CN108693501B - 具有多径减轻的定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有多径减轻的定位系统和方法。本发明提出了一种加权质心定位（WCL）算法，该算法基于网关的已知位置和网关处的测量到达时间（TOA）进行位置估计。该算法基于它们在网关按它们的TOA排序时的排名来计算网关的权重。模拟表明了该算法在不同的多径/衰落信道条件下的鲁棒性和其良好的定位性能。

Description

具有多径减轻的定位系统和方法

技术领域

本发明的实施例涉及确定移动电子设备的位置的领域。

背景技术

在IOT（物联网）和许多其他位置相关的应用中，需要基础设施能够估计一个或若干个无线对象或目标节点的位置。以低成本在无线环境中实现准确的位置估计是相当大的挑战。本发明提出了一种能够以良好准确度定位其节点并且很大程度上不受传播干扰影响的无线网络以及对应的方法。

在典型的位置估计系统中，存在其位置是已知的若干个参考节点或网关、以及其位置要被估计的一个或若干个目标节点或微点。为了估计目标节点的位置，表征目标节点针对参考节点的定位信息的一些度量（诸如距离或角度）需要通过由目标节点或由参考节点接收的无线电发射或者其他方式来测量。在本发明中，我们考虑其中目标节点进行无线电发射的情况，所述无线电发射由它周围的网关（参考节点）接收。

无线电定位被用于许多无线电定位系统和无线网络中，包括上述的GPS、LORAN、雷达、无线电测向器、以及诸如蜂窝电话网络、蓝牙、WiFi和LoRa的无线网络。

无线电定位方法通常依赖于表征移动节点参考其位置是已知的网关或参考节点的位置的一些度量。度量信息可能包括距离、方位（bearing）或信号强度。它们可以在基于测距的（range-based）方法和无需测距的（range-free）方法之间宽松地划分。在前者中，基于目标节点和网关之间的范围或距离例如通过多点定位来在几何上确定位置，而后者通过某种非几何算法例如通过指纹识别（fingerprinting）或加权从度量信息估计位置。

如由GPS和其他卫星定位系统的卓越性能所证明的，基于测距的方法可以提供极好的精度并覆盖具有有限数量的网关的大区域，但是它们更适合于自由空间传播，并且它们的性能随着多径的开始以及每当通信信道受到干扰并偏离理想模型时迅速降级。特别地，基于测距的方法往往在室内使用时损失精度，尤其是当在窄带宽系统中使用时。

无需测距的方法通常使用接收信号强度（RSSI）作为度量，并且尽管它们的最终精度可能较低，但它们相对不受传播异常影响，从而即使在其中基于测距的方法将发生故障的以强多径表征的条件下也提供有用的位置信息。它们可能需要比基于测距的方法更小的网关间距。尽管无需测距的位置引起了相当大的兴趣，但具有良好准确度的简单且鲁棒的加权算法的设计仍然是主要挑战。

以下描述描述了其中在二维平面中确定移动节点的位置的本发明的示例。虽然重要，但本申请不限制，并且本发明也包括其中在三维空间中定位移动节点作为变型。

发明内容

本发明提出了一种加权质心定位（WCL）算法，该算法仅基于网关的已知位置和网关处的到达时间（TOA）的测量来进行位置估计。

附图说明

图1以示意性简化方式图示了定位的过程，通过该过程，多个网关接收由移动节点发送的定位分组并通过解算器来确定其位置，解算器处理分组在每个网关处的到达时间。本发明还提出了将鲁棒的无需测距的估计与基于测距的估计相组合的增强定位方法。

图2通过流程图表示本发明方法的可能实现。

图3绘出了权重函数。

图4描述了位置确定的迭代方法。

具体实施方式

图1图示了发送数据分组135的无线网络中的移动节点110。无线网络包括其位置是已知的多个网关160。这些中的位置为（x_i，y_i）；（i=0、…… N-1）的N个在接收范围内并接收分组135。网关160中的每个确定分组135的到达时间TOA，并且在解算器单元180中收集（箭头170）对应的时间戳。解算器单元180在此被表示为单独的功能实体，并且可以在单独的服务器中物理地实现，但它也可以在不离开本发明的情况下托管在网关160中的一个中。也将想得到的是，在本发明的框架中，独立地或协作地在多个解算器单元中执行位置确定。

