CN105208527A - 多径环境下基于信号传播路径推算的无线定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多径环境下基于信号传播路径推算的无线定位方法，该方法包括如下步骤：S1、基站广播无线信号；S2、移动台接收到无线信号后向基站发出定位请求；S3、基站借助地理信息系统GIS对移动台进行基于信号传播路径推算的无线定位，并将定位结果发送至移动台。本发明所述技术方案解决了消除了多径传播对定位性能的影响，仿真结果表明，在控制角度测量值误差的情况下，本发明所述技术方案取得了较好的定位效果。将本发明所述技术方案应用在室内环境和微蜂窝小区环境下，有较强的实用性。

Description

多径环境下基于信号传播路径推算的无线定位方法

技术领域

本发明涉及无线定位技术领域。更具体地，涉及一种多径环境下基于信号传播路径推算的无线定位方法。

背景技术

在现今室内定位和微蜂窝小区定位技术中，由于建筑物阻挡的原因，无线信号受到严重的多径传播的影响，而传统的定位技术大多是基于视距直射信号的，因此定位性能受到严重制约。目前常见的解决方法如误差抑制算法、指纹定位方法等，有的只能对测量值进行适度优化，定位性能较差，有的能获得较好的效果，但需要大量的数据测量或统计计算过程。针对信号一次反射情况，已提出了一种解决方法，虚拟移动台位置线定位法(LineofPossibleMobileDevice,LPMD)，但它只针对信号一次反射占主导的情况，在信号多次反射占主导的情况下无法实现准确定位。

因此，需要提供一种多径环境下基于信号传播路径推算的无线定位方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多径环境下基于信号传播路径推算的无线定位方法，利用信号的发射角度和传播距离，在地理信息系统GIS的辅助下对信号传播路径进行推算，从而对移动台进行定位，消除了多径传播对定位性能的影响。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种多径环境下基于信号传播路径推算的无线定位方法，该方法包括如下步骤：

S1、基站广播无线信号；

S2、移动台接收到无线信号后向基站发出定位请求；

S3、基站借助地理信息系统GIS对移动台进行基于信号传播路径推算的无线定位，并将定位结果发送至移动台。

优选地，步骤S3中基站借助地理信息系统GIS对移动台进行基于信号传播路径推算的无线定位进一步包括如下子步骤：

S3.1、获取二维坐标系下基站和移动台之间的多条信号传播路径和各条信号传播路径的参数；

S3.2、设i＝1，并将基站作为第0反射点，第j条信号传播路径的无线信号发射角度θ_j,0作为第0反射点的反射角度，j＝1,2,…,n，n为信号传播路径的数量；

S3.3、将第j条信号传播路径与该信号传播路径上第i个出现的障碍物的交点作为第j条信号传播路径上第i反射点，根据信号直线传播路段方程获取第j条信号传播路径上第i反射点的位置；

S3.4、计算第j条信号传播路径上第i-1反射点至第i反射点的路段长度，并计算第j条信号传播路径的累计路段长度；

S3.5、比较第j条信号传播路径的累计路段长度与路径传播距离：

当累计路段长度小于路径传播距离时，取i＝i+1，转入步骤S3.3；

当累计路段长度大于等于路径传播距离时，计算得到移动台位置；

S3.6、将得到的n个移动台位置进行加权平均，得到定位结果。

优选地，各条信号传播路径的参数包括：基站位置(x_j,0,y_j,0)；第j条信号传播路径的无线信号发射角度θ_j,0；第j条信号传播路径的传播时延t_j；第j条信号传播路径的信号传播距离d_j，d_j＝ct_j，c为信号传播速度。

优选地，步骤S3.3中信号直线传播路段方程为：

y＝(x-x_j,i-1)tanθ_j,i-1+y_j,i-1

式中，x_j,i-1、y_j,i-1分别为第j条信号传播路径上第i-1反射点的x、y轴坐标，θ_j,i-1为第j条信号传播路径上第i-1反射点的反射角度。

优选地，步骤S3.4中计算第j条信号传播路径上第i-1反射点至第i反射点的路段长度的公式为：

$d_{j,i}=\sqrt{{(x_{j,i}-x_{j,i-1})}^2+{(y_{j,i}-y_{j,i-1})}^2}$

式中，d_j,i为第j条信号传播路径上第i-1反射点至第i反射点的路段长度，x_j,i、y_j,i分别为第j条信号传播路径上第i反射点的x、y轴坐标，x_j,i-1、y_j,i-1分别为第j条信号传播路径上第i-1反射点的x、y轴坐标。

