非視距環(huán)境下基于TOA模式的高精度快速定位方法技術

一種非視距環(huán)境下基于TOA模式的高精度快速定位方法，根據(jù)距離觀測值得到移動站與各基站之間的基本定位方程；選取距離觀測值最小時對應的移動站與基站之間的基本定位方程作為基準方程，其它移動站與基站之間的基本定位方程與基準方程相減，得到最小二乘的標準形式；構造L1范數(shù)表達形式，轉化為附加等式線性約束的L1范數(shù)表達形式；給出交替方向法求解的迭代過程，得到移動站的定位解；將定位解帶入L1范數(shù)表達式中，求得絕對值殘差，若最大絕對值殘差與絕對值殘差的中位數(shù)比值大于預設值，輸出該移動站的定位解；否則采用下一個距離觀測值對應的移動站與基站之間的基本定位方程作為基準方程。本發(fā)明專利技術能夠降低非視距誤差對定位精度的影響。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
非視距環(huán)境下基于TOA模式的高精度快速定位方法
本專利技術屬于無線定位
，具體涉及一種非視距環(huán)境下基于TOA模式的高精度快速定位方法。
技術介紹
由于環(huán)境的復雜性，信號自發(fā)送端發(fā)出后，在到達接收端的過程中，往往存在不同程度的遮擋，從而引入非視距(non-line-of-sight，NLOS)誤差。尤其是在室內定位和5G定位領域，非視距誤差的存在會嚴重降低定位系統(tǒng)的精度和性能，最為嚴重的后果是導致定位結果發(fā)散，從而造成定位結果失敗。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術要解決的技術問題是：提供一種非視距環(huán)境下基于TOA模式的高精度快速定位方法，能夠降低非視距誤差對定位精度的影響。本專利技術為解決上述技術問題所采取的技術方案為：一種非視距環(huán)境下基于TOA模式的高精度快速定位方法，其特征在于：它包括以下步驟：S1、確定各固定基站的坐標，以及移動站接收到移動站與各個固定基站之間的距離觀測值；根據(jù)距離觀測值得到移動站與各基站之間的基本定位方程；S2、對所述的距離觀測值按照從小到大進行排序，選取距離觀測值最小時對應的移動站與基站之間的基本定位方程，作為基準方程，其它移動站與基站之間的基本定位方程與基準方程相減，得到最小二乘的標準形式；S3、構造L1范數(shù)表達形式，為了應用交替方向法，引入新的變量，從而將L1范數(shù)表達形式轉化為附加等式線性約束的L1范數(shù)表達形式；S4、對所述的附加等式線性約束的L1范數(shù)表達形式，給出交替方向法求解的迭代過程，得到移動站的定位解；S5、將S4得到的移動站的定位解帶入L1范數(shù)表達式中，求得絕對值殘差，如果最大絕對值殘差與絕對值殘差的中位數(shù)比值大于預設值，則輸出該移動站的定位解；否則，采用下一個距離觀測值對應的移動站與基站之間的基本定位方程作為基準方程，返回S2。按上述方法，所述的S1采用二維平面定位場景，各固定基站的坐標為二維笛卡爾坐標；移動站與第i個基站之間的基本定位方程為：其中，x、y分別為移動站二維笛卡爾坐標的橫坐標和縱坐標，xi、yi為第i個基站二維笛卡爾坐標的橫坐標和縱坐標；di為移動站與第i個基站之間的距離觀測值；ηi和εi分別代表均值為0方差為的高斯白噪聲和NLOS誤差，兩者之間的大小關系為：i∈φL代表移動站到第i個基站為LOS信號傳輸；i∈φNL則代表移動站到第i個基站為NLOS信號。按上述方法，設第j個基站與移動站之間的基本定位方程為基準方程；通過其它基站與移動站之間的基本定位方程與基準方程相減，得到：式中，xj、yj為第j個基站二維笛卡爾坐標的橫坐標和縱坐標；ηj代表均值為0方差為的高斯白噪聲；然后，將其轉化為最小二乘的標準形式AX-b＝E，則有X＝[x,y]T,E＝[E1…EN]T(4)其中，式中，A為設計矩陣，X為移動站未知二維坐標向量，b為最小二乘擬合距離向量，E為定位殘差向量，x1-xN為第1-N個固定基站的橫坐標，y1-yN為第1-N個固定基站的縱坐標，d1-dN為移動站與第1-N個固定基站之間的距離觀測值，Ei為根據(jù)定位結果得到的第i個基站與移動站之間的距離差值，N為固定基站的總數(shù)。按上述方法，所述的S3中，L1范數(shù)表達形式為：min||AX-b||1(6)引入新的變量z，從而公式(6)有最新的表達形式式中，s.t.