CN100428821C - 一种抑制到达时间附加时延误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制到达时间附加时延误差的方法，包括：a)确定获取定位信号功率时延分布所需的参数，并根据所确定的参数对定位信号进行搜索，获取定位信号的功率时延分布；b)确定所获得的每个功率时延分布的径检测门限，并根据确定的门限分别在相应功率时延分布上进行径判决，获得径的位置；c)根据当前样本变异系数的大小确定当前信道所属的类别，如果属于第一类信道，则进入步骤d，否则进入步骤e；d)估计可视信道LOS下到达时间TOA附加时延误差的均值，执行步骤f； e)估计非可视信道NLOS下TOA附加时延误差的均值；f)对步骤d或步骤e所获取的TOA附加时延误差进行抑制。该方法不仅适用于各种信道，而且能提高TOA附加时延误差估计精度。

Description

一种抑制到达时间附加时延误差的方法

技术领域

本发明涉及误差抑制技术，特别是指一种对到达时间(TOA)附加时延误差进行抑制的方法。

背景技术

在蜂窝移动台定位***或全球定位***(GPS)中，由于地面建筑的遮挡或地形的起伏，导致定位信号不可避免地要受多径的影响，因此，从传输路径的角度将信号传输信道分为可视信道(路径)、准可视信道和非可视信道三种。当移动台和定位信号发送装置处于LOS状态时，首径中包含的子径导致首径的质心即首径的能量中心后移，也就是定位接收机所跟踪的相关器输出的峰值位置相对于理想状态滞后，换句话说就是：在理想的TOA时延上附加了一个多径引入的时延误差；当移动台和定位信号发送装置处于准LOS状态时，TOA测量量中除了首径中包含的子径导致首径的质心后移分量外，还有信号的绕射或衍射路径引入的附加时延分量；当移动台和定位信号发送装置处于NLOS状态时，TOA测量量中除了首径中包含的子径衰落导致的质心漂移分量外，还有信号的反射路径引入的附加时延分量，本发明将上述三种信道下由所述因素引入的TOA测量误差统称为TOA附加时延误差。TOA附加时延误差会导致位置估计精度降低，特别是在准LOS信道和NLOS信道下，TOA附加时延误差将导致蜂窝移动台定位***或GPS定位***无法或难以达到通信委员会(FCC)规定的定位精度要求，因此，TOA附加时延误差抑制技术是保证蜂窝移动台定位***或GPS定位***定位精度的关键，从而，实时获取TOA附加时延误差的均值和方差是实现TOA附加时延误差抑制的一个基础环节。

在GPS或辅助全球定位***(A-GPS)中，为了提高GPS接收机在多径环境和NLOS环境下的定位精度，美国专利US 6313786B1给出了一种环境数据采集的方法，该方法对GPS或A-GPS接收机所处环境进行识别，并对NLOS误差的大小进行估计。该方法的具体实现过程是：

第一步，对GPS或A-GPS接收机可能处于的环境进行细分：划分为室内、室外两大类，室外环境又划分为郊区、市区、无遮挡的开阔区域等子类，市区又根据建筑的高度和密集程度进一步细分为若干小类。第二步，确定一组卫星信号的特征参数作为GPS或A-GPS的环境数据，用来对GPS或A-GPS接收机所处位置的环境类型进行识别。所述特征参数主要包括：接收到的卫星信号的信噪比、接收到的首径时延、相关器输出的相关峰的宽度、信号的多普勒频移、卫星信号的接收仰角、方位角等，比如：如果接收到的若干个卫星信号的信噪比与经验数据相比都高于某个特定值，就认为GPS或A-GPS接收机处于无遮挡的开阔区域；如果接收到的若干个卫星信号的信噪比与经验数据相比都低于某个特定值，就认为GPS或A-GPS接收机处于室内。

专利US 6313786B1中估计NLOS误差大小的方法是：首先根据先验数据确定出GPS或A-GPS所处的地理环境种类，然后再根据不同地理环境下NLOS误差的经验数据和当前的信号特征，如相关器峰值的方差、接收到的卫星信号的仰角等，来估计NLOS误差的大小。专利US 6313786B1利用环境信号提高GPS或A-GPS定位精度的方法是：1)根据请求定位的GPS或A-GPS接收机上报的环境数据，结合经验数据库中的数据，判断GPS或A-GPS接收机所处的地理环境类型并对卫星信号进行挑选；2)在对接收到的卫星信号进行挑选的过程中，剔除那些信号质量较差的卫星信号，譬如信号仰角比较低的那些卫星信号，在剩余的卫星信号中，再根据卫星信号的特征参数取值，如相关峰的宽度、相关峰宽度的方差等，来估计修正量的大小；3)根据信号环境参数确定不同卫星信号的加权值，根据加权值的不同，在进行位置估计中确定合适的加权值矩阵。

但是，专利US 6313786B1给出的环境数据采集方法存在以下缺陷：1)需要根据不同的地理环境和先验数据预先设置误差，即专利US 6313786B1所述的TOA附加时延误差(BIAS)的大小，这是一个繁琐的建库过程，而且其准确性难以保证；2)众多的环境数据参量的使用导致环境数据采集的复杂化；3)由于NLOS误差由两部分因素叠加而成：一是反射路径引入的附加时延误差；二是首径内的子径叠加造成的首径质心后移，而该专利给出的利用相关峰值宽度来估计TOA附加时延误差的方法，只是使用首径宽度来估计子径叠加引入的误差，从原理上讲无法估计由反射和绕射产生的TOA附加时延误差，因此，并不适合用于NLOS信道的误差估计。

