一種非視距環(huán)境下的利用aoa的協(xié)作定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非視距環(huán)境下的利用AOA的協(xié)作定位方法。采用TOA/AOA定位出與參考節(jié)點有直射路徑的待測節(jié)點；然后這些待測節(jié)點使用新型AOA算法來定位其它非視距路徑的待測節(jié)點，當(dāng)參考節(jié)點與待測節(jié)點存在非視距誤差，使用協(xié)作定位，從而解決了非視距問題，本方案可應(yīng)用在室內(nèi)環(huán)境和微蜂窩小區(qū)環(huán)境下，有較強(qiáng)的實用性。
【專利說明】
一種非視距環(huán)境下的利用AOA的協(xié)作定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明屬于無線定位技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種非視距環(huán)境下的利用A0A的協(xié)作定 位方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 在現(xiàn)今室內(nèi)定位和微蜂窩小區(qū)定位技術(shù)中，由于建筑物等的遮擋，無線信號多是 非視距路徑。而傳統(tǒng)的T0A和TD0A等是基于視距路徑的，非視距路徑會對定位的性能產(chǎn)生較 大的影響，并且最少需要3個參考設(shè)備才能完成定位。目前常見的解決辦法就是誤差抑制算 法和指紋定位法，可這些需要較多的先驗信息。在非視距環(huán)境和參考節(jié)點個數(shù)不足的情況 下，無法給出較好的解決方案。
[0003] 公開于該【背景技術(shù)】部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不應(yīng) 當(dāng)被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種非視距環(huán)境下的利用A0A的協(xié)作定位方法，從而克服 上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了
[0006] -種非視距環(huán)境下的利用A0A的協(xié)作定位方法，其步驟為：
[0007] (一)設(shè)參考站位置為RD，接收機(jī)的位置為MDi，MD2，MD3，發(fā)射方位角為0Ri，接收方 位角為4> lR，參考站得到的傳播時延為tRl，接收機(jī)測量的傳播路徑為tlR，則路徑傳播距離d = ct，c為信號傳播速度；
[0008] (二)利用Wylie算法分辨直射路徑與非直射路徑；
[0009] (三)求解 MD1:
[0010] 1、設(shè)d = ctRi，r = ctiR計算參考站與接收機(jī)MDi的路徑傳播距離和MDi測得的到參考 站的距離；
[0011] 2、比較參考站接收距離和MDi接收的距離：
[0012] limin=min(di,ri), limax=max(di,r) (1)
[0013]對角度進(jìn)行比較： ^lmin - 多LR. 土冗.).
[0014] , (2) = max(6^,九？ ±;r)
[0015] 通過獲得的距離、角度和參考站的位置得到： + (Anm - 3crL ) C0S(^m概-3、一 ) 7肪 + (/】脆-3氣)sinK一 -) +(Amax -3cr/imJcos(^lmin +3^imm ) 「 ^ ,)；肋+( /1皿-35_)-(0^廳+3、1_)
[0016] X{- + ftmiB + 3<T/lmin ) C0S(^lmin + 3(TaRlBlia ) + 3cr/lrain ) sin(^lmiB + ) .^?D + (,imin +U cos(a- - 3t7??_:) _ .y脅 +(Lin + 3氣1>坷％麗-3%細(xì))_ 'i o i o l o i () T
[0017] C= (3) _0 1 0 10 10 1
[0018] 3、使用Z=(CTC)-Vh可以得到MDi的位置坐標(biāo)；
[0019] (四）求解 MD2:
[0020] 1、設(shè)d = CtR2，r = Ct2R計算參考站與接收機(jī)MD2的路徑傳播距離和MD2測得的到參考 站的距離；
[0021] 2、比較參考站接收距離和MD2接收的距離：
[0022] I2min=min(d2，r2)，I2max=max(d2，r2) (4)
[0023]對角度進(jìn)行比較： %2丨測戎"土萬) r、
[0024] (5) %2藤=maX(沒2/?,色;？ 士疋)