為使得z滿足AX-b的受約束條件；所述的S4具體為：將公式(7)轉化為拉格朗日形式，有式中，L(z,X,w)為拉格朗日表達式，w是拉格朗日乘子，ρ＞0是罰參數(shù)；對公式(8)的求解，采用交替方向法迭代公式有式中，zk+1、Xk+1和wk+1分別為第k+1次迭代的定位殘差向量、移動站坐標和拉格朗日乘子，wk為第k次迭代的拉格朗日乘子；對公式(9)進行處理后，得到最終的迭代形式為其中，S1/ρ(y)是一個符號算子，表征軟閾值運算操作；當?shù)鶮次收斂后，得到移動站的定位解X＝XK。按上述方法，所述的S5具體為：將移動站的定位解X帶入公式(6)，從而獲得絕對值殘差E＝abs(AX-b)(11)若滿足以下關系式則輸出移動站的定位解X；式中，max(E)為最大絕對值殘差，median(E)為中位絕對值殘差；否則，基準方程選取不正確，采用下一個距離觀測值對應的移動站與基站之間的基本定位方程作為基準方程，返回步S2，直到滿足公式(12)為止。按上述方案，所述的預設值為4。本專利技術的有益效果為：針對非視距誤差對以TOA為定位模式的定位系統(tǒng)影響很大的問題，在所有觀測值當中，大部分信號是視距(line-of-sight,LOS)信號，少部分是NLOS信號，即定位環(huán)境是混合LOS/NLOS場景，且具有一定的稀疏特性的前提條件下，本專利技術提出交替方向法，降低非視距誤差對定位精度的影響，具有運算時間非?？臁⒆銐驖M足工業(yè)界對算法速度的需求、同時精度得到很大提升、性能相對穩(wěn)定且不發(fā)散的優(yōu)點。附圖說明圖1為本專利技術一實施例的定位誤差曲線圖。具體實施方式下面結合具體實例和附圖對本專利技術做進一步說明。本專利技術提供一種非視距環(huán)境下基于TOA模式的高精度快速定位方法，它包括以下步驟：S1、確定各固定基站的坐標，以及移動站接收到移動站與各個固定基站之間的距離觀測值；根據(jù)距離觀測值得到移動站與各基站之間的基本定位方程。本實施例采用二維平面定位場景，各固定基站的坐標為二維笛卡爾坐標，也可根據(jù)本專利技術思路擴展到三維。若移動站接收到的觀測值為時間信號，可以通過與傳播速度相乘，轉化為距離觀測值。移動站與第i個基站之間的基本定位方程為：其中，x、y分別為移動站二維笛卡爾坐標的橫坐標和縱坐標，xi、yi為第i個基站二維笛卡爾坐標的橫坐標和縱坐標；di為移動站與第i個基站之間的距離觀測值；ηi和εi分別代表均值為0方差為的高斯白噪聲和NLOS誤差，兩者之間的大小關系為：i∈φL代表移動站到第i個基站為LOS信號傳輸；i∈φNL則代表移動站到第i個基站為NLOS信號。S2、對所述的距離觀測值按照從小到大進行排序，選取距離觀測值最小時對應的移動站與基站之間的基本定位方程，作為基準方程，其它移動站與基站之間的基本定位方程與基準方程相減，得到最小二乘的標準形式。設第j個基站與移動站之間的基本定位方程為基準方程；通過其它基站與移動站之間的基本定位方程與基準方程相減，得到：式中，xj、yj為第j個基站二維笛卡爾坐標的橫坐標和縱坐標；ηj代表均值為0方差為的高斯白噪聲；然后，將其轉化為最小二乘的標準形式AX-b＝E，則有X＝[x,y]T,E＝[E1…EN]T(4)其中，式中，A為設計矩陣，X為移動站未知二維坐標向量，b為最小二乘擬合距離向量，E為定位殘差向量，x1-xN為第本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
1.一種非視距環(huán)境下基于TOA模式的高精度快速定位方法，其特征在于：它包括以下步驟：/nS1、確定各固定基站的坐標，以及移動站接收到移動站與各個固定基站之間的距離觀測值；根據(jù)距離觀測值得到移動站與各基站之間的基本定位方程；/nS2、對所述的距離觀測值按照從小到大進行排序，選取距離觀測值最小時對應的移動站與基站之間的基本定位方程，作為基準方程，其它移動站與基站之間的基本定位方程與基準方程相減，得到最小二乘的標準形式；/nS3、構造L1范數(shù)表達形式，為了應用交替方向法，引入新的變量，從而將L1范數(shù)表達形式轉化為附加等式線性約束的L1范數(shù)表達形式；/nS4、對所述的附加等式線性約束的L1范數(shù)表達形式，給出交替方向法求解的迭代過程，得到移動站的定位解；/nS5、將S4得到的移動站的定位解帶入L1范數(shù)表達式中，求得絕對值殘差，如果最大絕對值殘差與絕對值殘差的中位數(shù)比值大于預設值，則輸出該移動站的定位解；/n否則，采用下一個距離觀測值對應的移動站與基站之間的基本定位方程作為基準方程，返回S2。/n