本申请人也曾提出过一专利申请，该专利申请给出了一种可以抑制NLOS误差的位置估计方法，该方法采用如下步骤实现抑制NLOS误差的位置估计：第一步，采用NLOS识别技术从定位接收机接收到的定位信号中挑选出处于NLOS状态的定位信号；第二步，估计处于NLOS状态下的定位信号的TOA附加时延误差的均值和方差；第三步，使用第二步得到的NLOS误差均值对TOA附加时延误差进行零均值矫正；第四步，使用第二步得到的NLOS误差方差来调整TOA位置估计算法中的加权矩阵。但该方法的缺点是：1)降低移动台定位精度的因素中除了NLOS信道下的TOA附加时延误差外，还有LOS和准LOS信道下的TOA附加时延误差，而该发明只对NLOS状态下的定位信号的TOA附加时延误差进行抑制，因此，该方法无法达到更好的位置估计精度；2)该发明采用的NLOS误差估计方法的估计精度依赖于***的距离分辨率，在***距离分辨率较低时，无法达到高的误差估计精度，从而也就无法达到好的误差矫正效果。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种抑制TOA附加时延误差的方法，不仅可适用于各种信道，而且能提高TOA附加时延误差估计精度。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种抑制TOA附加时延误差的方法，包括以下步骤：

a.确定获取定位信号功率时延分布所需的参数，并根据所确定的参数对定位信号进行搜索，获取定位信号的功率时延分布；

b.确定步骤a所获得的每个功率时延分布的径检测门限，并根据所确定的门限分别在相应的功率时延分布上进行径判决，获得一条以上径的位置；

c.判断当前样本变异系数的大小是否大于预先设定的样本变异系数门限，如果是，则当前信道属于第二类信道，进入步骤e，否则，当前信道属于第一类信道，进入步骤d；

d.估计可视信道LOS下TOA附加时延误差的均值，执行步骤f；

e.估计非可视信道NLOS下TOA附加时延误差的均值；

f.对步骤d或步骤e所获取的TOA附加时延误差进行抑制。

该方法进一步包括：预先设定样本变异系数门限大于0.3，则步骤c中所述的第一类信道包括LOS信道和准LOS信道，第二类信道包括NLOS信道。

该方法进一步包括：预先设定样本变异系数门限小于0.3，则步骤c中所述的第一类信道包括LOS信道，第二类信道包括准LOS信道和NLOS信道。

上述方案中，步骤d进一步包括：

d1.根据步骤b检测到的首径幅度，确定当前接收机的理想冲击响应波形；

d2.根据步骤b获得的径位置和步骤d1所确定的理想冲击响应波形，获取首径的质心滞后量，并计算出LOS信道下TOA附加时延误差的估计值；

d3.判断当前接收机是否采取了非相干累加处理，如果是，则步骤d2所计算出的TOA附加时延误差的估计值为TOA附加时延误差的均值；否则，执行步骤a M次，获取M个功率时延分布，每次重新获取一个功率时延分布后，重复进行步骤d1到步骤d2，得到一个TOA附加时延误差的估计值，然后对所得到的M个TOA附加时延误差的估计值进行平均，得到TOA附加时延误差的均值。

获得TOA附加时延误差均值后，步骤d进一步包括：根据所获得的TOA附加时延误差的均值，以及TOA附加时延误差均值和TOA附加时延误差方差间的关系，估计出TOA附加时延误差的方差。

上述方案中，步骤e进一步包括：

e1.确定步骤b中所获得的首径峰值点后的一个或一个以上码片宽度作为用于NLOS误差估计的统计窗的窗口宽度；

e2.根据步骤b中所获得的每条径的位置，获取步骤e1中确定的统计窗内每条用于NLOS误差估计的径的时间参考点；

e3.获得步骤e1所确定统计窗内除首径外每条径的时间参考点后，利用一条以上径相对其时间参考点的TOA附加时延误差的分布规律，估计TOA附加时延误差的均值。

获得TOA附加时延误差均值后，步骤e进一步包括：根据所获得的TOA附加时延误差的均值，以及TOA附加时延误差均值和TOA附加时延误差方差间的关系，估计出TOA附加时延误差的方差。其中，所述估计TOA附加时延误差方差进一步包括：先利用TOA附加时延误差均值和方差的关系，得到TOA附加时延误差均值的方差，再根据统计理论中平均处理前后随机变量方差间的倍数关系，计算出TOA附加时延误差的方差。

步骤f所述的抑制TOA附加时延误差为：从TOA测量量中减去步骤d或步骤e所获得的TOA附加时延误差均值的估计值。

步骤f所述的抑制TOA附加时延误差具体包括：根据所采用的TOA位置估计算法或TOA+TDOA位置估计算法，以及采用的TOA附加时延抑制策略确定所要进行调整的加权矩阵形式，根据所确定的加权矩阵形式，使用步骤d或步骤e估计出的TOA附加时延误差方差，对加权矩阵中的具体元素进行修正。

步骤f所述的抑制TOA附加时延误差具体包括：

f1.从TOA测量量中减去步骤d或步骤e所获得的TOA附加时延误差均值的估计值，并将所获得的差值作为位置估计算法的输入；

f2.根据当前采用的TOA位置估计算法或TOA+TDOA位置估计算法，以及采用的TOA附加时延抑制策略确定所要进行调整的加权矩阵形式，然后根据所确定的加权矩阵形式，使用步骤d或步骤e估计出的TOA附加时延误差方差，对加权矩阵中的具体元素进行修正。

其中，所述的TOA附加时延抑制策略为：是否使用误差矫正。

本发明所提供的抑制TOA附加时延误差的方法，能在准确获得LOS信道下、或准LOS信道下、或NLOS信道下TOA附加时延误差的基础上，利用估计出的TOA附加时延误差来进行TOA附加时延误差矫正和位置估计算法中加权矩阵权值的修正，进而达到抑制TOA附加时延误差的目的。由于本发明在获取TOA附加时延误差时，针对不同类别的信道采用不同的TOA附加时延误差估计方案，而且每种方案都是基于该类信道的产生机理提出的，因此能大大提高TOA附加时延误差的估计精度，进而提高TOA附加时延误差的抑制效果。

