CN110346757A - 基于移动式测量站的抗多径时差定位方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于移动式测量站的抗多径时差定位方法、装置及系统，所述方法包括以下步骤：根据已知的辐射源所在的粗略区域或者指定待定位的区域，在该区域周边，指定三个移动测量站的布站活动区域；在各自的布站活动区域内，分别移动三个测量站进行布站，每次布站后，存储测量的直线系数；根据测量存储的直线，进行辐射源位置的判定，位置判定时采用快速模式或计算模式，算法计算复杂度低，仅采用三个移动测量站，通过移动测量站的多次布局，进行多次测量，获得多条定位直线，根据定位直线获取直线交点集合，进行信息融合，最终得到辐射源位置，有效降低多径环境的影响。
Description
技术领域
本发明属于时差定位技术领域，特别涉及一种基于移动式测量站的抗多径时差定位方法、装置及系统。
背景技术
时差定位技术(Time Difference of Arrival TDOA，TDOA)是一种无源定位技术，由于其具有成本低，隐蔽性强等特点，得到了广泛的研究与应用。时差定位系统中，信号经常在非直视距环境和多径信道传输，尤其是在城市高楼林立的环境中，多径环境更是普遍存在。当信号在非直视距环境和多径信道传输时，由于多径的影响，接收机收到的信号可以由不同的相位旋转、不同的幅度衰落、不同的时延值的多个信号叠加而成。多径会造成很大的时延估计偏差，此时，时差定位精度会受到很大的影响甚至出现定位失效。如何提高多径条件下的定位精度，降低多径传播的影响，是时差定位亟需解决的难题。
在市区多径场景内，对于定位精度的研究一般从信号定位解算算法和时延估计算法两方面着手，提高系统在多径环境下的定位精度：一是从定位方程的求解方面着手，采用各种优化算法，提高定位精度，这些一般计算复杂度很高，并且需要布局很多的测量站，提高了系统成本；二是设计各种时延估计算法，通过研究非直视距条件下的时延估计误差特性以及多径信道模型等，提高时延估计的精度，这些方法计算复杂度很高，大多数停留在理论研究阶段，并且对模型具有依赖性，难以在工程中应用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于移动式测量站的抗多径时差定位方法、装置及系统，采用三个测量站，通过测量站的移动布局，在多个地点进行移动式布站，进行多次测量，然后获得多条定位直线，根据定位直线，进行信息融合，从而得到定位目标的位置，可以有效降低多径环境的影响，提高时差定位的精度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明设计了基于移动式测量站的抗多径时差定位方法，包括以下步骤：
第一步，根据已知的辐射源所在的粗略区域或者指定待定位的区域，在该区域周边，指定三个移动测量站的布站活动区域；
第二步，在各自的布站活动区域内，分别移动三个测量站进行布站，每次布站后，存储测量的直线系数；
第三步，根据测量存储的直线，进行辐射源位置的判定。
进一步的，第二步中，分别移动三个测量站进行布站，三个测量站可以在各在的布站活动区域内分别选取i，j,k个位置点进行布站，一共有N＝i×j×k种布站方式；每次布站测量后，系统存储第m次测量的直线系数am，bm，cm，得到直线amx+bmy＝cm，可以得到N条直线。
进一步的，第三步中，辐射源位置的判定采用快速模式：
根据得到的直线参数，在软件界面绘制N条直线，由于强多径情况下获取的每条直线与其它直线的交点的分布具有离散性，因而根据软件界面上两两直线交点的汇聚情况，可以在软件界面上迅速的选取交点汇聚的区域的几何中心作为辐射源的位置。
进一步的，第三步中，辐射源位置的判定采用计算模式：
计算两两直线之间的交点，一共有个交点，根据交点之间的距离和汇聚情况，首先剔除离散性比较大的交点，然后对剩下的点继续进行剔除，不断地进行剔除，得到汇聚性比较好的交点集合，计算汇聚点的几何中心作为最终辐射源的位置。
本发明还设计了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实现如前所述的基于移动式测量站的抗多径时差定位方法步骤。
本发明还设计了基于移动式测量站的抗多径时差定位装置，包括终端设备的处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行如前所述的基于移动式测量站的抗多径时差定位方法步骤。
本发明还设计了基于移动式测量站的抗多径时差定位系统，包括控制中心、与控制中心连接的三个测量站，所述三个测量站的接收节点用于接收辐射源发出的信号，并将信号发送至控制中心；所述控制中心用于接收每次布站后三个测量站传输的信号，并进行处理，得到每次布站得到的直线系数，并存储；然后判定辐射源的位置。
