一種基于二維toa定位算法的伙伴節(jié)點(diǎn)分步部署方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于移動(dòng)通信【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于二維TOA定位系統(tǒng)的伙伴節(jié)點(diǎn)分步部署方法。該方法以幾何精度稀釋因子最小化為目標(biāo)，步驟為：利用既有基站和移動(dòng)臺(tái)的位置關(guān)系，計(jì)算正弦方位因子和余弦方位因子，得到二維TOA系統(tǒng)的正向方位角、反向方位角、部署因子、慣性依賴因子；依據(jù)余弦方位因子的屬性確定首增伙伴節(jié)點(diǎn)的布設(shè)方位；依據(jù)慣性依賴因子的屬性確定非首增伙伴節(jié)點(diǎn)的布設(shè)方位。本發(fā)明在提升定位系統(tǒng)精度的前提下，實(shí)現(xiàn)了伙伴節(jié)點(diǎn)的快速布設(shè)，相比于窮舉算法，減小了計(jì)算量。
【專利說明】-種基于二維TOA定位算法的伙伴節(jié)點(diǎn)分步部署方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于移動(dòng)無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種伙伴節(jié)點(diǎn)部署方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 第三代、第四代蜂窩通信技術(shù)在數(shù)據(jù)速率、頻譜使用、網(wǎng)絡(luò)覆蓋等方面的改進(jìn)與發(fā) 展，使人們可以享受越來越豐富的極具吸引力的數(shù)據(jù)服務(wù)。蜂窩定位服務(wù)便是其中之一?，F(xiàn) 有蜂窩定位服務(wù)大多以時(shí)間到達(dá)測量T0A(Time Of Arrival)定位算法為基礎(chǔ)，其原理可以 描述為：系統(tǒng)通過測量移動(dòng)臺(tái)與多個(gè)基站之間電波信號的傳輸時(shí)間，并將其與光速相乘，獲 取移動(dòng)臺(tái)與多個(gè)基站的之間的偽距信息，然后求解利用偽距信息建立的方程組，計(jì)算出移 動(dòng)臺(tái)的坐標(biāo)位置。
[0003] 業(yè)界通常采用幾何精度稀釋因子反映移動(dòng)臺(tái)的定位精度，進(jìn)而評價(jià)蜂窩定位服務(wù) 的優(yōu)劣。幾何精度稀釋因子⑶〇P(Geometric Dilution OfPrecision)描述的是移動(dòng)臺(tái)與 基站之間的幾何分布關(guān)系，GD0P的值越小，移動(dòng)臺(tái)和基站的幾何分布越合理，定位精度越 高，位置信息服務(wù)更理想。相關(guān)研究已證明，增加參與定位運(yùn)算的基站數(shù)量可以有效地降低 GD0P，但同時(shí)會(huì)引起兩個(gè)問題：
[0004] 問題1 :在基站覆蓋密度較低區(qū)域，布設(shè)新增基站能夠有效降低GD0P的數(shù)值，但同 時(shí)會(huì)增加系統(tǒng)成本。尤其對于地理?xiàng)l件惡劣的環(huán)境，基站的布設(shè)難度較大。
[0005] 問題2 :當(dāng)過多的基站參與定位運(yùn)算時(shí)，會(huì)引起較大的計(jì)算量，使得位置信息服務(wù) 的實(shí)時(shí)性能受到影響。
[0006] 因此，目前業(yè)界研究的熱點(diǎn)主要集中在對于基站覆蓋較高的區(qū)域，如何從眾多既 有基站中選取一定數(shù)目的基站，使得GD0P達(dá)到可接受的水平。由于基站的布設(shè)過程較為復(fù) 雜，且一旦布設(shè)便難于更改位置，使得所選基站與移動(dòng)臺(tái)之間的幾何分布關(guān)系并非理論最 優(yōu)解，因此相關(guān)研究得到的結(jié)論具有一定的局限性。
[0007] 近年來，近距離無線通信技術(shù)在教育、醫(yī)療、監(jiān)控、物流等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，越來 越密集的近距離無線通信節(jié)點(diǎn)（如超寬帶節(jié)點(diǎn)、802. 11節(jié)點(diǎn)、射頻識別節(jié)點(diǎn)、藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)等） 已經(jīng)布設(shè)于室內(nèi)環(huán)境中。得益于數(shù)字集成電路的小型化設(shè)計(jì)，手機(jī)制造廠商也逐步將將室 內(nèi)近距離無線通信模塊（如超寬帶模塊、802. 11模塊、射頻識別模塊、藍(lán)牙模塊等）封裝并 集成于移動(dòng)臺(tái)內(nèi)部。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)入到室內(nèi)環(huán)境中，移動(dòng)臺(tái)不僅可以通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)獲得位置 信息服務(wù)，還能夠通過內(nèi)部的近距離無線通信模塊獲得與無線通信節(jié)點(diǎn)之間的高精度測距 信息。因此，充分利用近距離無線通信節(jié)點(diǎn)的測距信息輔助蜂窩網(wǎng)絡(luò)提高位置信息服務(wù)的 性能已經(jīng)成為可能。業(yè)界將這種輔助定位方式稱為協(xié)作定位，將參與定位運(yùn)算的近距離無 線通信節(jié)點(diǎn)稱為伙伴節(jié)點(diǎn)。
