg}{\mathrm{\θ}}_k}\\ y_C=\frac{(x_B{y}_A-x_A{y}_B)\mathrm{arctg}{\mathrm{\θ}}_k}{y_A-y_B+x_B\mathrm{arctg}{\mathrm{\θ}}_k-x_A\mathrm{arctg}{\mathrm{\θ}}_k}\end{array}\right.$

设基站关于镜像面l₁的镜像点为D(x_D,y_D)，则有:

$\left\{\begin{array}{c}{(x_A-x_D)}^2+{(y_A-y_D)}^2={x_A}^2+{y_A}^2\\ {(x_B-x_D)}^2+{(y_B-y_D)}^2={x_B}^2+{y_B}^2\end{array}\right.$

由上式可以计算出镜像点D的坐标。

当判决反向跟踪路径在镜像面l₁处发生反射时，接下来从反射点C出发，沿射线DC的正方向对电磁波进行继续跟踪，如图3所示，假设由GIS矢量数据信息可知射线DC正方向为镜像面l₂，设镜像面l₂建筑物两个拐角的坐标分别为点E(x_E，y_E)和点F（x_F，y_F)，射线DC与l₂的交点为G(x_G，y_G)。点G的坐标通过求解如下方程组得出：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{y-y_E}{x-x_E}=\frac{y_E-y_E}{x_E-x_E}\\ \frac{y-y_C}{x-x_C}=\frac{y_C-y_D}{x_C-x_D}\end{array}\right.$

首先定义反向跟踪射线从基站位置到达交点G的剩余距离为S_G，则有:

S_G＝τ-L_OC-L_CG

其中L_OC为基站到交点C之间的距离，L_CG为交点C到交点G之间的距离。

当反向跟踪射线的剩余距离S_G为负值或者小于判决门限λ₀时，认为反向跟踪射线不会在镜像面l₂处发生二次反射或者绕射现象，反向射线跟踪过程结束，即:

当判决反向跟踪射线在镜像面l₂处发生二次反射或绕射时，根据反射路径和绕射路径判决法的原理对具体发生二次反射还是二次绕射进行继续判决。

判断出反向跟踪射线的二次反射之后，如图4所示，根据求解出的一级镜像点D的坐标(x_D,y_D)，以及镜像面l2的直线方程，可以由下式求解二级镜像点H的坐标H(x_H,y_H):

$\left\{\begin{array}{c}{(x_E-x_H)}^2+{(y_E-y_H)}^2={(x_E-x_D)}^2+{(y_E-y_D)}^2\\ {(x_F-x_H)}^2+{(y_F-y_H)}^2={(x_F-x_D)}^2+{(y_F-y_D)}^2\end{array}\right.$

其中点E(x_E,y_E)和点F(x_F,y_F)由GIS矢量地图得到，点D(x_D,y_D)可以解算得到。

移动台位置坐标MS(x_MS,y_MS)位于射线HG上，到二级镜像点H(x_H,y_H)的距离为τ_k，由此可得方程组:

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x_{\mathrm{MS}}-x_H)}^2+{(y_{\mathrm{MS}}-y_H)}^2}={\mathrm{\τ}}_k\\ \frac{y_{\mathrm{MS}}-y_G}{x_{\mathrm{MS}}-x_G}=\frac{y_G-y_H}{x_G-x_H}\end{array}\right.$

由此可见，通过反向射线跟踪过程，微小区环境下的NLOS路径定位问题转化为了LOS环境下的AOA/TOA定位模型，在此模型下可以使用上一章给出的方法构造移动台位置可行域，其构造结果如图4中的阴影区域所示。

由于绕射现象的复杂性，根据J.B.Keller的几何绕射理论，电波经过绕射之后，在绕射点向周围呈360度发散传播，因此通过跟踪一条射线精确计算出绕射路径下的移动台位置是很困难的。通过信息融合技术，对观测基站不同的信号到达路径进行反向跟踪，可以逐步缩小移动台的位置可行域。针对单一绕射路径的移动台位置可行域，使用绕射点位置和剩余时延进行构造，其原理如图5所示，图中的环形阴影部分为构造的移动台绕射路径位置可行域，其中，Δτ_k定义为反向射线到达绕射点时的剩余时延。