[0025]通過獲得的距離、角度和參考站的位置得到： ?^Z) +('2_ )COS(flfff2max - 3￡^2腿) 7冊 + (4職-3%- ) sin(%2max -知~臟) + (/2max - 3〇^隱)〇)8(%2_ + 腿） 「 ] 1 7奶 + 仏籠 _ ) sin(~min + 3~;腿）
[0026] X2 - i?￡) 2min ,2mm.) ^ R2inin + 3cJ??Mn) 少肋 + (Lib + 3%ffl>in(a,2min + + (A.min + 3CTAmo ) C〇S(^2m.,x - 3CT%2_ ) _ ym +(/2min +3^2_)8111(^21_ -3aai；2_ )_ 「1 0 1 0 1 0 1 of
[0027] c= (6; 0 1 0 1 0 1 0 1
[0028] 3、使用Z=(CTC)-VA2可以得到MD2的位置坐標(biāo)；
[0029](五)使用已定位的MD^MD2計算MD^MDi的位置坐標(biāo)為(X1，yi)，MD 2的位置坐標(biāo)為 (X2J2)，則： =min⑷.w，也n 土疋) =rnax(^w,^wl ±m(xù))
[0030] (7) A- =mind,，么/2±疋） ，腦=maXd,，4/2 士兀）
[0031] 其中，0iM為MDi到達(dá)MD3的發(fā)射方位角，(i>Mi為MD3的接收方位角，i = l，2;
[0032]根據(jù)(7)可得MD3的位置區(qū)域為： 4 = tan(?!眶-塵:)=kl(x-xl) 是2 = tank mitl + 3〇^匪)少一乃=歎2 (X - jq )
[0033] f o ' (8) 灸3 - tan((22n狐-3〇^議)j；-馬=灸3 (x -. x2) kA = tcin(a2min + 3<ra：m ^) j - y2 = k4 (x - x2)
[0034](六）、根據(jù)（8 )得到四個點 A ( u, W)、B U e- ,V5)、C U c、Vr)、 D (in- IJd);
[0035](七）、根據(jù)A、B、C、D四個點得到MD3的坐標(biāo)：
[0036] Z=(CtC)_1CtA (9)
[0037]
[0038] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0039]采用T0A/A0A定位出與參考節(jié)點有直射路徑的待測節(jié)點；然后這些待測節(jié)點使用 新型A0A算法來定位其它非視距路徑的待測節(jié)點，當(dāng)參考節(jié)點與待測節(jié)點存在非視距誤差， 使用協(xié)作定位，從而解決了非視距問題，本方案可應(yīng)用在室內(nèi)環(huán)境和微蜂窩小區(qū)環(huán)境下，有 較強(qiáng)的實用性。
【附圖說明】：
[0040]圖1為本發(fā)明室內(nèi)環(huán)境非視距協(xié)作定位信號傳播路徑示意圖；
[0041 ]圖2為本發(fā)明新型A0A信號傳播路徑示意圖；
[0042]圖3為本發(fā)明定位誤差概率比較圖；
[0043]圖4為本發(fā)明不同距離測量噪聲水平下定位誤差仿真結(jié)果；
[0044] 圖5為本發(fā)明不同角度測量噪聲水平下定位誤差仿真結(jié)果。
【具體實施方式】：
[0045] 下面對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行詳細(xì)描述，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的保護(hù)范圍并不 受【具體實施方式】的限制。
[0046] 除非另有其它明確表示，否則在整個說明書和權(quán)利要求書中，術(shù)語"包括"或其變 換如"包含"或"包括有"等等將被理解為包括所陳述的元件或組成部分，而并未排除其它元 件或其它組成部分。
[0047] 一種非視距環(huán)境下的利用A0A的協(xié)作定位方法，其步驟為：
[0048](一）如圖1所示，設(shè)參考站位置為RD(10，2)，接收機(jī)的位置為MDi(8，16)，MD2 (18， 4)，MD3(12，14)，發(fā)射方位角為0Ri，接收方位角為巾iR，參考站得到的傳播時延為t Ri，接收機(jī) 測量的傳播路徑為tiR，則路徑傳播距離d = ct，C為信號傳播速度；
[0049] (二)利用Wyl ie算法分辨直射路徑與非直射路徑；
[0050] (三）求解 MD1:
[0051 ] 1、設(shè)d = ctR1，r = ct1R計算參考站與接收機(jī)MDi的路徑傳播距離和MDJ得的到參考 站的距離；
[0052] 2、比較參考站接收距離和MDi接收的距離：