重要地，由不同网关取得的时间戳170必须彼此相当。为此目的，可以通过任何合适的同步协议（箭头140）来同步网关160的时间参考，或者网关160可以依赖于以例如GPS可驯时钟的形式的公共时间参考。替代地，网关的时间参考可以彼此独立，但解算器180知道它们各自的定时误差并且可以校正它们，从而将时间戳170转换成公共时间参考。信号135是数据分组也不是本发明的必要特征；本发明可以用可以确定其到达时间的任何信号起作用。

除了时间戳之外，网关可以使解算器180可访问其他信息，例如接收信号强度指示符（RSSI）或信号的方向，如果其可用的话。如果网关包括多个天线，则可以发送所有天线的度量，或者网关可以发送相对于一个选择的天线的度量，其例如基于RSSI或第一到达时间被选择为分集组的最佳代表。网关或解算器可以基于由其所有天线接收的信号来计算“平均”度量（参见图2中的步骤210、220）。

本发明也不限于单个分组的发送和接收。如果发送135被重复，则网关160和/或解算器180也可访问在特定网关处的平均到达时间及其变化。

本发明的无需测距的定位方法在解算器中如下那样进行：

从第一个到最后一个按到达时间的降序对TOA进行排序，并且每个被分配数字排名r_i（步骤230）。例如，最小TOA（要接收的第一个信号）被分配最高排名，并且最大TOA被分配最低排名。在所表示的情况下，接收信号的第一个网关可以获得排名6，并且最后一个可以接收排名1。

解算器还计算到达时间差或TDOA，即信号相对于第一次接收的到达时间t_i以及所涉及的所有网关之间的平均距离Δ（步骤225）。

假设存在已经接收到信号的共N个节点，则移动设备的位置将通过WCL算法来确定（步骤250）：使用一组权重因子的网关位置的加权（向量）和，其可以表达为：

其中w_i是用于网关G_i的加权因子，X和Y是目标节点的估计位置。

本发明算法的重要特征是确定加权因子w_i的方式（步骤240）。根据本发明，基于排名和TDOA的值来确定权重。重要地，TDA的值可以通过从接收信号的网关之间的平均距离导出的公共比例因子来校正。

具体地，权重可以通过主要由排名值确定的权重函数来计算，并且排名是恒定的，对于较大的TDOA而言减小，使得距目标太远的网关对加权和贡献很少或没有贡献。在有利的实现中，权重函数由下式表示

其中r_i表示第i个网关的排名，并且t_i表示其TDOA，Δ是所有网关之间的平均距离，并且k是预定的并且不重要的恒定因子。意味着TDOA是平均网关距离（当然乘以传播速度）的三倍或更多的网关对位置没有贡献的其中k=3的实现在模拟中给出了良好的结果。图3中的绘图示出了在这种情况下权重因子如何随着t_i的增加而线性地减小。然而，要理解的是，线性相关性不是必要特征，并且也可以使用其他权重函数。优选地，权重从不是负的，这确保位置估计将被包含于在顶点处具有参与网关的多边形中。

上述方法预见了从移动节点到网关的单个分组的发送。如果交换更多的分组，则可以通过如上述那样针对每个分组计算新的位置并且最终在最终估计中组合位置来提高精度。组合可以是简单的平均，或者预见不同的选项，例如考虑接收网关的数量、信号接收信号强度等来对每个位置进行加权。

本发明允许各种改善以增强其精度和鲁棒性。在可能的变型中，加权因子w_i可以部分地取决于RSSI，如果它们可用的话。

有利地，基于TOA通过公式计算的无需测距的时间位置估计可以与不同性质和起源的位置估计相组合。在一个变型中，与基于RSSI的指示的无需测距的位置估计进行组合，其可能如以本申请人名义的欧洲申请号EP16196989中所描述的那样，该申请通过引用并入本文，并且描述了其中接收的网关基于其RSSI进行排序并与取决于排名的权重组合的位置估计。以这种方式实现完全无需测距的位置估计。