为了验证本发明的有效性，做如下仿真：仿真在单基站环境下进行，如图6所示，设基站位置位于坐标原点，基站共测量到3条到达路径，路径1为一次反射路径，路径2为绕射路径，路径3为两次反射路径，建筑物位置为图中的矩形区域，其中A点坐标为A(50,100)，B点坐标为B(140,100)，E点坐标为E(20,-50)，F点坐标为F(250,-50)，式(60)中绕射判决门限为20米。所有路径角度的测量误差为0均值、标准差为5度的高斯分布，时延的测量误差为0均值、标准差为50米的高斯分布。仿真按照图2所示的流程进行，使用离散适应度分布式遗传算法，将染色体的均值作为定位结果。

首先，仿真算法的有效性，图7是单点测量时遗传算法染色体的分布区域，将经典遗传算法与本算法进行对比，经典遗传算法使用最早到达径的AOA和TOA进行定位，仿真结果如图8所示，从图中可以看出，相比直接使用测量参数进行定位，使用环境地理信息可以减轻NLOS误差对定位结果的影响，提高定位精度，显示了本文所介绍反向射线跟踪方法的有效性。

其次，仿真接收信号路径数对定位结果的影响，分路径1、路径1和路径3，所有3条路径三种情况进行仿真，定位结果的统计对比如图9所示，从图中可以看出，所使用的信号路径数越多，定位精度的提高就越明显。

本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域技术人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或者类似的变化都应涵盖在本发明权利要求的范围内。

Claims (4)

1.一种基于到达路径反向追踪的无线电定位方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤一.根据地理信息系统GIS位置信息和观测基站测量的到达角AOA和到达时间TOA的参数信息，判断接收信号的传播路径是否为直射，若是，根据AOA和TOA参数信息构造目标位置可行域PLAT，否则，进入步骤二，计算反向跟踪射线和与反向跟踪射线相交镜像面的交点及该观测基站关于镜像面的镜像点；

步骤二.根据步骤一中的反向跟踪射线和镜像面的交点及镜像点，由反射路径和绕射路径判决法判断反向跟踪射线是绕射还是反射，若是绕射，则根据绕射点位置和剩余时延构造目标位置可行域PLAT，若是反射，则根据反射点和镜像点位置计算反射路径；

步骤三.根据步骤二中得到的反射路径判断是否发生二次反射或绕射，若没有发生，则根据TOA和AOA参数信息构造目标位置可行域PLAT，否则，计算反向跟踪射线和该射线正方向的镜像面的交点及二级镜像点；

步骤四.根据步骤三中得到的交点及二级镜像点，由反射路径和绕射路径判决法判断该次射线是绕射还是反射，若是绕射，则根据绕射点位置和剩余时延构造目标位置可行域PLAT，若是反射，则根据反射点和二次镜像点位置计算二次反射路径，并根据TOA和AOA参数信息构造目标位置可行域PLAT；

步骤五.判断所有到达径是否跟踪完毕，若是，则构造目标位置可行域，否则，返回步骤一。

2.根据权利要求1所述的基于到达路径反向追踪的无线电定位方法，其特征在于：所述反射路径和绕射路径判决法如下：建筑物两个墙角的坐标分别为点A(x_A,y_A)和点B(x_B,y_B)，反向跟踪射线和径向面的交点为C(x_C，y_C)，则

其中，参数为判决门限，即交点C距离建筑物拐角的距离门限。

3.根据权利要求1所述的基于到达路径反向追踪的无线电定位方法，其特征在于：步骤三中反射路径判断是否发生二次反射或绕射的判断规则内容为：S_G＝τ-L_OC-L_CG，当反向跟踪射线的剩余距离S_G为负值或者小于判决门限λ₀时，则反向跟踪射线不会在镜像面二处发生二次反射或者绕射现象，反向射线跟踪过程结束，否则，反向跟踪射线在镜像面二处发生二次反射或绕射时，根据反射路径和绕射路径判决法对具体发生二次反射还是二次绕射进行继续判决，其中，C为反向跟踪射线与镜像面一的交点，G为反向跟踪射线与镜像面二的交点，O为观测基站点，L_OC为观测基站O到交点C之间的距离，L_CG为交点C到交点G之间的距离，S_G为观测基站到交点G的剩余距离，τ为时间测量值与光速系数的运算值。

4.根据权利要求1所述的基于到达路径反向追踪的无线电定位方法，其特征在于：所述步骤二中剩余时延为反向跟踪射线的反射射线到达绕射点时的剩余时延。