[0053] limin=min(di,ri), limax=max(di,r) (1)
[0054]對角度進(jìn)行比較：
[0055] (2)
[0056]通過獲得的距離、角度和參考站的位置得到： ^ )c〇s(?,lmax - ) y：m +(/imaX )sin(^lmax -3cr as)_ ) ^RD Climax -O-lmin + 3%_ ) -V肪 + (,lmax - 3U sin(%施 + 3CT% 顯)
[0057] = + 3cr?imm)cos(^lmin+3cr^imJ + (/imin + 3a/wn) sin(^lmin + 3<rai；imm) 4 + (,lmin + 3%min) cos(%lmax - 3cras一) _ - + + 3氣顧）sin(or肋職-3~ '1 0 10 10 1 of
[0058] (3) 0 1 Q 1 0 1 0 1
[0059] 3、使用Z=(CTC)-Vh可以得到MDi的位置坐標(biāo)；
[0060](四）求解 MD2:
[0061 ] 1、設(shè)d = CtR2，r = Ct2R計算參考站與接收機(jī)MD2的路徑傳播距離和MD2測得的到參考 站的距離；
[0062] 2、比較參考站接收距離和MD2接收的距離：
[0063] I2min=min(d2，r2)，I2max=max(d2，r2) (4)
[0064]對角度進(jìn)行比較： 丨誦=min〇92/?，在』土；r)
[0065] (5)
[0066]通過獲得的距離、角度和參考站的位置得到： 而?+(,：h磁一 3cr/w)cos(a ^2 max )] yRD + (4max -3〇-/2mJsin(^2max -3〇-tts2_) i冊+(4腦-3%隱)咖(~,-+3\:畫) 「 ^ . yRD + (/2t?aX - ) sin(^2min + 3^2mM )
[0067] %2 = i肋+(4-+3^min)c〇s(% 2 min + 3o^_) ym + (^miB + 3cr/2min )sin(^2min + 3tr?fl2min ) xi? + (,2min +3<^/2mjn )0〇8(%21職-3cras2職） _ yRD + (hmm + 3<T/2min ) Sin(^?2max _ 3<Tafl2ma, )_ - -i 7' 1 0 1 Q 1 0 10
[0068] C- (6) 0 10 10 10 1
[0069] 3、使用Z = (CTC)-VA2可以得到MD2的位置坐標(biāo)；
[0070](五）如圖2所示，使用已定位的MD^MD2計算MD^MDi的位置坐標(biāo)為（X1， yi)，MD2的 位置坐標(biāo)為(X2，y2)，則： =min(3.w，U〇 ?imaK =max(^w,^, ±^) C〇〇71] ?2"in =rr)in{02V!Jx,f2±^) A,nav=maxd/4w2 土疋）
[0072] 其中，0iM為MDi到達(dá)MD3的發(fā)射方位角，(i>Mi為MD3的接收方位角，i = l，2;
[0073] 根據(jù)(7)可得MD3的位置區(qū)域為： A = tan(A - 3cr(/hax) j-V, = kl(x-xl) 左2 = tanhImtl + -)y-y^k^-x^
[0074] , (8) 3 = 1 ari(a2觀x - 3cr% 匪).y - y2 - k, {x - x2) A4 = tan( a2 min + 3~碰)J-J2 =k.A(x-x2)
[0075] (六）、根據(jù)（8 )得到四個點 A (怎丄 )、B (2J凡1/5)、c (ir. yr)、 D (i/j. i/i))；
[0076](七）、根據(jù)A、B、C、D四個點得到MD3的坐標(biāo)：
[0077] Z=(CtC)_1CtA (9)
[0078]
[0079] 利用圖2中所示的幾條傳播路徑，對以下幾種情況做了分析:采用全部4條反射路 徑;隨機(jī)選取其中2條、3條路徑;利用一次反射路徑和直射路徑的改進(jìn)LPMD算法;假設(shè)無建 筑物阻擋情況下的虛擬直射路徑，采用到達(dá)時間（Time of Arrival，T0A)值的最小二乘法 (Least Square，LS)定位。使用均方根誤差（RMSE)來進(jìn)行性能比較，其中
[0080] 如圖3所示，對于固定的距離誤差標(biāo)準(zhǔn)差〇 d = 1 m和角度誤差標(biāo)準(zhǔn)差 % % = 2°，對定位誤差概率分布情況進(jìn)行了仿真模擬，仿真結(jié)果表明，本算法在90 %的 情況下都是小于〇 . 7m的，而比較的兩個算法分別是1.3m和1.9m。其中miao算法的性能最差 主要是其中的距離誤差影響，而1RD APMD比較差是因為使用1個參考站，其中的數(shù)據(jù)信息不 夠全面，而新提出的A0A算法是可以忽略距離誤差，而且可以抵消兩個已定位移動臺的位置 偏差的，所以性能最好。