进一步的，所述控制中心用于采用快速模式判定辐射源位置：根据得到的直线参数，在软件界面绘制N条直线，根据软件界面上两两直线交点的汇聚情况，在软件界面上迅速的选取交点汇聚的区域的几何中心作为辐射源的位置。
进一步的，所述控制中心用于采用计算模式判定辐射源位置：计算两两直线之间的交点，根据交点之间的距离和汇聚情况，首先剔除离散性比较大的交点，然后对剩下的点继续进行剔除，不断地进行剔除，得到汇聚性比较好的交点集合，计算汇聚点的几何中心作为最终辐射源的位置。
与现有技术相比，本发明优点在于：
1、本发明仅采用三个移动测量站，通过移动测量站的多次布局，进行多次测量，获得多条定位直线，根据定位直线获取直线交点集合，进行信息融合，最终得到辐射源位置，有效降低多径环境的影响。
2、算法计算复杂度低，不需要采用多径条件下复杂的时延迟估计算法，或者复杂的定位算法。利用多条直线的交点的集合获取辐射源的位置。
3、只采用了三个测量站，降低测量站的数量，降低了时差定位系统的成本。
4、工程易于实现，剔除多径传输的影响，提高了定位精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1的三测量站布局示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例设计了基于移动式测量站的抗多径时差定位方法，采用三个移动测量站进行移动式布局，如图1所示，假设三个测量站的二维坐标分别是(xi,yi)，(xj,yj)，(xk,yk)，辐射源的坐标是(x,y)。这里假设信号到测量站i的距离是di，则dij＝di-dj表示辐射源信号到达测量站i与辐射源信号到达测量站j之间的距离差。距离差dij可以通过时差测量值得到。
由关系dki＝dj+dk-di-dj可以推出等式：
进一步简写为：
amx+bmy＝cm
此式子表明，在没有测量误差的情况下，辐射源位于直线amx+bmy＝cm上。系数am，bm，cm表示测量站第m次布局获取的参数。
在没有测量误差的情况下，三个测量站仅布局一次，理论上就可以解算出辐射源的位置，但是这种情况下可能会出现模糊解(此时得到两个解，无法判别辐射源的位置)的情况。测量站布局两次，两条直线的交点就是辐射源的位置，因而，此时可以消除模糊解。
在多径情况下，会出现很大的时差测量误差，此时得到的直线与辐射源坐标之间的距离很大。充分利用三个测量站的移动性质，进行多次布站测量，可以使得测量站与辐射源之间出现直射的情况或者多径效应比较弱的情况。直射情况下获取的直线(考虑到测量误差)经过辐射源附近，得到的多条直线的交点会在辐射源位置附近区域汇聚，而强多径情况下出现的直线与其它直线之间的交点没有规律性，呈现离散分布的特点。
基于以上分析，本实施例的基于移动式测量站的抗多径时差定位方法包括以下步骤：
第一步，一般情况下，都有一个先验信息，即已知辐射源所在的一个粗略区域或者指定待定位的区域。根据已知的辐射源所在的粗略区域或者指定待定位的区域，在该区域周边进行测量站布局。指定三个移动测量站的布站活动区域，图1中用虚线方框表示，活动区域一般位于待定位区域周围。
第二步，在各自的布站活动区域内，分别移动三个测量站进行布站，每次布站后，存储测量的直线系数。即三个测量站可以在各在的区域内分别选取i，j,k个位置点进行布站，一共有N＝i×j×k种布站方式，即可以得到N条直线。每次布站测量后，系统存储第m次测量的直线系数am，bm，cm，得到直线amx+bmy＝cm。
第三步，根据测量存储的直线，进行辐射源位置的判定，分为两种快速模式和计算模式。
快速模式，可以用于快速判定辐射源位置：
根据得到的直线参数，在软件界面绘制N条直线，由于强多径情况下获取的每条直线与其它直线的交点的分布具有离散性，因而根据软件界面上两两直线交点的汇聚情况，可以在软件界面上迅速的选取交点汇聚的区域的几何中心作为辐射源的位置。
计算模式：
计算两两直线之间的交点，一共有个交点，根据交点之间的距离和汇聚情况，首先剔除离散性比较大的交点，然后对剩下的点继续进行剔除，不断地进行剔除，得到汇聚性比较好的交点集合，计算汇聚点的几何中心作为最终辐射源的位置。
实施例2
本实施例设计了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实现如前实施例1所述的基于移动式测量站的抗多径时差定位方法步骤，执行实施的方法步骤与实施例1相同，可参见实施例1的记载，此处不再赘述。
在本实施例中，计算机可读记录介质的例子包括磁存储介质(例如，ROM，RAM，USB，软盘，硬盘等)、光学记录介质(例如，CD-ROM或DVD)、PC接口(例如，PCI、PCI-Expres、WiFi等)等，本实施例公开的各个方面不限于此。
实施例3
本实施例设计了基于移动式测量站的抗多径时差定位装置，包括终端设备的处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行如实施例1所述的基于移动式测量站的抗多径时差定位方法步骤，运行时具体执行的方法步骤与实施例1相同，可参见实施例1的记载，此处不再赘述。
