CN107484119B - 一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法 - Google Patents

一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107484119B
CN107484119B CN201710226971.1A CN201710226971A CN107484119B CN 107484119 B CN107484119 B CN 107484119B CN 201710226971 A CN201710226971 A CN 201710226971A CN 107484119 B CN107484119 B CN 107484119B
Authority
CN
China
Prior art keywords
toa
vector
term
target
anchor point
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710226971.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107484119A (zh
Inventor
覃焕勇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangzho Caipin Communication Technology Co ltd
Original Assignee
Guangzho Caipin Communication Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangzho Caipin Communication Technology Co ltd filed Critical Guangzho Caipin Communication Technology Co ltd
Priority to CN201710226971.1A priority Critical patent/CN107484119B/zh
Publication of CN107484119A publication Critical patent/CN107484119A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107484119B publication Critical patent/CN107484119B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/02—Services making use of location information
    • H04W4/023—Services making use of location information using mutual or relative location information between multiple location based services [LBS] targets or of distance thresholds
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/0009—Transmission of position information to remote stations
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W64/00—Locating users or terminals or network equipment for network management purposes, e.g. mobility management

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法。通过本发明的技术方案，可以指导锚点如何逐步移动最终趋于目标位置，可以动态跟踪，高精度定位目标位置，而不受目标是否在锚点包围区域内的影响，可以达到快速定位，并且定位精确的目的。此方案可应用于各种环境下的定位场景。