如图2所示，图2为矫正前后TOA附加时延误差的累积分布函数(CDF)曲线，其横坐标为TOA附加时延误差，以码片宽度为单位。图2中的粗实线是进行TOA附加时延误差矫正后的CDF曲线，细实线是进行TOA附加时延误差矫正前的CDF曲线。图2表明，进行TOA附加时延误差矫正后，TOA附加时延误差变为近似零均值的随机变量，矫正后误差曲线的二阶原点矩小于矫正前的二阶原点矩，进而说明零均值矫正降低了LOS误差对位置估计精度的影响。同时，图2中的细实线表明有约10％的TOA测量量显著小于零，即小于负0.1个码片，这是由于***采用的TOA测量算法存在缺陷造成的，这些负的TOA测量量的存在将降低TOA附加时延误差抑制算法的性能，然而，对TOA测量算法作相应的改进后，图3所示的位置估计精度改进量将有显著提高。

图3为场测得到的位置估计性能改进曲线，该场测的环境以准LOS为主，存在少量的LOS信道和NLOS信道。图3上部子图中给出的细实线表示矫正前位置估计结果的CDF曲线，图3上部子图中给出的粗实线表示矫正后位置估计结果的CDF曲线；图3下部子图中给出的细实线表示矫正前的位置估计误差，图3下部子图中给出的粗实线表示矫正后的位置估计误差。根据图3上部的子图，以对应位置估计误差为50米的点为例，可以看出，矫正后的CDF曲线比矫正前的CDF曲线取值大了约10％，如果没有图2上部子图所示的由于TOA测量算法不稳定导致的TOA测量量中存在的10％的负值，改进量可进一步提高；在对应位置估计误差为150米的点，矫正后的CDF曲线取值已经达到了FCC规定的定位精度，显然，位置估计的精度提高了。

附图说明

图1为本发明抑制TOA附加时延误差的实现流程图；

图2为矫正前后TOA附加时延误差的CDF曲线对比图；

图3为场测得到的位置估计性能改进曲线示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想就是：分别针对不同类别的信道，按照不同的TOA附加时延误差估计方法获取TOA附加时延误差，再根据所获取的TOA附加时延误差进行TOA附加时延误差抑制。

本发明分别基于对LOS信道下TOA附加时延误差产生机理和分布形式的分析，提出估计LOS信道下TOA附加时延误差的方法；基于对NLOS信道下TOA附加时延误差产生机理和分布形式的分析，提出估计NLOS信道下TOA附加时延误差的方法。本发明中，区分不同类别的信道很关键，通常根据样本变异系数的大小将LOS信道和NLOS信道分开，至于准LOS信道，由于其产生机理与LOS信道类似，而在数值上又可近似使用NLOS，所以可根据判别信道类型条件的不同，将准LOS与LOS或NLOS划分为一类。

下面先分别对LOS信道和NLOS信道下TOA附加时延误差的产生机理、对不同信道的识别原理、以及抑制TOA附加时延误差的原理进行分析。

首先，分析LOS信道TOA附加时延误差的产生机理：

对于LOS信道环境下TOA附加时延误差分布形式的分析，需要将单个可分辨的首径分解为两个子径P_s0和P_sr，其中，P_s0表示首径中的直达成分，即相对于LOS路径TOA附加时延误差为0的子径；P_sr表示首径中P_s0之后的经过反射路径到达的成分，即相对于LOS路径TOA附加时延误差不为0的子径。那么，在时延估计，也就是TOA测量的过程中，相关器输出的时间就是P_s0和P_sr的质心位置。因此，分析TOA附加时延误差的分布形式就转化为分析P_s0和P_sr的质心位置的分布形式。

设t_lc为LOS信道首径的质心位置，t_sr为P_sr的位置，p_s0为P_s0的功率，p_sr是P_sr的功率，在定位接收机不作非相干累加时：

$t_{\mathrm{lc}}=\frac{t_{\mathrm{sr}}\×p_{\mathrm{sr}}}{p_{s0}+p_{\mathrm{sr}}}---\left(1\right)$

由于p_sr是由反射分量构成的，有p_sr＜＜p_s0，则公式(1)可简化为：

$t_{\mathrm{lc}}=\frac{t_{\mathrm{sr}}\×p_{\mathrm{sr}}}{p_{s0}}=\left(\frac{p_{\mathrm{sr}}}{p_{s0}}\right)t_{\mathrm{sr}}---\left(2\right)$

公式(2)中，p_s0不存在衰落，可当作常量处理。由于散射体分布的均匀性和相互独立的性质，根据中心极限定理，子径P_sr的到达时间t_sr应该是服从正态分布，p_sr则服从自由度n＝2的CHI2分布，该分布和Γ(α＝1，β＝2)相同，该分布也就是指数分布Γ(α＝1，β)＝expo(β)。

由于t_sr和p_sr相互独立，可以得出LOS信道环境下TOA误差t_lc的概率密度函数为：

$f_{t_{\mathrm{lc}}}(x,y)=p_{s0}\×\mathrm{chi}2(p_{s0}\×x,n)\×\mathrm{norm}(y,0.5,\mathrm{\σ})---\left(3\right)$

公式(3)中，p_s0是首径中波前分量的功率；

是由于幅度衰落导致的首径质心变化x和由于反射径叠加导致的质心变化量y的联合分布。

关于x的边缘分布是指数分布Γ(α＝1，β)＝expo(β)。

当***采用k＝n/2次非相干累加时，经过非相干处理的径的质心位置t_lc是单次相干输出的径的质心位置t_lc的平均：

${\stackrel{\‾}{t}}_{\mathrm{lc}}=\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{lc},i}---\left(4\right)$

