CN104640206A - 一种偏心式星形布站体制的多点定位方法 - Google Patents

Abstract

一种偏心式星形布站体制的多点定位方法。其包括根据多点定位系统所在定位区域内多个副站位置坐标确定其空间分布平面几何图形；求取平面几何图形中心坐标，将中心与各个副站连线；计算将主站放在副站与中心连线上时目标定位的GDOP值；调整主站在副站与中心或重心连线上的位置，重复计算多点定位系统的目标定位的GDOP值；将随主站偏离中心位置时GDOPi各值连线，获得主站偏置变化时的GDOP变化趋势；根据主站偏置变化时的GDOP变化趋势找到GDOP最大值，依此确定最大GDOPm值时的主站位置坐标。本发明能减少多点定位系统接收基站数量、定位计算量及信息冗余度，显著降低多点定位系统运行成本。

Description

一种偏心式星形布站体制的多点定位方法

技术领域

本发明属于估计场面、低空移动目标位置的多点定位技术领域，特别是涉及一种偏心式星形布站体制的多点定位方法。

背景技术

多点定位系统(MLAT)由若干个安装在监视区域内的地面接收基站(分为主站与基站)与数据处理中心等组成，是基于合作信号的多点监视系统，其通过地面接收基站应答信号，数据处理中心利用移动目标发射信号到达主站和各副站间的到达时间差(TDOA)来估算目标空间位置，实现机场场面区域、低空区域内移动和静止的航空器及地面移动车辆等装置的精确监视。但由于机场陆侧及空侧内航站楼、廊桥等各类建筑物存在遮挡现象，从而使传统场面监视系统在某些区域存在盲区，MLAT接收基站具有布置灵活、成本低，补盲效率高等优点。

目前，国内外对基于到达时间差的多点定位系统定位原理与方法的研究众多，有关提高定位精确度、增加定位区域覆盖率的方法归结起来大致有五种：方法一是通过增加接收基站的数量场面及低空区域的定位精确度。方法二则通过选择不同的定位基站布站方式提高定位覆盖率与定位精确度。方法三是通过增加基线长度提高定位精确度与覆盖率。方法四是通过优化到达时间差的定位算法提高定位精确度。方法五是通过优化合作信号传输信道模型提高定位精确度。这些方法的共同特点是均认为多点定位系统的定位基站分布方式已经最优。从目前已知的多点定位系统应用现状分析发现，如何在定位基站数量最少的情况下使定位基站分布方式达到最优还需要更进一步的研究。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种偏心式星形布站体制的多点定位方法。

为了达到上述目的，本发明提供的偏心式星形布站体制的多点定位方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤一：根据多点定位系统所在定位区域内多个副站位置坐标确定其空间分布平面几何图形；

步骤二：求取由多个副站构成的平面几何图形的中心或重心坐标，并将中心或重心与各个副站进行连线；

步骤三：计算将多点定位系统中主站放置在副站与中心或重心连线上时目标定位的GDOP值；

步骤四：调整主站在副站与中心或重心连线上的位置，重复计算多点定位系统的目标定位的GDOP值，由此得到对应位置主站的GDOP值；

步骤五：将步骤四中所求得的随主站偏离中心或重心位置时GDOPi各值连接成线，获得主站偏置变化时的GDOP变化趋势，为搜索主站偏置时GDOPi最大值提供依据；

步骤六：根据主站偏置变化时的GDOP变化趋势找到GDOP最大值，依此确定最大GDOPm值时的主站位置坐标：依次比较上述目标定位的GDOP值直到找到最大GDOPm值，则此GDOPm值对应的点位置即是该多个副站构成的平面几何图形中主站的最佳位置。

在步骤一中，所核爆的平面几何图形为正多边形或非正多边形。

在步骤三中，所述的计算将多点定位系统中主站放置在副站与中心或重心连线上时目标定位的GDOP值的方法是：

计算公式：

其中，σ_x,σ_y,σ_z分别表示移动目标到第i站的距离在x,y,z方向上的定位误差；

具体的，假设主站高度与中心或重心在一个平面时根据上述GDOP计算公式计算目标定位的GDOP值；再计算主站高度高于和低于中心或重心所在平面时的目标定位的GDOP值；

