CN110596641B - 混合los/nlos场景下基于toa定位模式的l1范数方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合LOS/NLOS场景下基于TOA定位模式的L1范数方法，通过观测距离值和基站已知坐标，建立接收机定位基本方程；然后对距离观测值按从小到达顺序进行排序；其次，选取数值小的观测距离值对应的定位方程作为基准方程，并与其他定位方程进行做差运算，最后转化为最小二乘的标准形式；基于最小二乘表达形式，然后构建L1范数最小准则，从而运用CVX软件工具箱求解，得到接收机的高精度定位坐标；最后根据定位绝对值残差向量内最大值与中位值的比值来判断当前基准方程是否选择正确，并判断当前定位结果是否是最恰当的。该方法非常简单，且性能稳定，能很大程度上降低NLOS误差对定位算法的影响，也能对工业应用具有非常强的借鉴价值。

Description

混合LOS/NLOS场景下基于TOA定位模式的L1范数方法
技术领域
本发明属于定位技术领域，具体涉及一种可以用于混合LOS/NLOS场景下基于TOA定位模式的L1范数方法。
背景技术
传统定位技术中主要有四种定位模式：TOA(time of arrival，到达时间)、TDOA(time difference of arrival，到达时间差)、AOA(arrival of angle，到达角度)和指纹库，每种定位模式下，定位接收机从发射机可接收两种信号：直接到达的LOS(light ofsight，视距)信号和因障碍物而通过反射、折射和散射到达的NLOS(non-light of sight，非视距)信号。
通过距离观测值或通过飞行时间差反应距离观测值来参与定位的过程中，NLOS误差会严重降低定位系统的精度，并影响整个系统的性能。故而最近几十年来，国际上工业界和学术界一直对NLOS误差导致系统精度降低的问题重点关注和研究。所以我们发明本方法来提高和改善系统的定位精度，使其满足人民群众对高精度定位系统的需求。
发明内容
结合当前混合LOS/NLOS应用场景下，并针对现有技术TOA定位模式存在定位精度不高问题，本发明提出一种L1范数方法来解决混合LOS/NLOS场景下高精度定位问题。该方法公式简单，易于理解，且具有很强的工程应用价值。
TOA定位模式下，接收机会接收到各个基站的信号，里面既有小噪声LOS信号，也有大误差NLOS信号。因为NLOS误差值较大，故而其对定位算法精度的影响比较大，所以本发明的应用场景是LOS与NLOS共存的场景。
实现本发明目的的技术方案是：
混合LOS/NLOS场景下基于TOA定位模式的L1范数方法，其主要包括以下步骤：
(1)获取TOA基站坐标与接收机(又称移动定位标签或移动站)接收到的时间观测值，然后将时间观测值转化为距离观测值；
(2)通过观测距离值和基站已知坐标，建立接收机定位基本方程；然后对距离观测值按从小到达顺序进行排序；其次，选取数值小的观测距离值对应的定位方程作为基准方程，并与其他定位方程进行做差运算，最后转化为最小二乘的标准形式；
(3)基于最小二乘标准形式，构建L1范数最小准则，运用CVX软件工具箱求解，得到接收机的高精度定位坐标；
(4)通过将定位坐标带入L1范数公式中，求得残差的绝对值向量，然后通过最大残差值与残差向量中位数的比值，来判断当前基准方程是否选择合理；
通过上述步骤，就能获得混合LOS/NLOS场景下TOA定位模式的高精度定位结果。
步骤(2)中，接收机定位的基本方程为：
Figure BDA0002220719020000021
其中，
Figure BDA0002220719020000022
为观测值，φL代表移动站或接收机到第i个基站为视距LOS信号传输，φNL则代表非视距NLOS信号，ni为高斯白噪声，ei为NLOS误差，(xi,yi)为第i个基站已知坐标，(x,y)为待求接收机坐标。
步骤(2)中，选取数值小的观测距离值对应的定位方程作为基准方程，并与其他定位方程进行做差运算，具体方法是：对公式(1)进行平方，忽略极小值项
Figure BDA0002220719020000031
的影响，有
Figure BDA0002220719020000032
对公式(2)进行移项，并引入辅助变量Ei，可以得到：
Figure BDA0002220719020000033
其中，
Figure BDA0002220719020000034
假设基准方程是第j个，忽略各项噪声的表达式，将公式(3)与第j个基准方程做差，则可以转化成AX＝b的形式，有
Figure BDA0002220719020000035
步骤(3)中，本发明的最根本的创新，构造L1范数的表达式为
min||AX-b||1  (6)
为了求解L1范数，采用Matlab软件的CVX工具箱进行求解，或将其进行光滑化处理后通过求导技术进行求解。本发明采用CVX进行求解，从而获得高精度的定位解
Figure BDA0002220719020000036
需要注意的是，如果第j个基准方程中含有NLOS误差，则需要通过公式(6)获得的解
Figure BDA0002220719020000037
来计算绝对值残差序列：
Figure BDA0002220719020000038
我们知道混合LOS/NLOS场景中，必然同时存在LOS信号和NLOS信号，从而实际上已经自动隐含了稀疏矩阵。故而理论情况下，残差序列C中也应该是稀疏的。故而可以通过公式
Figure BDA0002220719020000041
来验证残差序列C是稀疏的，从而保证了第j个基准方程不含有NLOS误差(阈值thred推荐为5)；否则，执行j＝j+1，程序返回步骤(2)，直到条件(8)满足为止，从而输出最终的定位解。
本发明针对TOA模式下的混合LOS/NLOS场景的高精度定位问题，发明了L1范数方法，它具有如下特点：
1.在LOS/NLOS混合场景中，NLOS路径数一般需要小于LOS路径数，从而保证本发明具有非常高的定位精度。
2.本发明方法具有运行时间快，公式简单，易于理解的特性。
本发明提出了L1范数方法来处理混合LOS/NLOS场景下的TOA模式的定位问题。该方法公式非常简单，效果很好，性能稳定，能有效提升非视距条件下的算法精度，对科技进步具有一定的促进作用，该方法可以用于室内定位领域与5G定位行业中。
附图说明
图1为本发明方法的定位误差曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的详细说明，但不是对本发明的限定。
实施例：
混合LOS/NLOS场景下基于TOA定位模式的L1范数方法，按照发明内容中的步骤，结果如下：
(1)附图1的实验结果来源于以下的实验条件设置：假设基站共选取5个，均匀分布在一个五边形顶点上面，且其中LOS基站数目为4个，NLOS基站为1个。5个基站的坐标分别为(0，0)，(5，0)，(6.54，4.75)，(2.50，7.69)和(-1.54，4.75)。LOS信号噪声ηi服从均值为0，方差为
Figure BDA0002220719020000051
的高斯白噪声，NLOS误差均匀分布在范围[8*max(|ηi|),15*max(|ηi|)]内，其中i＝1,…,5。移动接收机坐标在由基站围成的五边形内部随机生成。对于每个噪声，模拟实验仿真次数均为500次。
(2)由附图1可知，当高斯白噪声方差在0.01时，本发明方法的定位误差为0.0175m；当高斯噪声为0.1时，定位误差为0.16m；当高斯白噪声方差在0.6时，系统定位误差为1m。

