CN108919322B - 一种采用角度信息转换的定位解算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用角度信息转换的定位解算方法，属于定位导航技术领域。该方法根据用户与基站之间的测距值求解其对应的角度值，通过角度值的更新对用户位置坐标估计进行更新，在用户初始位置误差较大和多组测量权重值不同的情况下收敛速度快，提高了基于测距的定位系统的解算实时性，并且可以进一步改进为采用最陡下降法和Levenberg‑Marquard法实现，适合工程应用。

Description

一种采用角度信息转换的定位解算方法
技术领域
本发明涉及一种采用角度信息转换的定位解算方法，属于定位导航技术领域。
背景技术
在常见的基于测距信息的无线电定位系统中，通常以测距信息为基础，建立测距方程组，采用加权最小二乘等方法计算得到用户位置。然而传统测距方程的表示方法在不同测距信息权值不相同或者初始位置信息偏差较大时，需要迭代计算的时间长，影响了定位解算结果的实时性能。
发明内容
针对传统基于测距信息的无线电导航系统中测距方程组解算效率低的问题，本发明提出了一种采用角度信息转换的定位解算方法，将测距方程组的表示方式转换为角度信息，加快了定位迭代算法的收敛速度，提高了基于测距信息的无线电定位系统的实时性能。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种采用角度信息转换的定位解算方法，包括以下步骤：
(1)初始化用户位置
需要对被估用户位置进行初始值设定，同时获取用户和基站之间的无线电测距值；
(2)根据用户位置初始值和基站位置计算相应的角度值；
(3)计算角度值对应的加权用户位置坐标；
(4)计算加权用户位置情况下的用户与基站之间的距离与测距值的差值；
根据角度值和测距值进行加权计算后得到的位置即为加权用户位置，将此位置值与基站位置做差求得用户与基站之间的距离估计值，并将距离估计值与测距值进行做差；
(5)计算加权差值；
(6)判定加权差值是否低于阈值，如果是，则输出位置估计结果；如果否，更新用户位置并回到步骤(2)进行迭代计算。
步骤(2)的具体过程如下：
根据用户位置X＝[x y z]T和信号来源位置pi＝[ai bi ci]T计算以用户为中心的坐标系的两个角度值，通过该角度值和测距值在三维空间内确定唯一的坐标，其中：x为位置坐标在直角坐标系下x轴的值；y为位置坐标在直角坐标系下y轴的值；z为位置坐标在直角坐标系下z轴的值；ai为信源位置坐标在直角坐标系下x轴的值；bi为信源位置坐标在直角坐标系下y轴的值；ci为信源位置坐标在直角坐标系下z轴的值。
所述角度值的计算式为：
||X-pi||cosθi＝x-ai、
Figure GDA0003595881570000021
Figure GDA0003595881570000022
其中：θi为矢量X-pi与x轴之间的夹角，
Figure GDA0003595881570000031
为矢量X-pi与x轴构成的平面与XOY平面的夹角，|| ||代表L2范数
步骤(3)中所述计算角度值对应的加权用户位置坐标采用如下方法：
Figure GDA0003595881570000032
其中
Figure GDA0003595881570000033
为测距方差，di为第i组无线电测距值。
步骤(5)中所述的计算加权差值，计算方式为：
Figure GDA0003595881570000034
其中Δdi＝||di-(x*-pi)||。
本发明的有益效果如下：
本发明提出了一种采用角度信息转换的定位解算方法，根据用户与基站之间的测距值求解其对应的角度值，通过角度值的更新对用户位置坐标估计进行更新，在用户初始位置误差较大和多组测量权重值不同的情况下收敛速度快，提高了基于测距的定位系统的解算实时性，并且可以进一步改进为采用最陡下降法和Levenberg-Marquard法实现，适合工程应用。
附图说明
图1是本发明的角度示意图。
图2是本发明的执行步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图对技术具体实施方式进行详细说明，其计算流程如图2所示，角度示意图如图1所示，主要包含以下步骤：
(1)初始化用户位置估计坐标X＝[x y z]T，第i个无线电测距信号来源位置pi＝[ai bi ci]T，其中：x为位置坐标在直角坐标系下x轴的值；y为位置坐标在直角坐标系下y轴的值；z为位置坐标在直角坐标系下z轴的值；ai为信源位置坐标在直角坐标系下x轴的值；bi为信源位置坐标在直角坐标系下y轴的值；ci为信源位置坐标在直角坐标系下z轴的值；
(2)根据角度换算关系||X-pi||cosθi＝x-ai、
Figure GDA0003595881570000041
Figure GDA0003595881570000042
其中：θi为矢量X-pi与x轴之间的夹角，
Figure GDA0003595881570000043
为矢量X-pi与x轴构成的平面与XOY平面的夹角，计算坐标值X与无线电测距信号基站位置pi对应的角度值θi、
Figure GDA0003595881570000044
|| ||代表L2范数；
(3)设定有N组测距信息X，计算N组测距信息对应的加权位置估计值，
Figure GDA0003595881570000045
其中
Figure GDA0003595881570000046
为第i组无线电测距信号的方差，di为第i组无线电测距值；
(4)根据公式Δdi＝||di-(x*-pi)||计算用户位置估值x*与基站位置pi之间的距离与第i个无线电测距值di之间的差值Δdi；
(5)计算加权差值
Figure GDA0003595881570000051
(6)判定Δd是否低于预设阈值，如果低于阈值则跳出迭代，得到定位解；如果高于阈值，则将本次计算周期得到的x*赋值给用户估计坐标X，回到角度计算步骤(2)重新计算角度值θi、
Figure GDA0003595881570000052
直至Δd低于阈值。