[0008] 協(xié)作定位的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩方面：
[0009] (1)無需新增基站，降低了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度；
[0010] ⑵相比于基站，伙伴節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)和布設(shè)更為便捷，在移動(dòng)臺(tái)處于靜止或低速運(yùn)動(dòng) 的環(huán)境中，可以靈活設(shè)置伙伴節(jié)點(diǎn)的布設(shè)方式或位置，最大程度地提高移動(dòng)臺(tái)的定位精度。 toon] 因此，合理部署伙伴節(jié)點(diǎn)并充分利用其測距信息對于提高移動(dòng)臺(tái)定位精度具有極 其重要的意義，但相關(guān)研究尚處于起步階段。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明需解決的問題是提供一種適用于二維環(huán)境的Τ0Α協(xié)作定位的伙伴節(jié)點(diǎn)部 署方法。基于該方法，協(xié)作定位系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地獲取多個(gè)伙伴節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)布設(shè)方式 及布設(shè)位置，并有效降低移動(dòng)臺(tái)的GD0P值，最大程度提升移動(dòng)臺(tái)的定位精度。該方法適用 于所有協(xié)作定位中的伙伴節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)部署問題，適用于衛(wèi)星定位中的最優(yōu)定位星座選取問 題，適用于船舶定位中的最優(yōu)岸臺(tái)設(shè)置問題。
[0013] 1、一種基于二維Τ0Α定位系統(tǒng)的伙伴節(jié)點(diǎn)部署方法，包括下列步驟：
[0014] 步驟1 :對于二維Τ0Α蜂窩定位系統(tǒng)，設(shè)定移動(dòng)臺(tái)位置固定且要引入P個(gè) 伙伴節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作定位，采用分步部署方式，先引入第一個(gè)伙伴節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作定 位，并定義該伙伴節(jié)點(diǎn)為首增伙伴節(jié)點(diǎn)，定義其他伙伴節(jié)點(diǎn)為非首增伙伴節(jié)點(diǎn)。系 統(tǒng)收集移動(dòng)臺(tái)與K個(gè)基站之間的測距信息li，1 2, ...，1K，以移動(dòng)臺(tái)的坐標(biāo)（X， y)為觀測向量，構(gòu)建二維Τ0Α協(xié)作定位系統(tǒng)的觀測向量期望的雅克比矩陣表達(dá)式

【權(quán)利要求】
1. 一種基于二維TOA定位系統(tǒng)的伙伴節(jié)點(diǎn)部署方法，包括下列步驟： 步驟1:在二維TOA蜂窩定位系統(tǒng)中，移動(dòng)臺(tái)位置固定且要引入P個(gè)伙伴節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作 定位，采用分步部署方式，先引入第一個(gè)伙伴節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作定位，并定義該伙伴節(jié)點(diǎn)為首增 伙伴節(jié)點(diǎn)，定義其他伙伴節(jié)點(diǎn)為非首增伙伴節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)收集移動(dòng)臺(tái)與K個(gè)基站之間的測距 信息I1,12，...，Ik，以移動(dòng)臺(tái)的坐標(biāo)（x，y)為觀測向量，構(gòu)建二維TOA協(xié)作定位系統(tǒng)的觀測 向量期望的雅克比矩陣表達(dá)式
其 中Si表示第i個(gè)基站的方位角，Φi表示首增伙伴節(jié)點(diǎn)的布設(shè)方位角，COS忍=-(X ， …V-V2O-'i) ·丄 〇-?） 一 sing=---1,cosφλ =----，sm戎= -，其中，（Xpyi)表不第i個(gè)基 K>ι>ι 站的位置坐標(biāo)，（x，y)表示移動(dòng)臺(tái)的位置，表示新增伙伴節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，ie [1，K]； 步驟2:計(jì)算得到二維TOA協(xié)作定位系統(tǒng)的幾何精度稀釋因子Gtm，