Description

一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法
技术领域
本发明涉及通信定位领域，更具体的，涉及一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法。
背景技术
移动通信系统中，基于基站等锚点的定位算法的原理在于通过多个锚点接收机测量无线电波的相关参数(如传输时间、功率、相位和角度等)，并根据特定的算法估计被测物体的位置。
由于在定位过程中存在病态矩阵、噪声影响、多径效应等诸多因素，会造成单纯三角定位估计误差较大。虽然学术界提出了如WLLS，NLS等算法，提高算法精度，然而各类算法的应用场景依然受限，特别是当目标终端处于定位锚点围成的多边形区域外较远位置时，造成存在无法定位的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
本发明考虑当定位锚点可以移动场景下的定位算法，算法可以指导锚点如何逐步移动最终趋于目标位置，可以动态跟踪，高精度定位目标位置，而不受目标是否在锚点包围区域内的影响。
为实现上述目的，本发明提供一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法，包括以下步骤：
步骤一，对待测信号参数进行测量，得到包含待估计参数的观察值向量的信号参数测量矢量r；
步骤二，根据预设的测量标准，建立线性方程组；
步骤三，根据预设的第一算法计算目标位置坐标估计值；
步骤四，判断所述目标位置坐标估计值是否小于等于预设的精度阈值；如果小于等于预设的精度阈值，则结束；如果不小于预设的精度阈值，则进行步骤五；
步骤五，判断目标的方向及距离；
步骤六，根据步骤五的结果计算锚点前行方向；
步骤七，重复步骤一至五直至步骤四中结果小于等于预设的精度阈值。
进一步的，所述步骤一具体为：
多个定位锚点同时测量无线系统参考信号到达的时间和/或功率，得到锚点测量向量r信号参数测量矢量r的计算如下：
r＝f(x)+n；
其中，r是包含待估计参数的观察值向量，x是坐标向量，f(x)表示与定位方法相关的目标坐标函数。
进一步的，所述步骤二中的线性方程组计算如下：
b＝Aθ+q；
其中θ＝(ATA)-1 Ab，R＝x2+y2+z2，
Figure GDA0002635187180000021
Figure GDA0002635187180000022
q＝[mTOA,2,1 mTOA,3,1 … mTOA,N,N-1]T，m为噪声相关参数。
具体的，所述噪声相关参数m为：
Figure GDA0002635187180000023
其中nTOA＝[nTOA,1 nTOA,2 … nTOA,L]T。
更优的，所述步骤二中的所述预设的测量标准为TOA、TDOA、RSS、DOA中的一种。
更优的，所述步骤三中的所述第一算法具体为最小二乘估计值算法。
进一步的，所述判断所述目标位置坐标估计值是否小于等于预设的精度阈值具体为：
计算估计的坐标的均方误差，判断所述均方误差是否小于等于预设的精度阈值，所述均方误差具体计算公式如下，
Figure GDA0002635187180000031
其中
Figure GDA0002635187180000032
表示目标坐标估计值；Xh为第h个锚点的坐标值，rh为测量到的目标距第h个锚点的距离，N表示锚点数量。
更优的，所述精度阈值取为90-100。
通过本发明的技术方案，可以指导锚点如何逐步移动最终趋于目标位置，可以动态跟踪，高精度定位目标位置，而不受目标是否在锚点包围区域内的影响，可以达到快速定位，并且定位精确的目的。此方案可应用于各种环境下的定位场景。
附图说明
图1示出了本发明一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法的流程图；
图2示出了本发明实施例的定位锚点组迭代趋于目标示意图；
图3示出了本发明实施例的目标定位仿真结果图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
移动通信系统中，基于基站等锚点的定位算法的原理在于通过多个锚点接收机测量无线电波的相关参数(如传输时间、功率、相位和角度等)，并根据特定的算法估计被测物体的位置。
图1示出了本发明一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法的流程图。
如图1所示，一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，对待测信号参数进行测量，得到包含待估计参数的观察值向量的信号参数测量矢量r；
步骤二，根据预设的测量标准，建立线性方程组；
步骤三，根据预设的第一算法计算目标位置坐标估计值；
步骤四，判断所述目标位置坐标估计值是否小于等于预设的精度阈值；如果小于等于预设的精度阈值，则结束；如果不小于预设的精度阈值，则进行步骤五；
步骤五，判断目标的方向及距离；
步骤六，根据步骤五的结果计算锚点前行方向；
步骤七，重复步骤一至五直至步骤四中结果小于等于预设的精度阈值。
进一步的，所述步骤一具体为：
多个定位锚点同时测量无线系统参考信号到达的时间和/或功率，得到锚点测量向量r信号参数测量矢量r的计算如下：
r＝f(x)+n；
其中，r是包含待估计参数的观察值向量，x是坐标向量，f(x)表示与定位方法相关的目标坐标函数。
进一步的，所述步骤二中的线性方程组计算如下：
b＝Aθ+q；
其中θ＝(ATA)-1 Ab，R＝x2+y2+z2，
Figure GDA0002635187180000041