因此，t_lc是Γ(α＝k，β)分布，Γ-分布的均值为αβ，方差为αβ²，鉴于公式(4)中因子

的存在，t_lc的均值和方差为：

E[t_lc]＝β

D[t_lc]＝β²    (5)

在非相干累加的条件下，直接测量得到的就是E[t_lc]。

在LOS信道下，TOA附加时延误差估计利用的规律是：直达波之后的反射波导致直达径的质心后移，这种质心后移在首径波形上表现为径的峰值点相对于径的起始点的滞后。

在准LOS信道下，导致TOA附加时延误差的因素中，除了LOS信道下的反射径引起的首径质心滞后，即Γ-分布外，还有电波绕射或衍射过程中产生的附加时延分量，即指数分布。由于这两个分量是相互独立的，其分布形式是Γ-分布和指数分布的卷积，其结果仍然具有Γ-分布的形式。实际应用中，由于准LOS信道下，电波绕射或衍射过程中产生的附加时延分量相对于反射径叠加导致的质心后移分量比较小，可以忽略这个分量的作用，仍然采用LOS信道下的分析方法来估计准LOS信道下的TOA附加时延误差。

在NLOS环境下，由于首径和其后的径都是由众多子径叠加而成的，这些子径是独立同分布的，而且，根据散射体均匀分布的假设，这些子径的强度都是相当的，也就是无主导子径存在。在这种条件下，反射体的质心引入的TOA附加时延误差t_rc满足指数分布，那么，根据中心极限定理，由反射体产生的众多子径叠加引入的TOA附加时延误差t_sf，即相对于t_rc的TOA附加时延误差是符合正态分布。因此，NLOS信道下的TOA附加时延误差t_n＝t_rc+t_sf，由于t_rc和t_sf是相对独立的随机变量，t_n的分布是指数分布和正态分布的卷积，如公式(6)所示：

$f\left(t_n\right)=\mathrm{norm}(t_{\mathrm{sf}},\mathrm{\μ},\mathrm{\σ})\⊗\mathrm{expO}(x_{\mathrm{rc}},\mathrm{\β})---\left(6\right)$

由于各个径所对应的空间上的散射体密度相同、各个径的信干比在统计意义上相同，这就决定了各个径的到达时间不但具有相同的分布形式，而且具有相同的分布参数，因此，在NLOS环境下，首径和其后若干径的TOA附加时延误差是同分布的随机过程，这是进行NLOS误差估计的基础。

为了利用上述径的漂移规律来估计首径的NLOS误差，需要引入用于TOA附加时延误差估计的时间参考点(RTP，Reference Time Point)的概念。首径的时间参考点是：NLOS环境下按照LOS传播路径计算出的TOA时间位置，此位置对应的TOA附加时延误差为零；除了首径之外的某个径，其时间参考点就是：计算该径TOA附加时延误差的起始点，如果该径在其时间参考点处出现，意味着该径的TOA附加时延误差为零。确定径的时间参考点的依据是：1)***的距离分辨率，距离分辨率由***带宽决定，对于CDMA***，其距离分辨率为一个码片；2)在NLOS环境下，在一个特定空间范围内，径在任何位置上出现的概率是相等的。

在引入时间参考点之后，把首径相对其时间参考点RTP1的TOA附加时延误差表示为t_n，把第二径相对其时间参考点RTP2的TOA附加时延误差表示为t_2l，把第i径相对其时间参考点RTPi的TOA附加时延误差表示为t_il。当第一径和第i径在有限空间范围内，如在几百米范围内出现时，t_n、t_2l...t_il是独立同分布且分布参数近似相等的随机过程，这个规律是实现对TOA附加时延误差均值和方差估计的理论基础。利用该规律进行TOA测量过程中，NLOS误差估计的公式可以表示为公式(7)：

${\widehat{\stackrel{\‾}{t}}}_n\≈E\left[t_{2f}\right]\≈E\left[t_{3f}\right]\≈...\≈E\left[t_{\mathrm{if}}\right]---\left(7\right)$

公式(7)中，

表示首径在NLOS下TOA附加时延误差均值的估计值。

实际使用公式(7)所述原理时，为了利用较少的测量次数获取较准确的首径TOA附加时延误差的均值的估计值，可采用公式(8)：

${\widehat{\stackrel{\‾}{t}}}_n\≈\left(E\right[t_{2f}]+E[t_{3f}]+...+E[t_{\mathrm{Nf}}\left]\right)/N---\left(8\right)$

公式(8)中，表示NLOS误差的估计值；N表示在同一个功率时延分布上提取的用于NLOS误差估计的径的个数，其中不包括首径。

至于对不同信道的识别，由于LOS信道、准LOS信道和NLOS信道下径的衰落强度是不同的，从LOS信道到准LOS信道再到NLOS信道，径的衰落经历一个从莱斯衰落到深度瑞利衰落的过程，根据这个物理现象，本申请人曾提出一种基于计算样本，即径的幅度的变异系数或离散系数的NLOS识别方法：样本变异系数σ/μ表示径的幅度的标准差除以样本幅度的均值。从LOS信道到准LOS信道再到NLOS信道，样本变异系数σ/μ遵循从小到大的规律。场测表明，典型的NLOS信道的样本变异系数σ/μ大于0.3。当然，也可以采用其它方法实现NLOS识别，如：用首径功率除以其后最强径的功率，根据这个比值的大小来识别NLOS信道。

