CN106125043B - 一种基于定位位置残差加权的定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于定位位置残差加权的定位方法，首先需要对基站进行分组，一组两个基站，组数为基站数目为N；而后利用不同定位方式估计MS的坐标值，确定该BS分组的MS位置估计(中间定位结果)，然后计算上述坐标估计值到中间定位结果的距离，得到每一组的定位位置残差；再次根据定位位置残差大小，以残差倒数五次方函数计算加权因子；最后把相应的加权因子和中间定位结果相乘并累加求和，输出结果即为最终的MS位置估计。本发明提供一种有效减少误差、提升定位精度的基于边长残差加权的定位方法。

Description

一种基于定位位置残差加权的定位方法

技术领域

本发明涉及无线定位技术领域，尤其是一种NLOS传输环境中的残差加权定位方法，采用基站分组策略，每一组计算中间定位结果和加权因子，最后对这些中间定位结果进行加权求和，实现MS定位。

背景技术

无线定位是指利用包含在接收信号中的角度和距离等参数来估计移动终端位置的一种技术。近年来，由于经济发展和人们生活的需求，该技术已经得到了广泛地应用，它可以提供包括紧急呼救、旅游信息服务、车辆管理等在内的业务，同时也被应用到了基于位置信息的收费系统和智能交通系统中，是物联网的重要组成部分。

在实际的无线传输环境中，由于障碍物的大量存在，因此信号从发送端到被接收的这一段时间内并不会沿着直线传输，它往往需要经过发射和衍射才能够到达接收端。这使得接收端对距离以及角度等信息估计准确度的下降，从而显著降低了无线定位算法的精度。据此，在无线定位技术的实际应用中，减少甚至降低非视距(NLOS,non-line-of-sight)传输带来的误差是非常有必要的。根据摩托罗拉和爱立信对GSM网络的实地测量发现，NLOS误差有随着移动台(MS,mobile station)和基站或基地台(BS,base station)之间直线距离的增加而上升的趋势，这就更加剧了对传统定位算法精度的影响。

发明内容

为了克服已有无线定位方式的误差较大、定位精度较低的不足，本发明提供一种有效减少误差、提升定位精度的基于定位位置残差加权的定位方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于定位位置残差加权的定位方法，所述定位方法包括以下步骤：

1)由多个基站接收到移动台MS发送的信号，假设已经估计信号中的到达时间TOA和到达角度AOA信息，并且将这些信息汇集到定位主基站中，主基站知道所有BS的坐标；

2)将所有的基站进行分组，每组包含有2个基站，假设有N个基站，则分组数目为

3)对于每个分组，首先利用不同定位方式估计MS的坐标值，确定该BS分组的MS位置估计，即中间定位结果，然后计算上述坐标估计值到中间定位结果的距离，得到每一组的定位位置残差；

4)根据定位位置残差计算每一组BS的权值；

5)每一组BS的中间定位结果乘上相应权值并求和，结果即为最终的MS位置估计。

进一步，所述步骤3)中，基站组两个基站分别是BS1和BS2，分别位于两个圆的圆心D点和E点，以BS1和BS2的TOA测距为半径，以D点和E点为圆心做两个圆，交点为C点和F点，这也是MS位置的可选中间定位结果；连接C点和F点画一条直线同时以D点和E点为起点，根据BS1和BS2的AOA测角分别作直线和其中A点和B点是这两条直线和直线的交点，相当于BS1和BS2独立估计的MS坐标。注意表示从点X到点Y的直线，其长度表示为

候选的MS中间定位结果为C点和F点，选择两点中距离A点较近的点作为该组BS的中间定位结果，假设点C被选为MS的中间定位结果，且第i个BS分组的中间定位结果记为接下来，定义定位位置残差如下

式中，和分别表示中间定位结果到BS1与BS2独立估计MS坐标的距离。

再进一步，所述步骤4)中，加权函数为残差倒数的高幂次方，即

更进一步，所述步骤5)中，通过对所有中间定位结果进行加权求和，抑制NLOS传输对MS位置估计的影响，因此最终估计位置为

其中W_i(Δ)表示第i组BS的加权函数，采用定位位置残差作为自变量。

本发明的技术构思为：对所有BS进行分组，每组2个，总共组。每一组BS要做两个工作，第一计算定位位置残差，第二估计MS的位置以得到中间定位结果。在此基础上利用残差大小与NLOS传输影响大小正相关的关系，根据定位位置残差计算加权因子，并对所有中间定位结果进行相应的加权并求和，最终输出的加权结果即MS位置最终估计。关键就在于权值的计算方式，而本发明选择定位位置残差和倒数五次方作为权函数，有效抑制了NLOS传输基站组所得中间定位结果对加权输出的影响，改善定位效果。