考慮到移動(dòng)臺(tái)和基站的位置均已固定，因此由上式可知，此時(shí)二維TOA協(xié)作定位系統(tǒng) 的幾何精度稀釋因子僅與首增伙伴節(jié)點(diǎn)的布設(shè)方位角有關(guān)，而與首增伙伴節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)臺(tái)的 距離無關(guān)； K 步驟3 :為使Gtm取得最小值，選取Gtoa中與Φi有關(guān)的部分0(為）=Zsin2(為-6O，' ;=1 求解·^^ = 〇，將Q(Φi)的兩個(gè)駐點(diǎn)戎1Z分別定義為正向方位角和反 〇Φχ 、 向方位角，分別將歡1z、^代入QQ1)關(guān)于^的二階導(dǎo)數(shù)Q" (Φ〇，得到2?) =2^B1Lcosa丨，β"(#) = 2又私cosa2，其中方向矢量
α 1表示又與私之間的方向夾角，α2表示又與之間的方向夾角，且私與紀(jì)相互反 向； K K 步驟4:由于對每個(gè)駐點(diǎn)均有3^12為/奶2為=^^1126^/1〇〇323，定義 i=li=\ Hsin23為正弦方位因子，Ic〇s2q為余弦方位因子，顯然當(dāng)與萬^同向時(shí)，Cosa1 =/=1 /=1 I.Q"(ΦJ> 〇,此時(shí)Q(ΦJ取得極小值，Gtqa取得極大值；當(dāng)i與4反向時(shí)，cosai= -1， Q" (Φ〇 <0,此時(shí)Q($i)取得極大值，Gtm取得極小值； 步驟5:由式⑴可知Gtm是關(guān)于Ct1周期為π的連續(xù)函數(shù)，因此在單周期 [φ,\iVz+ττ]范圍內(nèi)，若余弦方位因子為負(fù)，則0(<ζ)<〇，2〃(#)20,從而有G7u4Ci^) 取得極小值、G7u4 取得極大值，此時(shí)選取正向方位角作為首增伙伴節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)方位 角；若余弦方位因子為正，則0〃?)>〇，2〃(#)<0，從而有GVa4^)取得極大值、 Grct4(為1)取得最小值，1時(shí)選取反向方位角作為首增伙伴節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)方位角； 步驟6:在系統(tǒng)引入首增伙伴節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作定位后，由于 K K sin2為/cos2為=Hsin2<9, /Hcos20，因此定位系統(tǒng)的正向方位角的數(shù)值和反向方位 /=1 /=1 K 角的數(shù)值沒有變化，但系統(tǒng)的余弦方位因子已更新為COS2戎+Ecos20，由于方向矢量 /=1 系=丨0082為，3丨112(^與初始i反向，因此，若余弦方位因子為一個(gè)較大正數(shù)或較大負(fù)數(shù)， 隨著新增伙伴節(jié)點(diǎn)的繼續(xù)布設(shè)，系統(tǒng)的余弦方位因子的絕對值將逐步減小，并存在一個(gè)臨 界新增伙伴節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，使得當(dāng)新增伙伴節(jié)點(diǎn)的數(shù)目超過該臨界數(shù)目后，隨著伙伴節(jié)點(diǎn)的 布設(shè)，更新后的余弦方位因子與更新前的余弦方位因子乘積為一負(fù)數(shù)； 先3娶7 ·雜7先3悪fi由的丨吃思新M伙伴節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為部署因子N，經(jīng)計(jì)算推導(dǎo)得到
定義慣性依賴因子W=N-P; 步驟8:采用分步部署方式布設(shè)剩余的P-I個(gè)非首增伙伴節(jié)點(diǎn)，且由步驟2可知，二維TOA協(xié)作定位系統(tǒng)的幾何精度稀釋因子僅與非首增伙伴節(jié)點(diǎn)的方位角有關(guān)，而與非首增伙 伴節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)臺(tái)的距離無關(guān)，因此，若慣性依賴因子為正，采用慣性布設(shè)方式，即P-I個(gè)非 首增伙伴節(jié)點(diǎn)布設(shè)的方位角與首增伙伴節(jié)點(diǎn)保持一致，若慣性依賴因子為負(fù)，采用非慣性 布設(shè)方式，即前N個(gè)非首增伙伴節(jié)點(diǎn)的布設(shè)方位角與首增節(jié)點(diǎn)保持一致，而剩余非首增伙 伴節(jié)點(diǎn)交替布設(shè)于正、反向方位角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于二維TOA定位系統(tǒng)的伙伴節(jié)點(diǎn)部署方法，其特征在 于，步驟3中，正向方位角'和反向方位角#的表達(dá)式分別是：

【文檔編號】H04W64/00GK104270772SQ201410543179
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月15日
【發(fā)明者】史偉光, 馮鑫, 于洋, 李建雄, 李德沖 申請人:天津工業(yè)大學(xué)