[0081] 如圖4所示，對于固定的角度誤差標(biāo)準(zhǔn)差％ = 2°，針對不同距離誤差標(biāo)準(zhǔn)差 的定位誤差進(jìn)行了模擬仿真，每次仿真重復(fù)計算1000次并取平均，由于提出的A0A算法是與 距離無關(guān)的，所以隨著距離誤差標(biāo)準(zhǔn)差的增大精度變化不大。而進(jìn)行對比的兩個算法是與 距離有關(guān)系的，隨著標(biāo)準(zhǔn)差的增加而變大，并且Miao算法因為是使用了3個距離，所以隨距 離誤差標(biāo)準(zhǔn)差的變化最大。在距離誤差較大的情況下，使用新提出的A0A算法比較準(zhǔn)確。 [0082] 如圖5所示，對于固定的距離測量值誤差標(biāo)準(zhǔn)差〇d=lm，〇e = 2°針對不同的角度測 量值^^噪聲水平下的定位誤差進(jìn)行了模擬仿真，每次仿真重復(fù)計算1000次并取平均，由于 提出的A0A算法是只基于角度信息的，而其他進(jìn)行比較的算法是基于距離和角度信息的。所 以，隨著收到的角度信息的增加，提出的A0A算法的變化比較明顯，而進(jìn)行對比的定位算法 的變化較小。在角度的測量誤差比較小的情況下，提出的A0A算法性能較好因此，對于提出 的A0A定位算法，控制角度誤差或者選取角度誤差較小的傳播路徑是保證定位結(jié)果精確性 的重要因素。
[0083]前述對本發(fā)明的具體示例性實施方案的描述是為了說明和例證的目的。這些描述 并非想將本發(fā)明限定為所公開的精確形式，并且很顯然，根據(jù)上述教導(dǎo)，可以進(jìn)行很多改變 和變化。對示例性實施例進(jìn)行選擇和描述的目的在于解釋本發(fā)明的特定原理及其實際應(yīng) 用，從而使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)并利用本發(fā)明的各種不同的示例性實施方案以及 各種不同的選擇和改變。本發(fā)明的范圍意在由權(quán)利要求書及其等同形式所限定。
【主權(quán)項】
1. 一種非視距環(huán)境下的利用AOA的協(xié)作定位方法，其特征在于:其步驟為： (一) 設(shè)參考站位置為RD，接收機(jī)的位置為MD!，MD2，MD3，發(fā)射方位角為0Ri，接收方位角為 ΦιΚ，參考站得到的傳播時延為tRl，接收機(jī)測量的傳播路徑為tlR，則路徑傳播距離d = ct，c 為信號傳播速度； (二) 利用Wyl ie算法分辨直射路徑與非直射路徑； (三) 求解MD1: 1、 設(shè)d = ctRi，r = ctiR計算參考站與接收機(jī)MDi的路徑傳播距離和MDi測得的到參考站的 距離； 2、 比較參考站接收距離和MDi接收的距離： 1 imin-rniii (di, π) ,1 imax-max (di, Γ) ( 1 ) 對角度進(jìn)行比較：通過獲得的距離、角度和參考站的位置得到：3、 使用可以得到MDi的位置坐標(biāo)； (四） 求解md2: 1、 設(shè)d = CtRi，r = ct2R計算參考站與接收機(jī)MD2的路徑傳播距離和MD2測得的到參考站的 距離； 2、 比較參考站接收距離和MD2接收的距離： l2min - fflill ( d2，Γ2 )，l2max - IliaX ( d2 , T2 ) ( 4 ) 對角度進(jìn)行比較：C5) 通過獲得的距離、角度和參考站的位置得到：3、使用Z=(CTC)-νλ2可以得到MD2的位置坐標(biāo)；(五) 使用已定位的MDjPMD2計算MD3，MDi的位置坐標(biāo)為（X1， yi)，MD2的位置坐標(biāo)為（X2， y2)，則： (7) 其中，9iM為MDi到達(dá)MD3的發(fā)射方位角，ΦMi為MD3的接收方位角，i = 1，2; 根據(jù)(7)可得MD3的位置區(qū)域為：(六） 、根據(jù)(8)得到四個點厶(叉4,74)、8(叉[3,7[3)、以叉(；，7(；)、0(叉。，7〇); (七） 、根據(jù)A、B、C、D四個點得到MD3的坐標(biāo)： Z=(CTC)-VA (9) 其中 A= [xA，yA，XB，yB，xc，yc，XD，yD]。
【文檔編號】G01S5/10GK105960013SQ201610298488
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】趙軍輝, 李蕾, 王傳云
【申請人】華東交通大學(xué)