优选地，步骤S3.5中当累计路段长度大于等于路径传播距离时，计算得到移动台位置的公式为：

(X_j,Y_j)＝(x_j,i-1+(d_j-D_j,i-1)cosθ_j,i-1,y_j,i-1+(d_j-D_j,i-1)sinθ_j,i-1)

式中，x_j,i-1、y_j,i-1分别为第j条信号传播路径上第i-1反射点的x、y轴坐标，θ_j,i-1为第j条信号传播路径上第i-1反射点的反射角度，D_j,i-1为至第i-1反射点为止第j条信号传播路径的累计路段长度。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案解决了消除了多径传播对定位性能的影响，仿真结果表明，在控制角度测量值误差的情况下，本发明所述技术方案取得了较好的定位效果。将本发明所述技术方案应用在室内环境和微蜂窝小区环境下，有较强的实用性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出多径环境下基于信号传播路径推算的无线定位方法流程图。

图2示出微蜂窝小区信号传播路径示意图。

图3示出信号传播路径示意图。

图4示出信号路径推算定位误差概率分布图。

图5示出不同距离测量噪声水平下信号路径推算法定位误差仿真结果。

图6示出不同角度测量噪声水平下信号路径推算法定位误差仿真结果。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本实施例提供的多径环境下基于信号传播路径推算的无线定位方法，采用的信号模型为信号传输的一般模型，保证了该方法适用范围的普遍性，并在最后采用了理论分析、可行性论证和计算机仿真结合的方法，从理论和实践方面验证了该方法的有效性和可行性。

本实施例采用的信号传输一般模型，考虑移动台与基站之间的系统测量误差符合高斯噪声，如下式所示：

d_m＝d+n_d·randn，θ_m＝θ+n_θ·randn

其中，d_m、θ_m分别为信号传输距离、角度测量值，d、θ分别为无误差的信号传输距离和角度值，n_d、n_θ分别为信号传输距离、角度的误差标准差，randn为符合标准正态分布的随机数。

如图1所示，本实施例提供的多径环境下基于信号传播路径推算的无线定位方法，包括以下步骤：

S1、基站广播无线信号；

S2、移动台接收到无线信号后向基站发出定位请求；

S3、基站借助地理信息系统GIS对移动台进行基于信号传播路径推算的无线定位，并将定位结果发送至移动台。

其中

步骤S3中基基站借助地理信息系统GIS对移动台进行基于信号传播路径推算的无线定位进一步包括如下子步骤：

S3.1、获取二维坐标系下基站和移动台之间的多条信号传播路径和各条信号传播路径的参数，各条信号传播路径的参数包括：初始位置(x_j,0,y_j,0)，即基站的位置，则各条信号传播路径的初始位置相同；第j条信号传播路径的无线信号发射角度θ_j,0；第j条信号传播路径的传播时延t_j；第j条信号传播路径的信号传播距离d_j，d_j＝ct_j，c为信号传播速度；j＝1,2,…,n，n为信号传播路径的数量；

S3.2、设i＝1，并将基站作为第0反射点，第j条信号传播路径的无线信号发射角度θ_j,0作为第0反射点的反射角度；

S3.3、将第j条信号传播路径与该信号传播路径上第i个出现的障碍物的交点作为第j条信号传播路径上第i反射点，根据信号直线传播路段方程获取第j条信号传播路径上第i反射点的位置；