本发明的有益效果主要表现在：在得到BS和MS之间的距离(等效于TOA)以及到达角的估计值之后，对基站进行分组，每一组基站都通过不同的定位方式估计MS的坐标，确定中间定位结果，进而可以计算定位位置残差。根据残差大小以倒数五次方函数计算加权因子，而后对各组BS的中间定位结果进行加权求和。本发明对于NLOS误差反映灵敏，加权因子能以较高精度反映实际NLOS误差影响，因此在NLOS传输环境中，本发明的定位精度很高。

附图说明：

图1为基于定位位置残差加权的定位方法处理步骤图。

图2为定位几何以及定位位置残差的示意图。

图3为测距标准差对各算法均方误差(RMSE:root means square errors)影响的示意图，其中，(a)为2LOS-BS，(b)为3LOS-BS。图上横坐标为测距标准差(单位为米)，纵坐标为RMSE(单位为米)。

图4为AOA测量标准差对各算法RMSE影响的示意图，其中，(a)为2LOS-BS，(b)为3LOS-BS。图上横坐标为测角标准差(单位为度)，纵坐标为RMSE(单位为米)。

上述图中nLOS-BS指实际LOS基站数目为n个，仿真采用小区半径为1000米的经典5基站拓扑，即N＝5。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。仿真图中用到的对比方法如表1：

算法	描述
		posW(EXP(-Res))	采用负指数加权的残差加权定位方法
posW(1/Res<sup>5</sup>)	本发明方法
		posW(1/Res)	采用倒数加权的残差加权定位方法
CLS	约束最小二乘方法
		RWGH	经典残差加权方法

表1

表1中RWGH方法来自于文献1：Chen P C,A non-line-of-sight errormitigation algorithm in location estimation[A],Proc.IEEE WirelessCommunications and Networking Conference WCNC’99[C],New Orleans,1999:316-320，即Chen P C,位置估计中的一种非视距误差消除算法[A],1999年IEEE无线通信与网络国际会议论文集[C],新奥尔良,1999:316-320；CLS方法来自于文献2:Wang X,A TOA-basedlocation algorithm reducing the errors due to non-line-of-sight(NLOS)propagation[J],IEEE Transactions on Vehicular Technology,2003,52(1):112-116，即Wang X,一种能减少非视距传播误差的TOA定位算[J],IEEE车载技术汇刊,2003,52(1):112-116。

参照图1～图4，一种基于定位位置残差加权的定位方法，包括如下步骤：

1)由多个基站接收到MS发送的信号，假设已经估计信号中的到达时间(TOA，timeof arrival)和到达角度(AOA:angle of arrival)信息，并且将这些信息汇集到定位主基站中，主基站知道所有BS的坐标；

2)将所有的基站进行分组，每组包含有2个基站，假设有N个基站，则分组数目为

3)对于每个分组，首先利用不同定位方式估计MS的坐标值，确定该分组的MS位置估计(中间定位结果)，然后计算上述坐标估计值到中间定位结果的距离，得到每一组的定位位置残差；

4)根据定位位置残差计算每一组BS的权值；

5)每一组BS的中间定位结果乘上相应权值并求和，结果即为最终的MS位置估计。

进一步，详述基于定位位置残差NLOS基站识别定位方法，如图2所示。不失一般性，假设图2中的基站组两个基站分别是BS1和BS2，他们分别位于两个圆的圆心D点和E点。以BS1和BS2的TOA测距为半径，以D点和E点为圆心做两个圆，交点为C点和F点，这也是MS位置的可选估计位置。连接C点和F点画一条直线同时以D点和E点为起点，根据BS1和BS2的AOA测角分别作直线和其中A点和B点是这两条直线和直线的交点。事实上如果利用BS1测量的到达角所代表的直线以及两个定位圆的交线去估计MS的坐标就是交点A，类似地，利用BS2测量的到达角所代表的直线以及两个定位圆的交线对MS进行位置估计，就能得到交点B，显然A、B这两点不会重合，但是距离长短和身处的传输环境有关。

如果MS的坐标为(x,y)，第i个BS的坐标为(x_i,y_i)，那么它们之间的距离可以表示为：

在LOS环境中，如前所述A、B这两个点都可以作为MS的位置估计，而且A和B之间的距离较小。根据定位几何原理，求点A坐标的方程如下：

其中且θ₁是BS1和MS之间的AOA估计。之所以用距离测量值{r₁,r₂}代替真实值是因为实际应用中我们仅可能获得TOA的估计值而不是真实值。

同理，求点B坐标的方程为：

式中θ₂是BS2和MS之间的AOA估计。将上述两组方程都可以转变成矩阵形式，以点A为例，

Y_A＝A_AX_A (4)

其中，

此时点A的坐标估计可以根据最小二乘原理获得：

同样地，点B的坐标估计也可以类似于(6)求解，这里不再赘述，而距离A、B点最近的圆交点C的坐标则可以通过求如下圆方程得到：

点C即为该组BS的中间定位结果，且记第i个BS分组的中间定位结果为接下来，本发明的定位位置残差定义为

式中和分别表示中间定位结果到BS1与BS2独立估计MS坐标的距离，这也是为什么Δ被称为定位位置残差的原因，因为其中的两个距离本质上是不同定位方式估计坐标之间的距离差。注意||·||为求向量长度的运算。