【技術特征摘要】
1.一種非視距環(huán)境下基于TOA模式的高精度快速定位方法，其特征在于：它包括以下步驟：
S1、確定各固定基站的坐標，以及移動站接收到移動站與各個固定基站之間的距離觀測值；根據(jù)距離觀測值得到移動站與各基站之間的基本定位方程；
S2、對所述的距離觀測值按照從小到大進行排序，選取距離觀測值最小時對應的移動站與基站之間的基本定位方程，作為基準方程，其它移動站與基站之間的基本定位方程與基準方程相減，得到最小二乘的標準形式；
S3、構造L1范數(shù)表達形式，為了應用交替方向法，引入新的變量，從而將L1范數(shù)表達形式轉化為附加等式線性約束的L1范數(shù)表達形式；
S4、對所述的附加等式線性約束的L1范數(shù)表達形式，給出交替方向法求解的迭代過程，得到移動站的定位解；
S5、將S4得到的移動站的定位解帶入L1范數(shù)表達式中，求得絕對值殘差，如果最大絕對值殘差與絕對值殘差的中位數(shù)比值大于預設值，則輸出該移動站的定位解；
否則，采用下一個距離觀測值對應的移動站與基站之間的基本定位方程作為基準方程，返回S2。


2.根據(jù)權利要求1所述的高精度快速定位方法，其特征在于：所述的S1采用二維平面定位場景，各固定基站的坐標為二維笛卡爾坐標；
移動站與第i個基站之間的基本定位方程為：



其中，x、y分別為移動站二維笛卡爾坐標的橫坐標和縱坐標，xi、yi為第i個基站二維笛卡爾坐標的橫坐標和縱坐標；di為移動站與第i個基站之間的距離觀測值；ηi和εi分別代表均值為0方差為的高斯白噪聲和NLOS誤差，兩者之間的大小關系為：i∈φL代表移動站到第i個基站為LOS信號傳輸；i∈φNL則代表移動站到第i個基站為NLOS信號。


3.根據(jù)權利要求2所述的高精度快速定位方法，其特征在于：設第j個基站與移動站之間的基本定位方程為基準方程；通過其它基站與移動站之間的基本定位方程與基準方程相減，得到：



式中，xj、yj為第j個基站二維笛卡爾坐標的橫坐標和縱坐標；ηj代表均值為0方差為的高斯白噪聲；
然后，將其轉化為最小二乘的標準形式AX-b＝E，則...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：何成文，袁運斌，
申請(專利權)人：中國科學院測量與地球物理研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：湖北;42