S3.4、计算第j条信号传播路径上第i-1反射点至第i反射点的路段长度，并计算第j条信号传播路径的累计路段长度；

S3.5、比较第j条信号传播路径的累计路段长度与路径传播距离：

当累计路段长度小于路径传播距离时，取i＝i+1，转入步骤S3.3；

当累计路段长度大于等于路径传播距离时，计算得到移动台位置；

S3.6、将得到的n个移动台位置进行加权平均，得到定位结果。

其中

步骤S3.3中的信号直线传播路段方程为：

y＝(x-x_j,i-1)tanθ_j,i-1+y_j,i-1

式中，x_j,i-1、y_j,i-1分别为第j条信号传播路径上第i-1反射点的x、y轴坐标，θ_j,i-1为第j条信号传播路径上第i-1反射点的反射角度，其中第i反射点的反射角度可由第i反射点的入射角度和第i反射点所在的障碍物平面与x、y轴夹角通过几何方法计算得到，第i反射点的入射角度即为第i-1反射点的反射角度。

步骤S3.4中计算第j条信号传播路径上第i-1反射点至第i反射点的路段长度的公式为：

$d_{j,i}=\sqrt{{(x_{j,i}-x_{j,i-1})}^2+{(y_{j,i}-y_{j,i-1})}^2}$

式中，d_j,i为第j条信号传播路径上第i-1反射点至第i反射点的路段长度，x_j,i、y_j,i分别为第j条信号传播路径上第i反射点的x、y轴坐标，x_j,i-1、y_j,i-1分别为第j条信号传播路径上第i-1反射点的x、y轴坐标。

步骤S3.5中当累计路段长度大于等于路径传播距离时，计算得到移动台位置的公式为：

(X_j,Y_j)＝(x_j,i-1+(d_j-D_j,i-1)cosθ_j,i-1,y_j,i-1+(d_j-D_j,i-1)sinθ_j,i-1)

式中，x_j,i-1、y_j,i-1分别为第j条信号传播路径上第i-1反射点的x、y轴坐标，θ_j,i-1为第j条信号传播路径上第i-1反射点的反射角度，D_j,i-1为至第i-1反射点为止第j条信号传播路径的累计路段长度。

下面代入具体的仿真过程对本实施例提供的多径环境下基于信号传播路径推算的无线定位方法作进一步说明：

假设在一个建筑物密集的小区内，基站A的位置为(130,110)，移动台O的位置为位置(170,110)，从基站A到移动台O没有直射路径，利用传统测距定位算法无法得到满意的定位结果。为了最后定位性能的验证更准确，假设障碍物为建筑且建筑表面为光滑平面，无线信号的传播性质与光的传播性质相同，借助地理信息系统(GeographicInformationSystem,GIS)，利用射线跟踪相关算法，可得到从基站A到移动台O的一条传播路径，如图2所示。测量数据包括基站的信号发射角度θ(0＜θ＜2π)和路径传播时延t，则路径传播距离d＝ct，c为信号传播速度。

在GIS系统辅助下，假设有n条信号传播路径，其中传播路径j的相关参数如下：信号从基站位置(x_j,0,y_j,0)以方位角θ_j,0传播，信号传播距离为d_j。

则

基于信号传播路径推算的无线定位具体过程为：

路段A-A₁，即第一个路段的方程为：

y＝(x-x_j,0)tanθ_j,0+y_j,0

与反射点A_j,1所在的墙面求交点可得到反射点A_j,1的位置(x_j,1,y_j,1)。

路段A-A₁，即第一个路段的长度为：

$d_{j,1}=\sqrt{{(x_{j,1}-x_{j,0})}^2+{(y_{j,1}-y_{j,0})}^2}$

对于反射信号路径，必有d_j,1＜d_j；

根据以下模型计算反射点A_j,i的反射方位角：

对于入射方位角θ_j,i-1(0<θ_j,i-1<2π)，反射方位角θ_j,i为：

当反射点位于与x轴平行的障碍物平面时(如图2中反射点A_j,2)，

θ_j,i＝2π-θ_j,i-1

相应的三角函数值变换为：

sinθ_j,i＝-sinθ_j,i-1，

cosθ_j,i＝cosθ_j,i-1，

tanθ_j,i＝-tanθ_j,i-1

当反射点位于与y轴平行的障碍物平面时(如图2中反射点A_j,1、A_j,3)，

${\mathrm{\&theta;}}_{j,i}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&pi;}-{\mathrm{\&theta;}}_{j,i-1},& 0<{\mathrm{\&theta;}}_{j,i-1}<\mathrm{\&pi;}\\ 3\mathrm{\&pi;}-{\mathrm{\&theta;}}_{j,i-1},& \mathrm{\&pi;}<{\mathrm{\&theta;}}_{j,i-1}<2\mathrm{\&pi;}\end{array}\right.$