对于TOA附加时延误差的抑制分为两个环节：第一个环节是采用TOA附加时延误差均值的估计值进行误差矫正，得到零均值的TOA附加时延误差矫正残差；第二个环节是通过调整位置估计算法，如：加权最小二乘估计算法的加权矩阵来进一步抑制TOA附加时延误差矫正残差的影响。

对位置估计算法，如加权最小二乘估计算法中加权矩阵的调整，可以分为：对TOA位置估计中加权矩阵的调整和对TOA+TDOA位置估计算法中加权矩阵的调整。

所述用于调整的TOA位置估计算法的加权矩阵具有公式(9)所示的形式：

$=Q_{\left(l\right)}+Q_{\left(n\right)}$

$={\left[\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\σ}}_1^2& 0& 0& .& 0\\ 0& {\mathrm{\σ}}_2^2& 0& .& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\σ}}_3^2& .& 0\\ .& .& .& .& .\\ 0& 0& 0& .& {\mathrm{\σ}}_M^2\end{array}\right]}_{+}$

$\left[\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\σ}}_{\left(n\right)1}^2& 0& 0& .& 0\\ 0& {\mathrm{\σ}}_{\left(n\right)2}^2& 0& .& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\σ}}_{\left(n\right)3}^2& .& 0\\ .& .& .& .& .\\ 0& 0& 0& .& {\mathrm{\σ}}_{\left(n\right)M}^2\end{array}\right]---\left(9\right)$

其中，

$Q_{\left(l\right)}=\left[\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\σ}}_1^2& 0& 0& .& 0\\ 0& {\mathrm{\σ}}_2^2& 0& .& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\σ}}_3^2& .& 0\\ .& .& .& .& .\\ 0& 0& 0& .& {\mathrm{\σ}}_M^2\end{array}\right]---\left(10\right)$

上式中，Q_(l)为LOS信道下***误差N＝[n₁ n₂…n_M]^T的协方差矩阵，这里，***误差是指无任何TOA附加时延误差时的定位误差，N为M维矢量，N的均值为零，N的协方差矩阵Q_(l)为M*M维对称矩阵。σ_i ²为LOS信道下，即在无任何TOA附加时延误差情况下定位误差时，TOA测量误差的协方差。

$Q_{\left(n\right)}=\left[\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\σ}}_{\left(n\right)1}^2& 0& 0& .& 0\\ 0& {\mathrm{\σ}}_{\left(n\right)2}^2& 0& .& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\σ}}_{\left(n\right)3}^2& .& 0\\ .& .& .& .& .\\ 0& 0& 0& .& {\mathrm{\σ}}_{\left(n\right)M}^2\end{array}\right]---\left(11\right)$

Q_(n)为零均值矫正后的误差n_(n)i，即TOA附加时延误差的矫正残差构成的M维矢量N_(n)＝[n_(n)1、n_(n)2…n_(n)M]^T的协方差矩阵，N_(n)的均值为零，Q_(n)为M*M维对称矩阵。

所述用于调整的TOA+TDOA位置估计算法的加权矩阵的基本形式为：

$Q_{\mathrm{toa}\_\mathrm{tdoa}}=E(n_{\mathrm{toa}\_\mathrm{tdoa}}\·n_{\mathrm{toa}\_\mathrm{tdoa}}^T)$

式中，Q_{toa_tdoa}表示TOA+TDOA位置估计算法的加权矩阵；n_{toa_tdoa}表示包含了TOA误差和TDOA误差这两种误差的误差矢量。其中，TOA误差包括附加时延误差和***测量误差，TDOA误差包括附加时延误差之差和***测量误差。

在TOA+TDOA位置估计中，TOA附加时延误差与***的测量误差，即时延估计和钟漂等引入的误差之间的关系，以及TOA附加时延误差与TDOA附加时延误差之间的关系可以表示如下：

n_{ref_toa}＝n_{nlos_1}+n_{ref_toa_m}

n_{tdoa_21}＝n_{nlos_2}-n_{nlos_1}+n_{tdoa_21_m}

式中，n_{ref_toa}表示参考基站的TOA测量量中包含的总的误差，该误差包含了TOA附加时延误差和定位***固有的***误差；n_{nlos_i}表示第i路定位信号中包含的TOA附加时延误差；n_{tdoa_j1}表示第j路定位信号相对于第一路信号的TDOA测量量中包含的总的误差，该误差包含了TOA附加时延误差之差和定位***固有的***误差；n_{tdoa_j1_m}表示第j路定位信号相对于第一路信号的TDOA测量量中包含的***误差。利用误差的上述关系并经过如下步骤，可得到公式(12)所示的用于调整TAO+TDOA位置估计算法的加权矩阵的一种矩阵形式：

$n_{\mathrm{toa}\_\mathrm{tdoa}}=\left[\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\\ \·\\ n_n\end{array}\right]=H*V$

$H=\left[\begin{array}{cccccccc}1& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 1& \·\·\·& 0& -1& 1& 0& 0\\ \·\·\·& 0& 1& \·\·\·& -1& \·\·\·& 1& \·\·\·\\ 0& 0& \·\·\·& 1& -1& 0& \·\·\·& 1\end{array}\right],$ $N=\left[\begin{array}{c}{n}_{\mathrm{ref}\_\mathrm{toa}}\\ n_{\mathrm{tdoa}\_21}\\ \·\·\·\\ n_{\mathrm{tdoa}\_n1}\\ n_{\mathrm{nlos}\_1}\\ n_{\mathrm{nlos}\_2}\\ \·\·\·\\ n_{\mathrm{nlos}\_n}\end{array}\right]$

$Q_{\mathrm{toa}\_\mathrm{tdoa}}=E(n_{\mathrm{toa}\_\mathrm{tdoa}}\·n_{\mathrm{toa}\_\mathrm{tdoa}}^T)=H\·C\·H^T$