所述步骤5)中，通过对所有中间定位结果进行加权求和，可以抑制NLOS传输对MS位置估计的影响，因此最终估计位置为

其中W_i(Δ)表示第i组BS的加权函数，本发明中采用定位位置残差作为自变量。参考文献1，可知加权函数为正数且应该是自变量的减函数。在RWGH中，它就是以残差的倒数作为加权函数，但是如果LOS传输基站的中间定位结果未受到足够大的加权，那么加权算法的精度还是会受到很大的影响。为了使LOS基站组的中间估计得到更大的加权系数，所属步骤4)中本发明提出加权函数为残差倒数的高幂次方，即

本发明通过仿真发现n大于等于5以后，所提出残差加权方法性能改善进入了平台区，因此本发明选择n＝5。

图1中，定位主基站获取每个基站的TOA和AOA估计值，然后对参与定位的基站进行分组，每组有两个基站。对于每一个基站组，首先利用前面公式求得定位位置残差和中间定位结果。当所有的基站组都遍历计算定位位置残差和中间定位结果以后，根据边长残差计算负指数加权因子。之后，对每一组BS，把对应的加权因子和中间定位结果相乘，并全部累加求和。最后加权求和结果即为MS的最终位置估计。

图2是一个基站组中定位几何关系以及定位位置残差的示意图。其中，点A、B、C分别表示利用不同定位方式求得的MS位置估计值，它们之间的距离就代表定位位置残差，即而两个圆心D和E则表示一组基站中两个基站的位置坐标，圆半径就是测量的距离。

图3比较测距标准差对各算法均方根误差(RMSE，root mean square error)的影响，此时测角标准差为1度。采用经典5基站拓扑，基站分别位于(0,0)，(1000,1000)，(-1000,1000)，(-1000,-1000)，(1000,-1000)，单位是米。横坐标是距离测量的标准差，纵坐标是均方根误差RMSE，nLOS-BS代表5个基站中有n个LOS基站。从图中易知，本发明方法具有最好的RMSE性能，所提出的残差倒数五次方加权函数具有最好的性能，比如仿真结果中当LOS传输基站仅有2个且测距标准差为10米时，RMSE可以达到35米左右。表明即使仅有少量LOS传输基站，本发明方法性能良好，优于传统方法。

图4比较测角标准差对各算法均方根误差的影响，仿真环境和图3相同，此时测距标准差为10米。从图中易知，本发明方法具有最好的RMSE性能，所提出的残差倒数五次方加权函数具有最好的性能，比如仿真结果中当LOS传输基站仅有2个且测角标准差为1度时，RMSE可以达到30米左右。表明即使仅有少量LOS传输基站，本发明方法性能良好，优于传统方法。

Claims (3)

1.一种基于定位位置残差加权的定位方法，其特征在于：所述定位方法包括以下步骤：

1)由多个基站BS接收到移动台MS发送的信号，假设已经估计信号中的到达时间TOA和到达角度AOA信息，并且将这些信息汇集到定位主基站中，主基站知道所有BS的坐标；

2)将所有的基站进行分组，每组包含有2个基站，假设有N个基站，则分组数目为

3)对于每个分组，首先利用不同定位方式估计MS的坐标值，确定该BS分组的MS位置估计，即中间定位结果，然后计算上述坐标估计值到中间定位结果的距离，得到每一组的定位位置残差；

4)根据定位位置残差计算每一组BS的权值；

5)每一组BS的中间定位结果乘上相应权值并求和，结果即为最终的MS位置估计；

所述步骤3)中，基站组两个基站分别是BS1和BS2，分别位于两个圆的圆心D点和E点，以BS1和BS2的TOA测距为半径，以D点和E点为圆心做两个圆，交点为C点和F点，这也是MS位置的可选中间定位结果；连接C点和F点画一条直线同时以D点和E点为起点，根据BS1和BS2的AOA测角分别作直线和其中A点和B点是这两条直线和直线的交点，相当于BS1和BS2独立估计的MS坐标，注意表示从点X到点Y的直线，其长度表示为

候选的MS中间定位结果为C点和F点，选择两点中距离A点较近的点作为该组BS的中间定位结果，假设点C被选为MS的中间定位结果，且第i个BS分组的中间定位结果记为接下来，定义定位位置残差如下

式中，和分别表示中间定位结果到BS1与BS2独立估计MS坐标的距离。

2.如权利要求1所述的一种基于定位位置残差加权的定位方法，其特征在于：所述步骤4)中，加权函数为残差倒数的高幂次方，即

3.如权利要求2所述的一种基于定位位置残差加权的定位方法，其特征在于：所述步骤5)中，通过对所有中间定位结果进行加权求和，抑制NLOS传输对MS位置估计的影响，因此最终估计位置为

其中W_i(Δ)表示第i组BS的加权函数，采用定位位置残差作为自变量。