Claims (5)

1.混合LOS/NLOS场景下基于TOA定位模式的L1范数方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取TOA基站坐标与接收机或移动站接收到的时间观测值，然后将时间观测值转化为距离观测值；
(2)通过观测距离值和基站已知坐标，建立接收机定位基本方程；然后对距离观测值按从小到达顺序进行排序；其次，选取数值小的观测距离值对应的定位方程作为基准方程，并与其他定位方程进行做差运算，最后转化为最小二乘的标准形式；
(3)基于最小二乘标准形式，构建L1范数最小准则，运用CVX软件工具箱求解，得到接收机的高精度定位坐标；
(4)通过将定位坐标带入L1范数公式中，求得残差的绝对值向量，然后通过最大残差值与残差向量中位数的比值，来判断当前基准方程是否选择合理；
通过上述步骤，就能获得混合LOS/NLOS场景下TOA定位模式的高精度定位结果。
2.根据权利要求1所述的混合LOS/NLOS场景下基于TOA定位模式的L1范数方法，其特征在于：步骤(2)，接收机定位基本方程为：
Figure FDA0004054085810000011
其中，
Figure FDA0004054085810000012
为观测值，φL代表标签到第i个基站为视距LOS信号传输，φNL则代表非视距NLOS信号，ni为高斯白噪声，ei为NLOS误差，(xi,yi)为第i个基站已知坐标，(x,y)为待求接收机坐标。
3.根据权利要求2所述的混合LOS/NLOS场景下基于TOA定位模式的L1范数方法，其特征在于：步骤(2)中选取数值小的观测距离值对应的定位方程作为基准方程，并与其他定位方程进行做差运算，具体方法是：对公式(1)进行平方，忽略极小值项
Figure FDA0004054085810000021
的影响，有
Figure FDA0004054085810000022
对公式(2)进行移项，并引入辅助变量Ei，可以得到：
Figure FDA0004054085810000023
其中，
Figure FDA0004054085810000024
假设基准方程是第j个，忽略各项噪声的表达式，将公式(3)与第j个基准方程做差，则可以转化成AX＝b的形式，有
Figure FDA0004054085810000025
4.根据权利要求1所述的混合LOS/NLOS场景下基于TOA定位模式的L1范数方法，其特征在于：步骤(3)中，构造L1范数的表达式为
min||AX-b||1         (6)
最后运行Matlab软件的CVX工具箱进行求解得到定位解
Figure FDA0004054085810000026
5.根据权利要求4所述的混合LOS/NLOS场景下基于TOA定位模式的L1范数方法，其特征在于：如果第j个基准方程中含有NLOS误差，则需要通过公式(6)获得的定位解
Figure FDA0004054085810000027
来计算绝对值残差：
Figure FDA0004054085810000028
通过公式
Figure FDA0004054085810000029
来验证残差序列C是稀疏的，从而保证了第j个基准方程不含有NLOS误差，
阈值thred推荐为5；否则，j＝j+1，程序返回步骤(2)，直到条件(8)满足为止，
从而输出最终的定位解。
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