$C=E(N*N^T)=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\σ}}_1^2+{\mathrm{\μ}}_1^2& {\mathrm{\μ}}_1{\mathrm{\μ}}_2& {\mathrm{\μ}}_1{\mathrm{\μ}}_3& \·\·\·\\ {\mathrm{\μ}}_2{\mathrm{\μ}}_1& {\mathrm{\σ}}_2^2+{\mathrm{\μ}}_2^2& {\mathrm{\μ}}_2{\mathrm{\μ}}_3& \·\·\·\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& {\mathrm{\σ}}_m^2+{\mathrm{\μ}}_m^2\end{array}\right]---\left(12\right)$

其中，μ_i表示列向量N的第i个误差的均值、σ_i ²表示列向量N的第i个误差的方差。

公式(12)给出的矩阵形式适用于给位置估计算法输入的测量量没有经过TOA附加时延误差校正的情况，当给位置估计算法输入的测量量没有经过TOA附加时延误差校正后，μ_i＝0，矩阵(12)具有式(13)的形式：

$C=E(N*N^T)=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\σ}}_1^2& 0& \·\·\·& 0\\ 0& {\mathrm{\σ}}_2^2& \·\·\·& 0\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ 0& 0& \·\·\·& {\mathrm{\σ}}_m^2\end{array}\right]---\left(13\right)$

式(13)中，σ_i ²表示TOA附加时延误差矫正残差的方差。

在***实现中，首先根据***具体采用的位置估计算法，即TOA位置估计或TOA+TDOA位置估计；以及***采用的TOA附加时延抑制策略，如：是否使用了误差矫正，来确定对式(11)、(12)、(13)给出的矩阵形式中的哪一种进行调整。然后，利用前述的LOS信道、准LOS信道和NLOS信道下得到的TOA附加时延误差的方差，对选定的矩阵中的各个元素的取值进行调整，这样就可以达到抑制TOA附加时延误差的效果，从而提高位置估计的精度。

基于上述原理分析，本发明所采用的抑制TOA附加时延误差的方法，预先设定划分信道类别所用的样本变异系数门限大小，根据样本变异系数将三种信道分为两类：如果该样本变异系数门限值大于0.3，如样本变异系数门限为0.4，则将LOS信道和准LOS信道划分为一类，NLOS信道单独划分为一类；如果该样本变异系数门限值小于0.3，如样本变异系数门限为0.2，则将准LOS信道和NLOS信道划分为一类，LOS信道单独划分为一类。那么，如图1所示，包括以下的步骤：

步骤101：根据所确定的用于获取定位信号功率时延分布的相关参数，对定位信号进行搜索，获取定位信号的功率时延分布。

本步骤又分两步完成：

第一步，确定获取定位信号功率时延分布所需要的相关参数。这里所说的相关参数主要包括：需要同时采集其功率时延分布的伪随机码的个数，其中一个伪随机码对应一种功率时延分布；需要采集的同一种功率时延分布的个数，该种功率时延对应同一个伪随机码；对各种功率时延分布的采集频率；多径搜索的搜索窗宽度；采集功率时延分布时采用的相干长度和非相干累加次数等。

第二步，根据第一步所确定的相关参数，对所有定位信号进行相关搜索或匹配滤波，得到定位信号的功率时延分布。其中，定位信号可以是来自蜂窝移动台接收机的输出，也可以是来自GPS或A-GPS接收机的输出；定位信号可以取自接收机的基带信号，也可以取自接收机的中频信号。

步骤102：确定步骤101所获得的每个功率时延分布的径检测门限，并根据所确定的门限值分别在相应的功率时延分布上进行径判决，获得若干条径的位置。

本步骤中，确定每个功率时延分布的径检测门限可以有多种方法，以根据对背景噪声的提取来确定径检测门限为例，确定径检测门限的具体实现过程是这样的：

1)提取背景噪声，先粗略提取，再精确提取。

其中，粗略提取又可分为两种情况：通过在功率时延分布中剔除若干个最强径的方法实现背景噪声的粗略提取；或是通过使用空闲伪随机码来获取互相关输出信号来提取背景噪声。这里所述的空闲伪随机码可以是蜂窝移动台附近基站没有使用的扰码，也可以是GPS卫星星历中推算出的处于地平线以下的卫星发射的定位信号码。

精确提取是指在粗略提取背景噪声之后，对粗略提取的背景噪声进行参数估计，如：估计背景噪声的均值和标准差。再根据估计出的均值、标准差、背景噪声的分布形式以及预先确定的特定检测概率，确定一个粗略的径检测门限THR_C，利用该THR_C从相应的功率时延分布中检测出一个首径PATH1_C；然后，在该功率时延分布上，从PATH1_C之前若干个码片开始到搜索窗启始位置这样一个区间内，提取出精确的背景噪声。这里，背景噪声的分布形式可以近似认为是x²分布或正态分布。

2)确定每个功率时延分布用于径检测的噪声门限。

在准确提取背景噪声的基础上，估计出背景噪声的均值、标准差，然后根据背景噪声的分布形式以及预先确定的特定检测概率，确定每个功率时延分布最终的径检测门限THR。同样，这里背景噪声的分布形式可以是x²分布或正态分布，当背景噪声为正态分布时，

THR＝Mu+k×Sigma

其中，Mu表示背景噪声的均值，Sigma表示背景噪声的标准差，k为加权系数，k的取值由径检测要求的虚警率来决定。

3)进行径检测。

根据每个功率时延分布对应的径检测门限THR，在相应的功率时延分布上通过检测峰值点的方法实现径判决，功率时延分布上凡是大于径检测门限THR的峰值点的位置就是径的位置。