Figure GDA0002635187180000042
q＝[mTOA,2,1 mTOA,3,1 … mTOA,N,N-1]T，m为噪声相关参数。
进一步的，所述噪声相关参数m为：
Figure GDA0002635187180000043
其中nTOA＝[nTOA,1 nTOA,2 … nTOA,L]T。其中，n为每个锚点的噪声，包括但不限于为每个锚点的信道噪声，即，nTOA,L、nTOA,k、nTOA,1、nTOA,2分别为锚点L、k、1、2采用TOA测量标准得到的锚点的噪声。
较优的，所述步骤二中的所述预设的测量标准为TOA、TDOA、RSS、DOA中的一种。
较优的，所述步骤三中的所述第一算法具体为最小二乘估计值算法。
进一步的，所述判断所述目标位置坐标估计值是否小于等于预设的精度阈值具体为：
计算估计的坐标的均方误差，判断所述均方误差是否小于等于预设的精度阈值，所述均方误差具体计算公式如下，
Figure GDA0002635187180000051
其中
Figure GDA0002635187180000052
表示目标坐标估计值；Xh为第h个锚点的坐标值，rh为测量到的目标距第h个锚点的距离，N表示锚点数量。
其中步骤五，判断目标的方向及距离和步骤六，根据步骤五的结果计算锚点前行方向可采用现有技术进行计算和判断。此处不再一一赘述。
较优的，所述精度阈值取为90-100。
下面针对本发明的技术方案提出以下具体实施例。
首先，先对整体的技术方案进行分析
对于经典的基于波达时间(TOA)、波达时间差(TDOA)及信号强度(RSS)定位检测算法，对目标的位置坐标估计都可将其分为以下几个步骤：
(1)观测
(2)建立观测假设方程
(3)算法求解目标位置坐标
从算法层面上看，根据测量结果，可以建立数学解析式：
r＝f(x)+n(1)
其中r是包含待估计参数的观察值向量，x是坐标向量，f(x)表示与定位方法相关的目标坐标函数。如基于TOA的二维平面定位情况下，(1)可以表达为：
rTOA＝fTOA(x)+nTOA(2)
其中
Figure GDA0002635187180000061
nTOA＝[nTOA,1 nTOA,2 … nTOA,L]T
TDOA情况下
Figure GDA0002635187180000062
RSS情况下
Figure GDA0002635187180000063
DOA时
Figure GDA0002635187180000064
三维信号模型在二维信号基础上加上z坐标信息，如
Figure GDA0002635187180000071
传统的定位算法分非线性算及线性算法，线性算法根据线性算法通过线性变换构造方程组求解坐标估计值，如
b＝Aθ+q(8)
则
θ＝(ATA)-1 Ab(9)
其中θ为待估计参数向量，如基于TOA的定位，则
θ＝[x,y,z,R]T
其中
R＝x2+y2+z2
Figure GDA0002635187180000072
Figure GDA0002635187180000073
q＝[mTOA,2,1 mTOA,3,1 … mTOA,N,N-1]T，m为噪声相关参数，由下式表示：
Figure GDA0002635187180000081
由公式(9)可以看出，由于方程存在病态矩阵、噪声影响、多径效应等诸多因素，会造成单纯三角定位估计误差较大。虽然学术界提出了如WLLS，NLS等算法，提高算法精度，然而各类算法的应用场景依然受限，特别是当目标终端处于定位锚点围成的多边形区域外较远位置时，矩阵A的秩会降低，造成存在无法定位的问题。
根据本发明的技术方案，提出一具体实施例，如下：
考虑特殊的应用场景，如对犯罪份子进行跟踪抓捕，行动人员可以携带可移动设备，在系统的指导下逐步定位目标终端的高精度位置。这个过程可以建模为以下几个步骤：
(1)信号参数测量，得到公式(1)中的信号参数测量值r
(2)建立观测假设方程，如公式(8)
(3)算法估计目标位置坐标
(4)判断估计坐标精度
(5)精度不达要求则判断目标方向及距离
(6)根据(5)结果指导系统前行方向
(7)重复(1)～(6)直至(4)中结果达到要求
步骤(4)估计坐标精度估计可以用均方误差(MSE)表示为：
Figure GDA0002635187180000082
其中
Figure GDA0002635187180000083
表示目标坐标估计值；Xh为第h个锚点的坐标值，rh为测量到的目标距第h个锚点的距离，N表示锚点数量。
具体而言，(1)中观测f(θ)如下所示：
根据观测向量可以确定目标与锚点向量的方向及测量误差：
如高斯-牛顿迭代算法中令：
Figure GDA0002635187180000091
Γ＝(GTG)-1 G(r-f(θ)) (14)
则
Figure GDA0002635187180000092
则由(15)及(12)可以得到锚点向量的更新方程：
Figure GDA0002635187180000093
其中μ为预先设定调整步长。
如图2是本发明实施例的定位锚点组迭代趋于目标示意图，根据图2可看出采用本发明的技术方案，可根据目标的移动逐步进行定位，并最后缩小到合理的定位区域。根据本发明技术方案，提出另一具体实施例，如下：
(1)多个定位锚点同时测量无线系统参考信号到达的时间或功率，得到锚点测量向量r。
(2)根据选定的测量标准(TOA、TDOA、RSS、DOA等)，建立如公式(8)所示的线性方程组。
(3)根据公式(9)计算目标坐标的最小二乘估计值。
(4)根据公式(12)判断步骤(3)中估计精度是否满足精度要求(比如MSE<100米2)。