组合可以预见不同的选项。最简单的是两个估计的平均。可以通过将权重应用于计及其不同精度或可靠性的两个估计来获得更好的准确度。基于RSSI的估计的可靠性可以通过RSSI的绝对水平和/或通过所涉及的网关数量来推断。上述基于TOA的估计的品质因数（figure of merit）可以通过平均网关间间距Δ、所涉及的网关数量、以及当接收到若干个分组时的TOA偏差来判断。

通常，TOA时间戳也将允许移动节点的位置的基于测距的估计以及无需测距的估计。该估计可以通过常规的延迟技术或者可能通过以本申请人名义的欧洲专利申请EP16180854中描述的方法来获得，该申请通过引用并入本文并且预见一组三网关解之外的扩展最小中值解的计算。

在本发明的实施例中，解算器计算接收分组在网关处的到达时间，并且从它们计算基于测距的估计（x_r，y_r）和如上所述的无需测距的估计（x_f，y_f）两者，然后将它们组合成一个。以这种方式，本发明的系统可以在传播条件最优或良好时基于范围提供准确的定位，并且随着多径的开始，仍然能够定位节点，这可能以精度的某种降级为代价通过使用无需测距的估计并逐渐给予无需测距的估计更多权重。

根据先前的增强，无需测距的和基于测距的估计可以简单地被平均，或者以加权平均组合。

优选地，解算器估计基于测距的估计的质量以及无需测距的估计的质量。然后使用这些质量参数来确定它们在组合中的相对权重，或者选择一个而不是另一个。

基于测距的估计的质量可以以若干种方式判断。有效的可能性涉及TDOA的最小平方误差残差（least-square error residue），

其中（x，y）表示基于测距的估计，（x_i，y_i）表示第i个网关的位置，（x_o，y_o）表示接收分组的第一个网关，并且t_i表示第i个TDOA。也可以使用精度的稀释。

如上所述，可以根据平均网关间间距Δ或者还有所涉及的网关数量以及当接收到若干个分组时的TOA偏差来判断无需测距的估计的质量。

质量参数与两个阈值进行比较。如果TDOA误差残差s²超过对应的阈值，则基于测距的估计被认为是不可靠的并且被简单地丢弃；位置仅通过无需测距的方法来估计。相反，如果网关间间距Δ高于其对应的阈值，则丢弃无需测距的估计，并且位置仅通过基于测距的方法给出。然而，如果从与阈值的该比较中两种估计看起来都是可靠的，则位置的最终估计将是两者的加权平均。基于相对质量参数来计算相对权重。

根据另一变型，迭代地计算移动节点110的位置，其中具有其中在第一位置确定之后修改到达时间时间戳t_i然后基于经调整的时间戳来计算改进位置的步骤。时间戳的调整导致更好的定位，因为其是为了补偿多径传播而进行的。对于每个接收网关160，时间戳以使得至少部分地消除由多径引入的时移的方式朝向更早的到达时间进行校正。

根据可能的变型，定位服务器180包括或者可访问传播模型185（图1），其从第一位置估计向任何网关提供来自第一估计位置310（图4）的预测值。模型可以被设置一次，并重复使用与需要一样多次，并且仅在主要地形修改（比如在城市中）、重大建筑物修改或创建处需要更新。根据该多径预测，时间戳t_i可以被修改（320）并且更接近移动节点的真实位置的改进位置330被估计。校正时间戳和改进位置的循环可以重复与需要一样多次，直到定位位置使用合适的收敛准则是满意的340。

在其他变型中，多径校正不是明确地基于预测，而是从可用于定位服务器的多径的标记推断。例如，服务器可以针对每个网关基于传输方程来计算路径损耗指数L：

其中P_TX表示发射机的功率，G_M表示移动节点处的天线增益，G_G表示网关处的天线的增益，rssi表示接收信号强度，D表示距离，并且λ表示波长。在自由空间传播中，损耗指数等于2。其值对于导向传播将低于2，并且经常将高于2。L>2是阻碍的指示，L的值越高，信号经受的阻碍越大。由于平均起来大的阻碍与更高的延迟和更强的多径相关，所以L的高值指示发生多径，并且可能提示补偿。