在步骤102中，为了提高对径时延估计的精度，可以在检测出径的位置之后，对感兴趣的径，如首径或首径之后的若干径，作内插处理。所述的内插处理是一种插值算法，通常定义为根据二个已知值估计出中间值，例如一个函数或序列，最常见的形式是线性内插法，可采用二分插值法。

步骤103：根据当前样本变异系数的大小，判断当前信道的类别。也就是说，采用NLOS信道识别方法实现信道类别的判断，把样本变异系数作为信道识别的依据。如果当前样本变异系数大于预先设定的样本变异系数门限值，则当前信道为B类信道，进入步骤104；否则，当前信道为A类信道，进入步骤106。

具体地说，如果预先设定样本变异系数门限为0.4，则信道划分为：将LOS信道和准LOS信道归为A类，将NLOS信道归为B类，那么，如果当前信道的样本变异系数大于0.4，则为B类，即NLOS信道；否则，就判为A类，即LOS/准LOS信道。根据信道类别判断结果的不同，进入不同的处理分支，也就是：A类信道采用LOS信道下的TOA附加时延误差估计算法，B类信道采用NLOS信道下的TOA附加时延误差估计算法。

如果预先设定样本变异系数门限为0.2，则信道划分为：将LOS信道归为A类，将准LOS信道和NLOS信道归为B类，那么，如果当前信道的样本变异系数大于0.2，则为B类，即准LOS信道/NLOS信道；否则，就判为A类，即LOS信道。与该信道类别划分相对应，A类信道采用LOS信道下的TOA附加时延误差估计算法，B类信道中的准LOS和NLOS信道都采用NLOS信道下的TOA附加时延误差估计算法。

步骤104：进行A类信道下TOA附加时延误差均值的估计。具体包括：

子步骤41：根据步骤102检测到的首径幅度，构造一个定位接收机收发通道的理想冲击响应波形，如升余弦波形；

子步骤42：根据步骤102中得到的首径的信干比或功率、径的检测门限Thr以及子步骤41确定的理想冲击响应波形，确定一个用于质心滞后量估计的门限THRC＝C×Thr，C取1～5中的某个值；

子步骤43：计算当前接收机所跟踪的相关器输出的场测首径波形与质心滞后量估计门限THRC的交点A，并计算交点A对应的时间t_A；计算理想冲击响应波形与质心滞后量估计门限THRC的交点B，并计算交点B对应的时间t_B；

子步骤44：根据公式(14)计算LOS信道下多径引入的首径质心滞后量，从而得到TOA附加时延误差的估计值。

${\hat{t}}_L=t_A-t_B---\left(14\right)$

式中，表示LOS信道下TOA附加时延的估计值，单位为码片宽度。

子步骤45：根据步骤101确定的非相干累加次数，判断当前的定位接收机是否采取了非相干累加处理；若采取了非相干累加处理，即非相干累加次数k大于1，则子步骤44得到的就是TOA附加时延误差的均值，直接进入步骤105；若没有进行非相干累加处理，则执行步骤101M次，其中M大于1，获取M个功率时延分布，每次重新获取一个功率时延分布后，就重复进行子步骤41到子步骤44的处理，每次得到一个

然后对所得到的M个

进行平均，其结果就是TOA附加时延误差的均值，然后执行步骤105。

步骤104所获取的TOA附加时延误差均值，可提供给步骤105用于估计TOA附加时延误差的方差，并且该TOA附加时延误差均值还可以提供给步骤108用于TOA附加时延误差的矫正。

步骤105：进行A类信道下TOA附加时延误差方差的估计。

根据TOA附加时延误差的分布形式，如公式(3)，以及步骤104得到的TOA附加时延误差的均值，利用特定分布下均值和方差的关系，如公式(5)，计算出TOA附加时延误差的方差，然后执行步骤108。

步骤106：进行B类信道下TOA附加时延误差均值的估计。

该步骤既可以使用公式(7)来估计TOA附加时延的均值，也可以使用公式(8)来估计TOA附加时延的均值。使用公式(8)的特点是可以通过较少的测量次数，如使用一次功率时延分布测量，得到更为准确的估计值，然后执行107。

其中，每条径时间参考点的获得可先根据步骤102中所获得的首径峰值点的位置，确定用于NLOS误差估计的统计窗的窗口宽度；然后，根据步骤102中所获得的每条径的位置，获取所确定的统计窗内每条用于NLOS误差估计的径的时间参考点。比如：判断当前要获取时间参考点的径前面的凹点到凹点前面的径的峰值点之间的时间间隔是否小于等于一个码片宽度；如果是小于等于一个码片宽度，则将凹点前面的径的峰值点之后距该峰值点一个码片宽度的位置作为当前径的时间参考点；否则，直接将凹点位置作为当前径的时间参考点。

步骤107：进行B类信道下TOA附加时延误差方差的估计。

根据公式(6)给出的TOA附加时延误差的分布形式，可以看出TOA附加时延误差均值具有指数分布，如果是经过非相干累加处理，TOA附加时延误差就是伽玛(GAMA)分布。

该步骤利用指数分布或伽玛分布均值和方差的关系，得到TOA附加时延均值的方差，再根据统计理论中平均处理前后随机变量方差间的倍数关系，可以得出TOA附加时延的方差。

步骤108：获得TOA附加时延误差的均值或方差后，对所获得TOA附加时延误差进行抑制，即进行TOA附加时延误差的矫正，或对位置估计中加权矩阵形式进行调整。

子步骤81：根据步骤104或步骤106估计出的TOA附加时延误差的均值，对TOA测量量进行TOA附加时延误差的矫正，具体方法是：从TOA测量量中减去TOA附加时延误差均值的估计值，把矫正后的TOA测量量，即TOA测量量减去TOA附加时延误差均值估计值的差值作为位置估计算法的输入。