(5)如果精度不满足要求则根据公式(13)～(15)计算锚点向量与目标的距离方向。
(6)根据公式(16)更新每个锚点的坐标。
(7)重复步骤(1)～(6)直到步骤(4)计算的估计精度满足要求。
对以上方法进行计算机仿真，仿真中假设4个锚点相邻15米以正方形方式排列，目标在距正方形中心300米位置，锚点自带时钟精度误差为0.1ppm，参考信号时间估计误差为2ms，使用TDOA定位算法，得到每次锚点坐标更新与目标定位精度关系如图3所示。
通过图3可看出，通过本发明的技术方案可以在17次迭代后将定位精度控制在25米以内。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，对待测信号参数进行测量，得到包含待估计参数的观察值向量的信号参数测量矢量r；
步骤二，根据预设的测量标准，建立线性方程组；
步骤三，根据预设的第一算法计算目标位置坐标估计值；
步骤四，判断所述目标位置坐标估计值是否小于等于预设的精度阈值；如果小于等于预设的精度阈值，则结束；如果不小于预设的精度阈值，则进行步骤五；
步骤五，判断目标的方向及距离；
步骤六，根据步骤五的结果计算锚点前行方向；
步骤七，重复步骤一至五直至步骤四中结果小于等于预设的精度阈值；
所述步骤一具体为：
多个定位锚点同时测量无线系统参考信号到达的时间和/或功率，得到锚点测量向量r信号参数测量矢量r的计算如下：
r＝f(x)+n；
其中，r是包含待估计参数的观察值向量，x是坐标向量，f(x)表示与定位方法相关的目标坐标函数，n为每个锚点的噪声；
所述步骤二中的线性方程组计算如下：
b＝Aθ+q；
其中θ＝(ATA)-1Ab，
Figure FDA0002630667180000011
Figure FDA0002630667180000012
q＝[mTOA,2,1 mTOA,3,1…mTOA,N-1,1]T，m为噪声相关参数；
其中，xL为x的第L项，yL为y的第L项，zL为z的第L项，即为坐标向量的第L项，r2 TOA,L为r的TOA行，L列，mTOA,2,1为q中mTOA的第一项，mTOA,3,1为q中mTOA的第二项，mTOA,N-1,1为q中mTOA的第N项，即，mTOA,N-1,1分别为N-1行、第一列元素采用TOA测量标准得到的锚点的噪声参数；rTOA为采用TOA测量标准得到的包含待估计参数的观察值向量的信号参数测量矢量r的第L项。
2.根据权利要求1所述的一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法，其特征在于，所述噪声相关参数m为：
Figure FDA0002630667180000021
其中nTOA＝[nTOA,1 nTOA,2…nTOA,L]T，
其中，x1为x的第l项，y1为y的第l项，z1为z的第l项，xk为x的第k项，yk为y的第k项，zk为z的第k项，nTOA,1为nTOA的第l项，nTOA,k为nTOA的第k项，nTOA为一个包含L个元素的向量，nTOA,1为第一个元素，nTOA,2为第二个元素，nTOA,L为第L个元素；nTOA,L、nTOA,k、nTOA,1、nTOA,2分别为锚点L、k、1、2采用TOA测量标准得到的锚点的噪声。
3.根据权利要求1所述的一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法，其特征在于，所述步骤二中的所述预设的测量标准为TOA、TDOA、RSS、DOA中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法，其特征在于，所述步骤三中的所述第一算法具体为最小二乘估计值算法。
5.根据权利要求1所述的一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法，其特征在于，所述判断所述目标位置坐标估计值是否小于等于预设的精度阈值具体为：计算估计的坐标的均方误差，判断所述均方误差是否小于等于预设的精度阈值，所述均方误差具体计算公式如下，
Figure FDA0002630667180000022
其中
Figure FDA0002630667180000023
表示目标坐标估计值；Xh为第h个锚点的坐标值，rh为测量到的目标距第h个锚点的距离，N表示锚点数量。
6.根据权利要求1所述的一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法，其特征在于，所述精度阈值取为90-100。
CN201710226971.1A 2017-04-07 2017-04-07 一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法 Active CN107484119B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710226971.1A CN107484119B (zh) 2017-04-07 2017-04-07 一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710226971.1A CN107484119B (zh) 2017-04-07 2017-04-07 一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107484119A CN107484119A (zh) 2017-12-15
CN107484119B true CN107484119B (zh) 2020-10-27

