低功耗小型設(shè)備抗噪定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種低功耗小型設(shè)備抗噪定位方法，包括如下步驟：測量獲取待定位節(jié)點到錨節(jié)點的距離差值,使用Bancroft方法確定待定位節(jié)點初始位置，如Bancroft方法無法解算或解算結(jié)果不處于Bancroft方法的適用區(qū)域，則使用Chan方法確定待定位節(jié)點位置，并以該計算結(jié)果作為最終定位結(jié)果。本發(fā)明的定位方法克服了現(xiàn)有方法存在的病態(tài)區(qū)域問題，創(chuàng)新性地將兩種方法的優(yōu)勢進行了互補結(jié)合，方法計算簡單，抗噪聲能力強，定位精度高，特別適用于對低功耗小型設(shè)備的定位。
【專利說明】低功耗小型設(shè)備抗噪定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于物體定位【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種基于距離差的低功耗小型設(shè)備抗噪定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002]位置信息作為現(xiàn)代社會的關(guān)鍵基礎(chǔ)信息，在國民經(jīng)濟、國防科技和日常生活中發(fā)揮著日益重要的作用。以GPS為代表的星基定位系統(tǒng)已經(jīng)使得眾多的應(yīng)用得到方便快捷的位置服務(wù)，但是在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動互聯(lián)網(wǎng)、戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)中，星基定位系統(tǒng)有時難以提供有效的位置服務(wù)。例如:在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為眾多的微型低功耗節(jié)點都增加GPS接收機無論在經(jīng)濟上還是技術(shù)上都不可行；在移動互聯(lián)網(wǎng)中，用戶通常是在城市或者室內(nèi)環(huán)境中，由于GPS信號微弱，經(jīng)常會因建筑物遮擋而難以發(fā)揮作用；在戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)中，星基導(dǎo)航系統(tǒng)很可能因被敵方干擾而無法使用。這時就需要依靠這些系統(tǒng)的自定位技術(shù)來提供位置信息。同時，在這些系統(tǒng)中測距噪聲通常較大，對提供精確位置服務(wù)提出了新的挑戰(zhàn)。
[0003]定位技術(shù)通常分為兩大類:基于測距的定位和非測距的定位。非測距的定位依靠節(jié)點間的連接信息來推測節(jié)點位置信息，定位精度不高?；跍y距的定位一般基于某種距離信息的測量來確定位置，通常定位精度較高，因此更適于提供高精度的位置服務(wù)。
[0004]對于基于測距的定位系統(tǒng)，定位過程可以分為測距和位置解算兩個階段。
[0005]測距階段即根據(jù)無線電信號的某種特征(如振幅、相位、到達時間等)來獲得距離、距離差或方位角等信息，測距方式包括到達時間測距(Τ0Α)、到達時間差測距(TD0A)、方位角測距(Α0Α)、接收信號強度測距(RSSI)、以及無線電干涉測距(RIR)等。位置解算階段即根據(jù)測距信息運行某種定位算法來確定待定位目標(biāo)最終位置的過程。位置解算階段定位算法的選擇對最終的定位精度起著至關(guān)重要的作用。
[0006]定位算法可以分為迭代式算法和閉合解算法兩類，其中迭代式算法計算復(fù)雜度高，且存在迭代結(jié)果的局部收斂問題，不適用于低功耗、計算能力弱或?qū)崟r性要求高的應(yīng)用場景；而閉合解算法具有顯式解，計算復(fù)雜度低，且沒有局部收斂的問題。在基于距離差的閉合解定位算法中，最常用且性能相對較好的兩種是Chan方法[參見文獻ChanY.T., Ho K.C.，"A simple and efficient estimator for hyperbolic location".1EEE Transactions on Signal Processing, vol.42，n0.8，pp.1905—1915，Augustl994]和 Bancroft 方法[參見文獻 Bancroft S.，"An Algebraic Solution of theGPS Equations' IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,vol.AES-21，n0.1，pp.56-59，Januaryl985 以及 Mellen G.1I，Pachter Μ.,RaquetJ.，〃Closed-form solution for determining emitter location using time differenceof arrival measurements".1EEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol.39，n0.3，pp.1056-1058，July2003]。Chan方法首先將線性化過程中引入的多余變量和待估變量看作獨立變量進行第一步加權(quán)最小二乘求解，然后再利用多余變量和待估變量之間的關(guān)系進行第二步加權(quán)最小二乘來進一步提高定位結(jié)果的精度。Bancroft方法最初是為解GPS方程提出來的，但其思想同樣可以用于基于距離差的定位解算，該方法首先使用最小二乘將待估變量用含有多余變量的式子表示出來，然后利用它們之間的關(guān)系組成關(guān)于多余變量的二次方程，解二次方程得到多余變量的估計值，進而得到待估變量的估計值。