子步骤82：根据***具体采用的位置估计算法，是采用TOA位置估计算法还是采用TOA+TDOA位置估计算法，以及***采用的TOA附加时延抑制策略，如：是否使用了误差矫正，确定对式(11)、(12)、(13)给出的加权矩阵形式中的哪一种进行调整。比如：当***采用TOA位置估计时，对式(11)给出的加权矩阵形式进行调整；当***采用TOA+TDOA位置估计时，对式(12)或式(13)给出的加权矩阵形式进行调整。这里所述的***是指当前采用的定位***。

根据步骤82确定的加权矩阵的具体形式，使用步骤105或步骤107估计出的TOA附加时延误差的方差，对加权矩阵中的具体元素进行修正，抑制TOA附加时延误差方差较大的TOA测量量在位置估计中的作用，从而提高位置估计的精度。其中，所述的对具体元素进行修正有多种实现方法，比如：使加权矩阵中相应元素的取值和该元素对应的TOA测量量中的TOA附加时延误差方差保持一种正比例关系。

在本步骤中，子步骤81是对TOA附加时延误差进行矫正，子步骤82是对位置估计算法中的加权矩阵调整，在实际应用中，可以同时使用子步骤81和子步骤82两个子步骤，也可以只使用这两个子步骤中的一个，同样可以达到抑制TOA附加时延误差的效果。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (13)

1、一种抑制TOA附加时延误差的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.确定获取定位信号功率时延分布所需的参数，并根据所确定的参数对定位信号进行搜索，获取定位信号的功率时延分布；

b.确定步骤a所获得的每个功率时延分布的径检测门限，并根据所确定的门限分别在相应的功率时延分布上进行径判决，获得一条以上径的位置；

c.判断当前样本变异系数的大小是否大于预先设定的样本变异系数门限，如果是，则当前信道属于第二类信道，进入步骤e，否则，当前信道属于第一类信道，进入步骤d；

d.估计可视信道LOS下TOA附加时延误差的均值，执行步骤f；

e.估计非可视信道NLOS下TOA附加时延误差的均值；

f.对步骤d或步骤e所获取的TOA附加时延误差进行抑制。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：预先设定样本变异系数门限大于0.3，则步骤c中所述的第一类信道包括LOS信道和准LOS信道，第二类信道包括NLOS信道。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：预先设定样本变异系数门限小于0.3，则步骤c中所述的第一类信道包括LOS信道，第二类信道包括准LOS信道和NLOS信道。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d进一步包括：

d1.根据步骤b检测到的首径幅度，确定当前接收机的理想冲击响应波形；

d2.根据步骤b获得的径位置和步骤d1所确定的理想冲击响应波形，获取首径的质心滞后量，并计算出LOS信道下TOA附加时延误差的估计值；

d3.判断当前接收机是否采取了非相干累加处理，如果是，则步骤d2所计算出的TOA附加时延误差的估计值为TOA附加时延误差的均值；否则，执行步骤aM次，获取M个功率时延分布，每次重新获取一个功率时延分布后，重复进行步骤d1到步骤d2，得到一个TOA附加时延误差的估计值，然后对所得到的M个TOA附加时延误差的估计值进行平均，得到TOA附加时延误差的均值。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，获得TOA附加时延误差均值后，步骤d进一步包括：根据所获得的TOA附加时延误差的均值，以及TOA附加时延误差均值和TOA附加时延误差方差间的关系，估计出TOA附加时延误差的方差。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤e进一步包括：

e1.确定步骤b中所获得的首径峰值点后的一个或一个以上码片宽度作为用于NLOS误差估计的统计窗的窗口宽度；

e2.根据步骤b中所获得的每条径的位置，获取步骤e1中确定的统计窗内每条用于NLOS误差估计的径的时间参考点；

e3.获得步骤e1所确定统计窗内除首径外每条径的时间参考点后，利用一条以上径相对其时间参考点的TOA附加时延误差的分布规律，估计TOA附加时延误差的均值。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，获得TOA附加时延误差均值后，步骤e进一步包括：根据所获得的TOA附加时延误差的均值，以及TOA附加时延误差均值和TOA附加时延误差方差间的关系，估计出TOA附加时延误差的方差。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述估计TOA附加时延误差方差进一步包括：先利用TOA附加时延误差均值和方差的关系，得到TOA附加时延误差均值的方差，再根据统计理论中平均处理前后随机变量方差间的倍数关系，计算出TOA附加时延误差的方差。

9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤f所述的抑制TOA附加时延误差为：从TOA测量量中减去步骤d或步骤e所获得的TOA附加时延误差均值的估计值。

10、根据权利要求5、7或8所述的方法，其特征在于，步骤f所述的抑制TOA附加时延误差具体包括：根据所采用的TOA位置估计算法或TOA+TDOA位置估计算法，以及采用的TOA附加时延抑制策略确定所要进行调整的加权矩阵形式，根据所确定的加权矩阵形式，使用步骤d或步骤e估计出的TOA附加时延误差方差，对加权矩阵中的具体元素进行修正。

11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的TOA附加时延抑制策略为：是否使用误差矫正。

12、根据权利要求5、7或8所述的方法，其特征在于，步骤f所述的抑制TOA附加时延误差具体包括：

f1.从TOA测量量中减去步骤d或步骤e所获得的TOA附加时延误差均值的估计值，并将所获得的差值作为位置估计算法的输入；

f2.根据当前采用的TOA位置估计算法或TOA+TDOA位置估计算法，以及采用的TOA附加时延抑制策略确定所要进行调整的加权矩阵形式，然后根据所确定的加权矩阵形式，使用步骤d或步骤e估计出的TOA附加时延误差方差，对加权矩阵中的具体元素进行修正。

13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的TOA附加时延抑制策略为：是否使用误差矫正。

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