Family

ID=60594089

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710226971.1A Active CN107484119B (zh) 2017-04-07 2017-04-07 一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107484119B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108152792A (zh) * 2017-12-29 2018-06-12 同方威视技术股份有限公司 定位移动设备的方法、移动设备和定位系统

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101272605A (zh) * 2007-03-22 2008-09-24 东南大学 一种移动终端定位方法和定位装置
CN101819041B (zh) * 2010-04-16 2011-11-16 北京航空航天大学 自进化anfis与ukf结合的gps/mems-ins组合定位误差动态预测方法
EP3351042A1 (en) * 2015-09-20 2018-07-25 Nextnav, LLC Position estimation of a receiver using anchor points
CN105353351A (zh) * 2015-10-27 2016-02-24 杭州电子科技大学 一种基于多信标到达时间差改进型定位方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107484119A (zh) 2017-12-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101544315B1 (ko) 무선 네트워크에서의 삼변측량법을 이용한 효과적인 3차원 위치 추정 방법 및 이를 실시하기 위한 프로그램이 기록된 기록 매체
Sorour et al. Joint indoor localization and radio map construction with limited deployment load
CN106912105B (zh) 基于pso_bp神经网络的三维定位方法
CN103925925B (zh) 一种用于多点定位系统的实时高精度位置解算方法
KR20170042260A (ko) 목표의 실시간 위치 측정과 지도 구축 방법 및 장치
CN102231912A (zh) 一种基于rssi测距的室内无线传感器网络定位方法
Liu et al. Indoor localization using smartphone inertial sensors
KR100977246B1 (ko) 순방향 링크 ａｏａ를 이용한 위치 추정 장치 및 방법
US20160182164A1 (en) Signal Strength Distribution Establishing Method and Wireless Positioning System
Saxena et al. Indoor positioning system using geo-magnetic field
KR101627419B1 (ko) 이동 노드의 위치 추정 방법 및 그 장치
CN107484119B (zh) 一种用于移动通信系统的终端跟踪定位方法
CN111444467B (zh) 基于实时定位轨迹数据进行局部线性插值和预测的方法
CN113608165A (zh) 一种基于信号到达时间差的多站无源定位方法
CN113567925A (zh) 一种基于超宽带技术的精准定位方法、系统、装置
CN110856100B (zh) 基于5g信号的终端定位及定位模型构建的方法和装置
CN112533284B (zh) 一种基于到达角的近远场统一定位方法
KR101762510B1 (ko) 위치 추정 정확도 향상을 위한 이동형 기준 노드 위치 결정 방법
Colin et al. Improving indoor localization within corridors by UHF active tags placement analysis
US20210211837A1 (en) Method for creating positioning support table and positioning using the positioning support table
KR100948948B1 (ko) 이동 로봇 위치 추적 시스템
Oh et al. Hybrid TDOA and AOA localization using constrained least squares
Golovan et al. Efficient localization using different mean offset models in Gaussian processes
Tiwari et al. Heron-bilateration based location estimation technique for indoor wlan
CN109884582A (zh) 利用一维测向快速确定目标三维坐标的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CP02 Change in the address of a patent holder
CP02 Change in the address of a patent holder

Address after: Room 504, building 3, No.2, fangcaodian Road, Huangpu District, Guangzhou City, Guangdong Province 510000

Patentee after: GUANGZHO CAIPIN COMMUNICATION TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Address before: 510080 room 2201, room A, No. 906, No. 906, North Road, Tianhe North Road, Tianhe District, Guangdong

Patentee before: GUANGZHO CAIPIN COMMUNICATION TECHNOLOGY Co.,Ltd.