[0007]但上述閉合解定位算法抗噪能力弱，且研究發(fā)現(xiàn)此類方法會存在性能很差的病態(tài)區(qū)域。如圖2、圖3所示，在病態(tài)區(qū)域，現(xiàn)有閉合解定位算法往往不能達到性能下界——克拉美-羅界(CRLB, Cramer-Rao Lower Bound),或者能夠達到CRLB的噪聲門限非常低,抗噪能力極弱，嚴(yán)重影響了定位結(jié)果的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種低功耗小型設(shè)備抗噪定位方法，計算量小，抗噪聲能力強，對低功耗小型設(shè)備的定位精度高。
[0009]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種低功耗小型設(shè)備抗噪定位方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0010]10)距離差獲取:獲取待定位節(jié)點到參考錨節(jié)點及待定位節(jié)點到其它不少于2個錨節(jié)點的距離差；
[0011]20)初始位置解算:根據(jù)待定位節(jié)點到參考錨節(jié)點及待定位節(jié)點到其它錨節(jié)點的距離差，使用Bancroft方法確定待定位節(jié)點初始位置；
[0012]30)判斷初始位置解算是否成功:根據(jù)Bancroft方法的二次方程解的情況判斷初始位置解算是否成功，如否，則轉(zhuǎn)至(50)步驟；
[0013]40)判斷待定位節(jié)點是否位于Bancroft方法適用區(qū)域:判斷所述待定位節(jié)點初始位置是否處于Bancroft方法的適用區(qū)域，如是，則轉(zhuǎn)至(60)步驟；
[0014]50)使用Chan方法確定待定位節(jié)點位置；
[0015]60)輸出待定位節(jié)點位置。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點:由于本技術(shù)方案充分利用Chan方法和Bancroft方法具有顯式解、計算復(fù)雜度低、且沒有局部收斂的問題的優(yōu)點，且兩者的病態(tài)區(qū)域與非病態(tài)區(qū)域存在一定的互補性的特點，克服了現(xiàn)有閉合解定位方法存在的病態(tài)區(qū)域問題，創(chuàng)新性地利用了兩種方法的性能優(yōu)勢，有效提高了閉合解定位方法的抗噪聲能力與定位精度，計算量小，抗噪聲能力強，對低功耗小型設(shè)備的定位精度高。
[0017]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明低功耗小型設(shè)備抗噪定位方法流程圖。
[0019]圖2為待定位節(jié)點為P1=L-SO, 500]τ時的MSE-SNR對比圖。
[0020]圖3為待定位節(jié)點為ρ2=[1500，-200]τ時的MSE-SNR對比圖。
[0021]圖4為定位結(jié)果的MSE均值對比圖。
[0022]圖中:CRLB 為克拉美-羅界(CRLB, Cramer-Rao Lower Bound), Chan 為米用 Chan方法所得結(jié)果，Bancroft為采用Bancroft方法所得結(jié)果，新方法為采用本發(fā)明低功耗小型設(shè)備抗噪定位方法所得結(jié)果，橫坐標(biāo)表示測距噪聲的大小(dB)，縱軸表示定位結(jié)果均方差(MSE, Mean Squared Errors)。
【具體實施方式】
[0023]如圖1所示，本發(fā)明低功耗小型設(shè)備抗噪定位方法，包括如下步驟:
[0024]10)距離差獲?。猾@取待定位節(jié)點到參考錨節(jié)點及待定位節(jié)點到其它不少于2個錨節(jié)點的距離差；
[0025]該步驟為現(xiàn)有技術(shù)。
[0026]距離差值可以通過TDOA的方式獲得，首先各個錨節(jié)點之間進行時鐘同步，同步通過FTSP時鐘同步協(xié)議完成；然后待定位節(jié)點發(fā)射源信號，各個錨節(jié)點記錄接收到源信號的時間t2,…，tM(其中M為錨節(jié)點的個數(shù))；最后根據(jù)各個錨節(jié)點的信號接收時間計算待定位節(jié)點到各個錨節(jié)點和I號錨節(jié)點(參考錨節(jié)點)的距離差，即rn=cX ，其中c為源信號的傳播速度。在蜂窩網(wǎng)中，通過觀測到達時間差(0TD0A, Observed Time Differenceof Arrival)來得到距離差測量值，各個基站保持時鐘同步，待定位移動臺測量不同基站的下行導(dǎo)頻信號，得到不同基站下行導(dǎo)頻的傳播時間差，進而得到移動臺到不同基站的距離差。
[0027]距離差值也可以通過無線電干涉測距(RIR, Radio Interferometric Ranging)獲得，其中最基本的測距單元為兩個發(fā)射節(jié)點和兩個接收節(jié)點組成的四元組。首先進行時鐘同步，然后兩個發(fā)射節(jié)點發(fā)射頻率接近的正弦波信號，兩個接收節(jié)點測量所接收到的拍頻信號的振幅、相位等信息，通過在多個頻率上所得到的兩個接收節(jié)點所測量到的拍頻信號的相位差就可以得到四個節(jié)點間的距離約束關(guān)系，這個距離約束關(guān)系又可以進一步轉(zhuǎn)化為距離差值。