实施例4
本实施例基于实施例1-3，设计了基于移动式测量站的抗多径时差定位系统，包括控制中心、与控制中心连接的三个测量站，所述三个测量站的接收节点用于接收辐射源发出的信号，并将信号发送至控制中心，三个测量站的位置布局如图1所示(布站活动区域，图1中用虚线方框表示)。
所述控制中心用于接收每次布站后三个测量站传输的信号，并进行处理，得到每次布站得到的直线系数，并存储；然后判定辐射源的位置。
作为一种优选的实施方式，控制中心用于采用快速模式判定辐射源位置：根据得到的直线参数，在软件界面绘制N条直线，根据软件界面上两两直线交点的汇聚情况，在软件界面上迅速的选取交点汇聚的区域的几何中心作为辐射源的位置。
作为一种优选的实施方式，控制中心用于采用计算模式判定辐射源位置：计算两两直线之间的交点，根据交点之间的距离和汇聚情况，首先剔除离散性比较大的交点，然后对剩下的点继续进行剔除，不断地进行剔除，得到汇聚性比较好的交点集合，计算汇聚点的几何中心作为最终辐射源的位置。
综上所述，本发明仅需要三个测量站，利用测量站的移动特点，进行多次布站，克服多径的影响，提高定位精度。其技术关键点主要包括仅使用移动式布站，获得多条定位直线，根据多条直线的交点，进行信息融合，从而得到定位目标的位置。
本发明说明书的各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可，每个实施例重点说明的是与其他实施例不同之处。本发明的各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.基于移动式测量站的抗多径时差定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，根据已知的辐射源所在的粗略区域或者指定待定位的区域，在该区域周边，指定三个移动测量站的布站活动区域；
第二步，在各自的布站活动区域内，分别移动三个测量站进行布站，每次布站后，存储测量的直线系数；
第三步，根据测量存储的直线，进行辐射源位置的判定。
2.根据权利要求1所述的基于移动式测量站的抗多径时差定位方法，其特征在于，第二步中，分别移动三个测量站进行布站，三个测量站可以在各在的布站活动区域内分别选取i，j,k个位置点进行布站，一共有N＝i×j×k种布站方式；每次布站测量后，系统存储第m次测量的直线系数am，bm，cm，得到直线amx+bmy＝cm，可以得到N条直线。
3.根据权利要求2所述的基于移动式测量站的抗多径时差定位方法，其特征在于，第三步中，辐射源位置的判定采用快速模式：
根据得到的直线参数，在软件界面绘制N条直线，由于强多径情况下获取的每条直线与其它直线的交点的分布具有离散性，因而根据软件界面上两两直线交点的汇聚情况，可以在软件界面上迅速的选取交点汇聚的区域的几何中心作为辐射源的位置。
4.根据权利要求2所述的基于移动式测量站的抗多径时差定位方法，其特征在于，第三步中，辐射源位置的判定采用计算模式：
计算两两直线之间的交点，一共有个交点，根据交点之间的距离和汇聚情况，首先剔除离散性比较大的交点，然后对剩下的点继续进行剔除，不断地进行剔除，得到汇聚性比较好的交点集合，计算汇聚点的几何中心作为最终辐射源的位置。
5.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实现如权利要求1-4任一项所述的方法步骤。
6.基于移动式测量站的抗多径时差定位装置，包括终端设备的处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于：所述指令适于由处理器加载并执行如权利要求1-4任一项权利要求所述的方法步骤。
7.基于移动式测量站的抗多径时差定位系统，包括控制中心、与控制中心连接的三个测量站，其特征在于，所述三个测量站的接收节点用于接收辐射源发出的信号，并将信号发送至控制中心；
所述控制中心用于接收每次布站后三个测量站传输的信号，并进行处理，得到每次布站得到的直线系数，并存储；然后判定辐射源的位置。
8.根据权利要求7所述的基于移动式测量站的抗多径时差定位系统，其特征在于，所述控制中心用于采用快速模式判定辐射源位置：根据得到的直线参数，在软件界面绘制N条直线，根据软件界面上两两直线交点的汇聚情况，在软件界面上迅速的选取交点汇聚的区域的几何中心作为辐射源的位置。
9.根据权利要求7所述的基于移动式测量站的抗多径时差定位系统，其特征在于，所述控制中心用于采用计算模式判定辐射源位置：计算两两直线之间的交点，根据交点之间的距离和汇聚情况，首先剔除离散性比较大的交点，然后对剩下的点继续进行剔除，不断地进行剔除，得到汇聚性比较好的交点集合，计算汇聚点的几何中心作为最终辐射源的位置。
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