优选地，公式4中的rssi的值是聚合值：若干个rssi确定的统计指示符。其可以是平均值、中值、最大值或分位数。取等于接收的rssi值的第80个百分数的rssi_agg即接近最大接收信号电平的值，获得了有利的结果。

用于补偿t_i的确切函数可以采取不同的形式，并且可以考虑特定网关或移动节点周围的环境来选择。已经发现有利的是，仅补偿针对其对应损耗指数大于给定指数的那些传播时间t_i，例如仅当L≥4时计算补偿，并且当L<4时为零补偿。

以上的迭代方法预见位置的至少两个（可能更多）估计。这些可以用先前实施例的无需测距的估计方法来获得，但是在本发明的独立方面中，可以以其他方式获得一个全部或一些位置估计，例如通过最小二乘法（lateration）、基于到达时间、或到达时间和信号强度的任何组合。

Claims (13)

1.一种用于确定移动设备相对于其位置是已知的多个网关的位置的系统，包括至少一个移动设备和其位置是已知的多个网关，其中所述网关可操作地布置为从所述移动设备接收无线电信号并确定所述信号在网关处的到达时间，所述系统包括解算器单元，所述解算器单元可操作地布置为基于所述到达时间来计算所述移动设备的位置，其特征在于，所述解算器单元被布置为以所述接收到的到达时间对所述网关进行排序，为每个网关计算取决于在所述排序中所述网关的排名的权重因子，由此到达时间较早的那些网关被分配较重的权重因子，所述系统进一步布置为通过使用所述权重因子的网关的位置的加权和来计算所述移动设备的位置。

2.根据权利要求1所述的系统，所述解算器被布置为基于所述信号在网关处的到达时间差和所述排名来计算所述权重因子。

3.根据权利要求2所述的系统，所述解算器被布置为将所述到达时间差除以取决于接收到信号的网关之间的平均距离的比例因子。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述权重因子总是为正的或零，和/或它们在所述到达时间差超过确定的值时为零。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述解算器被布置用于通过下式来计算每个网关的权重因子（w_i）：

其中r_i表示网关的排名，t _i 表示其到达时间差，Δ表示接收到信号的网关之间的平均距离，并且k是预定的值。

6.根据权利要求1所述的系统，其可操作地布置为：还从所述到达时间计算基于测距的位置估计；确定表达无需测距的位置估计的质量的第一质量参数、表达所述基于测距的位置估计的质量的第二质量参数；并且使用所述第一质量参数和第二质量参数来组合无需测距的位置估计和基于测距的位置估计。

7.一种确定移动设备相对于其位置是已知的多个网关的位置的方法，包括：

·针对每个网关确定信号的到达时间，

·以所述信号的到达时间对所述网关进行排序，

·为每个网关计算取决于在所述排序中所述网关的排名的权重因子，由此到达时间较早的那些网关被分配较重的权重因子，

·通过使用所述权重因子的网关的位置的加权和来计算所述移动设备的位置。

8.根据权利要求7所述的方法，其中基于所述信号在网关处的到达时间差和所述排名来计算所述权重因子。

9.根据权利要求8所述的方法，其中将所述到达时间差除以取决于接收到信号的网关之间的平均距离的比例因子。

10.根据权利要求7所述的方法，其中所述权重因子总是为正的或零，和/或它们在所述到达时间差超过确定的值时为零。

11.根据权利要求7所述的方法，其中通过下式来计算每个网关的权重因子（w_i）：

其中r_i表示网关的排名，t _i 表示其到达时间差，Δ表示接收到信号的网关之间的平均距离，并且k是预定的值。

12.根据权利要求7所述的方法，包括：还从所述到达时间计算基于测距的位置估计；确定表达无需测距的位置估计的质量的第一质量参数、以及表达所述基于测距的位置估计的质量的第二质量参数；并且使用所述第一质量参数和第二质量参数来组合无需测距的位置估计和基于测距的位置估计。

13.根据权利要求7所述的方法，包括基于多径的指示而朝向更早的到达时间校正到达时间的步骤。

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