[0028]20)初始位置解算:根據(jù)待定位節(jié)點到參考錨節(jié)點及待定位節(jié)點到其它錨節(jié)點的距離差，使用Bancroft方法確定待定位節(jié)點初始位置；
[0029]所述使用Bancroft方法確定待定位節(jié)點初始位置(20)步驟具體為:
[0030]21)解二次方程
[0031](gTg_l) r12-2gThr1+hTh=0
[0032]得到rι的估計值；
[0033]式中:
【權(quán)利要求】
1.一種低功耗小型設(shè)備抗噪定位方法，其特征在于，包括如下步驟: 10)距離差獲取:獲取待定位節(jié)點到參考錨節(jié)點及待定位節(jié)點到其它不少于2個錨節(jié)點的距離差； 20)初始位置解算:根據(jù)待定位節(jié)點到參考錨節(jié)點及待定位節(jié)點到其它錨節(jié)點的距離差，使用Bancroft方法確定待定位節(jié)點初始位置； 30)判斷初始位置解算是否成功:根據(jù)Bancroft方法的二次方程解的情況判斷初始位置解算是否成功，如否，則轉(zhuǎn)至(50 )步驟； 40)判斷待定位節(jié)點是否位于Bancroft方法適用區(qū)域:判斷所述待定位節(jié)點初始位置是否處于Bancroft方法的適用區(qū)域，如是，則轉(zhuǎn)至(60)步驟； 50)使用Chan方法確定待定位節(jié)點位置； 60)輸出待定位節(jié)點位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗小型設(shè)備抗噪定位方法，其特征在于，所述初始位置解算(20)步驟包括: 21)解二次方程 (gTg-l) r12-2gThr1+hTh=0 得到A的估計值； 式中:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低功耗小型設(shè)備抗噪定位方法，其特征在于:所述判斷初始位置解算是否成功(30)步驟具體為: 如果二次方程解^=-1，則初始位置解算不成功，否則成功。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低功耗小型設(shè)備抗噪定位方法，其特征在于，所述判斷待定位節(jié)點初始位置是否位于Bancroft方法適用區(qū)域(40)步驟包括: 41)取錨節(jié)點的質(zhì)心C，即
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低功耗小型設(shè)備抗噪定位方法，其特征在于，所述對于所有遵照多邊形組成方向的相鄰錨節(jié)點Ai和Aj，進行是否處于Bancroft方法的適用區(qū)域判斷(42)步驟包括: 421)取錨節(jié)點KiAi的中點M，從C到點M做延長線，取延長線上距離為I長度的點P，其中O≤I≤50*ΑΑ ； 422)判斷將待定位節(jié)點P和質(zhì)心C代入AiAj直線方程是否正負(fù)相同； 423)如果不同，則待定位節(jié)點不處于Bancroft方法的適用區(qū)域； 424)如果相同，判斷將待定位節(jié)點和質(zhì)心C點代入PApPAj直線方程是否正負(fù)都相同； 425)如果不同，則待定位節(jié)點不處于Bancroft方法的適用區(qū)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低功耗小型設(shè)備抗噪定位方法，其特征在于:所述判斷待定位節(jié)點初始位置是否位于Bancroft方法適用區(qū)域(40)步驟包括: 61)判斷待定位節(jié)點P是否在任意三個錨節(jié)點所組成的三角形內(nèi)部，如果在其中至少一個三角形內(nèi)部，則待定位節(jié)點P在Bancroft方法適用區(qū)域,判斷結(jié)束；否則，繼續(xù)進行如下步驟；

62)取錨節(jié)點的質(zhì)心C，即
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低功耗小型設(shè)備抗噪定位方法，其特征在于，所述判斷待定位節(jié)點初始位置是否位于Bancroft方法適用區(qū)域(40)步驟包括: (71)判斷待定位節(jié)點P是否位于由所有錨節(jié)點所組成的多邊形的內(nèi)部，如果是，則待定位節(jié)點P在Bancroft方法適用區(qū)域,判斷結(jié)束,否則，-繼續(xù)進行如下步驟；

72)取錨節(jié)點的質(zhì)心C
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗小型設(shè)備抗噪定位方法，其特征在于，所述使用Chan方法確定待定位節(jié)點位置(50)步驟包括: 51)待定位節(jié)點位置初步估計值為

【文檔編號】H04W64/00GK103634903SQ201310595440
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】徐兵, 齊望東, 朱亞松, 威力, 陳劍 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)