Claims (3)

1.一种采用角度信息转换的定位解算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)初始化用户位置
需要对被估用户位置进行初始值设定，同时获取用户和基站之间的无线电测距值；
(2)根据用户位置初始值和基站位置计算相应的角度值具体为：
根据用户位置X＝[x y z]T和信号来源位置pi＝[ai bi ci]T计算以用户为中心的坐标系的两个角度值，通过该角度值和测距值在三维空间内确定唯一的坐标，其中：x为位置坐标在直角坐标系下x轴的值；y为位置坐标在直角坐标系下y轴的值；z为位置坐标在直角坐标系下z轴的值；ai为信源位置坐标在直角坐标系下x轴的值；bi为信源位置坐标在直角坐标系下y轴的值；ci为信源位置坐标在直角坐标系下z轴的值；
(3)计算角度值对应的加权用户位置坐标：
所述角度值的计算式为：
||X-pi||cosθi＝x-ai、
Figure FDA0003625427490000011
Figure FDA0003625427490000012
其中：θi为矢量X-pi与x轴之间的夹角，
Figure FDA0003625427490000013
为矢量X-pi与x轴构成的平面与XOY平面的夹角，|| ||代表L2范数；
(4)计算加权用户位置情况下的用户与基站之间的距离与测距值的差值；
根据角度值和测距值进行加权计算后得到的位置即为加权用户位置，将此位置值与基站位置做差求得用户与基站之间的距离估计值，并将距离估计值与测距值进行做差；
(5)计算加权差值；
(6)判定加权差值是否低于阈值，如果是，则输出位置估计结果；如果否，更新用户位置并回到步骤(2)进行迭代计算。
2.根据权利要求1所述的一种采用角度信息转换的定位解算方法，其特征在于：
步骤(3)中所述计算角度值对应的加权用户位置坐标采用如下方法：
Figure FDA0003625427490000021
其中
Figure FDA0003625427490000022
为测距方差，di为第i组无线电测距值。
3.根据权利要求2所述的一种采用角度信息转换的定位解算方法，其特征在于：
步骤(5)中所述的计算加权差值，计算方式为：
Figure FDA0003625427490000023
其中Δdi＝||di-(x*-pi)||。
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