具体方法：测量目标回波信号到达各副站的时间TOAi，其中i＝1,2……n，n为副站的数量，以及到达主站的时间TOA0；

计算主站与各副站之间的到达时间差TDOAi，其中i＝1,2……n，即TDOAi＝TOAi-TOAj；，其中i≠j，j＝1,2……n，建立定位方程组；

利用包括CHAN算法在内的成熟定位算法求解定位方程组，估算目标位置，同时计算目标定位的GDOP值。

在步骤四中，所述的调整主站在副站与中心或重心连线上的位置，重复计算多点定位系统的目标定位的GDOP值，由此得到对应位置主站的GDOP值的方法是：

移动主站位置至Pi点，i＝1……N，N为正整数，即使主站逐步远离平面几何图形的中心或重心位置，计算此时目标定位的GDOPi值；再去i+1，继续计算目标定位的GDOPi+1值，直至Pi点的位置移出由多个副站构成的平面几何图形。

本发明提供的偏心式星形布站体制的多点定位方法能够在最少接收基站数量或者不大幅度增加定位基站数量、保证定位精确度的前提下，达到定位区域的最大覆盖度，从而达到减少多点定位系统接收基站数量、定位计算量及信息冗余度，显著降低多点定位系统运行成本的目的。

附图说明

图1为四接收基站的多点定位系统的空间基站分布模式图；

图2为传统的主站位于定位重心(中心)区的四接收基站的星形(或Y形)定位基站布局方式图，其中五角星表示主站；

图3为主站位于三角形重心(中心)的四接收基站的星形(或Y形)定位基站布局方式下多点定位覆盖状态图；

图4为四接收基站的星形(或Y形)定位基站布局方式中，主站位于x轴偏离三角形重心(中心)点位置(坐标)时的多点定位覆盖状态图；

图5为四接收基站的星形(或Y形)定位基站布局方式中，主站位于x轴偏离重心(中心)点位置(坐标)并移动时的多点定位系统监视区域内定位覆盖状态变化趋势；

图6为本发明提供的偏心式星形布站体制的多点定位方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的偏心式星形布站体制的多点定位方法进行详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图6所示，本发明提供的偏心式星形布站体制的多点定位方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤一：根据多点定位系统所在定位区域内多个副站位置坐标确定其空间分布平面几何图形；

该平面几何图形为正多边形或非正多边形；为说明方便、简洁起见，本发明以四接收基站的多点定位系统为例进行说明，其中一个主站、三个副站，空间基站分布模式如图1所示，三个副站呈星形或Y形布局，多于四个接收基站的多点定位系统的主站偏置位置(坐标)可简单推得。在此情况下，平面几何图形为正三角形或非正三角形；

步骤二：求取由多个副站构成的平面几何图形的中心或重心坐标，并将中心或重心与各个副站进行连线，如图2所示；

步骤三：计算将多点定位系统中主站放置在副站与中心或重心连线上时目标定位的几何精度因子(GDOP)值；计算公式为：

其中，σ_x,σ_y,σ_z分别表示移动目标到第i站的距离在x,y,z方向上的定位误差。

具体的，假设主站高度与中心或重心在一个平面时根据上述GDOP计算公式计算目标定位的GDOP值；再计算主站高度与中心或重心不在一个平面时(高于及低于)目标定位的GDOP值。

具体方法：测量目标回波(应答)信号到达各副站的时间TOAi，其中i＝1,2……n，n为副站的数量，以及到达主站的时间TOA0；

计算主站与各副站之间的到达时间差TDOAi，其中i＝1,2……n，即TDOAi＝TOAi-TOAj；，其中i≠j，j＝1,2……n，建立定位方程组；

利用包括CHAN算法在内的成熟定位算法求解定位方程组，估算目标位置，同时计算目标定位的GDOP值，如图3所示；

步骤四：调整主站在副站与中心或重心连线上的位置，重复计算多点定位系统的目标定位的GDOP值，由此得到对应位置主站的GDOP值；

移动主站位置至Pi点(i＝1……N，N为正整数)，即使主站逐步远离平面几何图形的中心或重心位置，计算此时目标定位的GDOPi值；再去i+1，继续计算目标定位的GDOPi+1值，直至Pi点的位置移出由多个副站构成的平面几何图形，如图4所示。