sinθ_j,i＝sinθ_j,i-1，

cosθ_j,i＝-cosθ_j,i-1，

tanθ_j,i＝-tanθ_j,i-1

第i个路段的方程为

y＝(x-x_j,i-1)tanθ_j,i-1+y_j,i-1

与反射点A_j,i所在的墙面求交点可得到反射点A_j,i的位置(x_j,i,y_j,i)；第i个路段的长度为

$d_{j,i}=\sqrt{{(x_{j,i}-x_{j,i-1})}^2+{(y_{j,i}-y_{j,i-1})}^2}$

求得反射点A_j,i的反射角θ_j,i；

计算第i个路段的相关参数后，计算第1个路段至第i个路段的累计路段长度D_j,i，

如果D_j,i＜d_j，则计算下一个反射路段的长度；

如果D_j,i≥d_j，则计算移动台位置，公式为：

(X_j,Y_j)＝(x_j,i-1+(d_j-D_j,i-1)cosθ_j,i-1,y_j,i-1+(d_j-D_j,i-1)sinθ_j,i-1)

每一条路径均可获得一个目标位置，进行加权求均值后得到最终的目标位置：

$(X,Y)=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}(X_j,Y_j)$

n为传播路径条数。

为了检验该方法的定位性能，可利用MATLABR2012a对本实施例提供的定位方法进行仿真。考虑到反射造成的衰落问题，假设反射次数小于4次的路径为有效路径。假设还有一基站C，基站A、C分别与移动台O之间的信号传播路径如图3所示。利用图3中所示的几条传播路径，对以下几种情况做了分析：

采用全部4条反射路径；随机选取其中2条、3条路径；利用一次反射路径和直射路径的改进LPMD算法；假设无建筑物阻挡情况下的虚拟直射路径，采用到达时间(TimeofArrival,TOA)值的最小二乘法(LeastSquare,LS)定位。

对于固定的距离误差标准差n_d＝10m和角度误差标准差n_θ＝0.05rad，对定位误差概率分布情况进行了仿真模拟，仿真结果如图4所示。由于缺少角度信息的约束，虚拟直射路径LS算法定位性能最差。本实施例提供的定位方法取得了比改进LPMD算法更好的性能，并且路径数目越多，定位性能越好。

对于固定的角度误差标准差n_θ＝0.05rad，针对不同距离误差标准差的定位误差进行了模拟仿真，每次仿真重复计算1000次并取平均，仿真结果如图5所示。由于信号路径推算法受到角度误差的影响，因此当距离误差标准差小于2m时，虚拟直射路径LS算法性能更好，但随着距离误差的增加，由于缺乏角度测量值的约束，虚拟直射路径LS算法性能远远落后于本实施例提供的定位方法和改进LPMD算法；LPMD算法在测量值误差较小(小于3m)时取得了更好的性能，但随着误差增大，本实施例提供的定位方法性能更佳，对于本实施例提供的定位方法，参与定位的路径数目越多，性能越好。

对于固定的距离测量值误差标准差n_d＝10m，针对不同的角度测量值噪声水平下的定位误差进行了模拟仿真，每次仿真重复计算1000次并取平均，仿真结果如图6所示。由于距离测量值误差不变，虚拟直射路径LS算法性能稳定；由于LPMD算法中两条虚拟位置线十分接近90°，因此受到角度误差变化的影响也不大；当角度误差标准差小于0.08时，本实施例提供的定位方法定位性能也比较稳定，且优于虚拟直射路径LS算法和一次反射路径LPMD算法，且路径条数越多，性能相对越好；但当误差标准差大于0.08时，定位误差明显增大，极不稳定，经过分析得知，当角度误差较大时，GIS辅助的推算得出的路径传播线路有可能与实际传播线路方向严重偏离，从而得出完全错误的定位结果。因此，对于本实施例提供的无线定位方法，控制角度误差或者选取角度误差较小的传播路径是保证定位结果精确性的重要因素。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种多径环境下基于信号传播路径推算的无线定位方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、基站广播无线信号；