步骤五：将步骤四中所求得的随主站偏离中心或重心位置时GDOPi各值连接成线，获得主站偏置变化时的GDOP变化趋势，为搜索主站偏置时GDOPi最大值提供依据，如图5所示；

步骤六：根据主站偏置变化时的GDOP变化趋势找到GDOP最大值，依此确定最大GDOPm值时的主站位置坐标：依次比较上述目标定位的GDOP值直到找到最大GDOPm值，则此GDOPm值对应的点位置即是该多个副站构成的平面几何图形中主站的最佳位置。

从图6及上述计算过程可以看出，本实施例所述方法基本上能够达到最优的理论定位效果。

本领域普通技术人员可以理解：实现图6所示的主站偏置实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，该程序可存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时包括上述所述实施例步骤；其中所述存储介质包括：FLASH ROM，ROM，RAM，磁碟或光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅以四基站定位(一主站、三副站)、正三角形方式用以说明本发明的技术方案，而非对其基站数量及基站分布方式的限制；尽管参照前述实施例对本发明进行详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种偏心式星形布站体制的多点定位方法，其特征在于：所述的偏心式星形布站体制的多点定位方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤一：根据多点定位系统所在定位区域内多个副站位置坐标确定其空间分布平面几何图形；

步骤二：求取由多个副站构成的平面几何图形的中心或重心坐标，并将中心或重心与各个副站进行连线；

步骤三：计算将多点定位系统中主站放置在副站与中心或重心连线上时目标定位的GDOP值；

步骤四：调整主站在副站与中心或重心连线上的位置，重复计算多点定位系统的目标定位的GDOP值，由此得到对应位置主站的GDOP值；

步骤五：将步骤四中所求得的随主站偏离中心或重心位置时GDOPi各值连接成线，获得主站偏置变化时的GDOP变化趋势，为搜索主站偏置时GDOPi最大值提供依据；

步骤六：根据主站偏置变化时的GDOP变化趋势找到GDOP最大值，依此确定最大GDOPm值时的主站位置坐标：依次比较上述目标定位的GDOP值直到找到最大GDOPm值，则此GDOPm值对应的点位置即是该多个副站构成的平面几何图形中主站的最佳位置。

2.根据权利要求1所述的偏心式星形布站体制的多点定位方法，其特征在于：在步骤一中，所核爆的平面几何图形为正多边形或非正多边形。

3.根据权利要求1所述的偏心式星形布站体制的多点定位方法，其特征在于：在步骤三中，所述的计算将多点定位系统中主站放置在副站与中心或重心连线上时目标定位的GDOP值的方法是：

计算公式：

其中，σ_x,σ_y,σ_z分别表示移动目标到第i站的距离在x,y,z方向上的定位误差；

具体的，假设主站高度与中心或重心在一个平面时根据上述GDOP计算公式计算目标定位的GDOP值；再计算主站高度高于和低于中心或重心所在平面时的目标定位的GDOP值；

具体方法：测量目标回波信号到达各副站的时间TOAi，其中i＝1,2……n，n为副站的数量，以及到达主站的时间TOA0；

计算主站与各副站之间的到达时间差TDOAi，其中i＝1,2……n，即TDOAi＝TOAi-TOAj；，其中i≠j，j＝1,2……n，建立定位方程组；

利用包括CHAN算法在内的成熟定位算法求解定位方程组，估算目标位置，同时计算目标定位的GDOP值。

4.根据权利要求1所述的偏心式星形布站体制的多点定位方法，其特征在于：在步骤四中，所述的调整主站在副站与中心或重心连线上的位置，重复计算多点定位系统的目标定位的GDOP值，由此得到对应位置主站的GDOP值的方法是：

移动主站位置至Pi点，i＝1……N，N为正整数，即使主站逐步远离平面几何图形的中心或重心位置，计算此时目标定位的GDOPi值；再去i+1，继续计算目标定位的GDOPi+1值，直至Pi点的位置移出由多个副站构成的平面几何图形。