S2、移动台接收到无线信号后向基站发出定位请求；

S3、基站借助地理信息系统GIS对移动台进行基于信号传播路径推算的无线定位，并将定位结果发送至移动台。

2.根据权利要求1所述的多径环境下基于信号传播路径推算的无线定位方法，其特征在于，步骤S3中基站借助地理信息系统GIS对移动台进行基于信号传播路径推算的无线定位进一步包括如下子步骤：

S3.1、获取二维坐标系下基站和移动台之间的多条信号传播路径和各条信号传播路径的参数；

S3.2、设i＝1，并将基站作为第0反射点，第j条信号传播路径的无线信号发射角度θ_j,0作为第0反射点的反射角度，j＝1,2,…,n，n为信号传播路径的数量；

S3.3、将第j条信号传播路径与该信号传播路径上第i个出现的障碍物的交点作为第j条信号传播路径上第i反射点，根据信号直线传播路段方程获取第j条信号传播路径上第i反射点的位置；

S3.4、计算第j条信号传播路径上第i-1反射点至第i反射点的路段长度，并计算第j条信号传播路径的累计路段长度；

S3.5、比较第j条信号传播路径的累计路段长度与路径传播距离：

当累计路段长度小于路径传播距离时，取i＝i+1，转入步骤S3.3；

当累计路段长度大于等于路径传播距离时，计算得到移动台位置；

S3.6、将得到的n个移动台位置进行加权平均，得到定位结果。

3.根据权利要求2所述的多径环境下基于信号传播路径推算的无线定位方法，其特征在于，所述各条信号传播路径的参数包括：基站位置(x_j,0,y_j,0)；第j条信号传播路径的无线信号发射角度θ_j,0；第j条信号传播路径的传播时延t_j；第j条信号传播路径的信号传播距离d_j，d_j＝ct_j，c为信号传播速度。

4.根据权利要求2所述的多径环境下基于信号传播路径推算的无线定位方法，其特征在于，步骤S3.3中信号直线传播路段方程为：

y＝(x-x_j,i-1)tanθ_j,i-1+y_j,i-1

式中，x_j,i-1、y_j,i-1分别为第j条信号传播路径上第i-1反射点的x、y轴坐标，θ_j,i-1为第j条信号传播路径上第i-1反射点的反射角度。

5.根据权利要求2所述的多径环境下基于信号传播路径推算的无线定位方法，其特征在于，步骤S3.4中计算第j条信号传播路径上第i-1反射点至第i反射点的路段长度的公式为：

$d_{j,i}=\sqrt{{(x_{j,i}-x_{j,i-1})}^2+{(y_{j,i}-y_{j,i-1})}^2}$

式中，d_j,i为第j条信号传播路径上第i-1反射点至第i反射点的路段长度，x_j,i、y_j,i分别为第j条信号传播路径上第i反射点的x、y轴坐标，x_j,i-1、y_j,i-1分别为第j条信号传播路径上第i-1反射点的x、y轴坐标。

6.根据权利要求2所述的多径环境下基于信号传播路径推算的无线定位方法，其特征在于，步骤S3.5中当累计路段长度大于等于路径传播距离时，计算得到移动台位置的公式为：

(X_j,Y_j)＝(x_j,i-1+(d_j-D_j,i-1)cosθ_j,i-1,y_j,i-1+(d_j-D_j,i-1)sinθ_j,i-1)

式中，x_j,i-1、y_j,i-1分别为第j条信号传播路径上第i-1反射点的x、y轴坐标，θ_j,i-1为第j条信号传播路径上第i-1反射点的反射角度，D_j,i-1为至第i-1反射点为止第j条信号传播路径的累计路段长度。