CN102004235A

CN102004235A - 多点定位***的接收站选取方法

Info

Publication number: CN102004235A
Application number: CN 201010522181
Authority: CN
Inventors: 刘伟; 朱衍波; 张军; 裴新欣; 王永春
Original assignee: BEIJING CIVIL TIANYU SCI-TECH DEVELOPMENT Co Ltd; AVIATION DATA COMMUNICATION Corp; Beihang University
Current assignee: BEIJING CIVIL TIANYU SCI-TECH DEVELOPMENT Co Ltd; AVIATION DATA COMMUNICATION Corp; Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2030-10-22
Also published as: CN102004235B

Abstract

本发明提供一种多点定位***的接收站选取方法，其中包括：测量相邻两个接收站相对于监视目标的夹角；将构成最小夹角的两个接收站选择为两个待定站点；将所述两个待定站点之一删除，使得删除后的一个剩余待定站点与该剩余待定站点的相邻接收站之间的夹角与最优夹角θ之间的差值的绝对值更小，其中，θ＝2π/K，K表示被选接收站的个数；重复上述步骤，直到剩余的夹角的个数为K。本发明所述方法能够快速地选出合适数量的接收站，从而在保证定位精度的前提下，减少了参与计算的接收站的数量，因此减少计算量和信息冗余。

Description

多点定位***的接收站选取方法

技术领域

本发明涉及一种多点定位***的接收站选取方法，属于机场场面目标监视的无线多点定位技术领域。

背景技术

现有机场场面监视依靠对移动目标(如飞机)的雷达回波探测计算目标的位置以达到监视的。由于多径效应、地物反射、机场改扩建、天气、地形和障碍物的阻挡等原因，会导致机场部分关键区域无法实现雷达覆盖，因此，出现了一种机场场面的多点定位(Multilateration，简称：MLAT)技术，其定位原理如图1所示。

至少有三个地面接收机F1、F2和F3相对于监视目标在视距内可见。首先由接收机F1、F2和F3向监视目标连续发出询问信号；监视目标分别回复应答信号；每个接收机将接收到的应答信号进行解码、加时间戳，然后向目标处理器(图中未示出)发送监视报告；目标处理器比较来自多个接收机的监视报告，根据每个监视报告中记录的应答信号到达接收机的时间(Time ofArrival，简称：TOA)计算出两个接收机之间(例如：F1和F2之间，以及F1和F3之间)的应答信号到达时间差(Time Difference of Arrival，简称：TDOA)；进而根据到两点间的距离差为定值的点的轨迹为双曲线的数学原理得出监视目标位置可能的所在的双曲线，即双曲线A和双曲线B)；最后通过两条双曲线的交点确定监视目标的精确位置。

然而，现有技术中至少存在如下问题：虽然从原理上讲，多点定位技术只需要3个接收站就可以确定监视目标的位置，但是在实际应用中考虑到遮蔽、冗余度以及探测成功率等多方面的问题，接收站的数量一般要更多。如英国希斯罗机场使用15个接收站，德国法兰克福机场使用了19个接收站。在机场场面上某些开阔区域，如果能够接收应答信号的接收站较多，那么进行定位求解所需的计算量也会较大，且存在大量的信息冗余。

为了在对定位精度影响比较小的情况下，简化计算，保证定位结算结果的实时性要求，国内外学者提出根据精度因子(Dilution of Precision，简称：DOP)优选最佳站点的算法。然而，该选站算法本身引入的计算量仍然比较庞大。

发明内容

本发明提供一种多点定位***的接收站选取方法，用以当接收站较多时，能够快速地选出合适数量的接收站进行求解，以便在保证定位精度的前提下，尽量减少计算量和信息冗余。

本发明一方面提供一种多点定位***的接收站选取方法，其中包括：

测量相邻两个接收站相对于监视目标的夹角；

将构成最小夹角的两个接收站选择为两个待定站点；

将所述两个待定站点之一删除，使得删除后的一个剩余待定站点与该剩余待定站点的相邻接收站之间的夹角与最优夹角θ之间的差值的绝对值更小，其中，θ＝2π/K，K表示被选接收站的个数；

重复上述步骤，直到剩余的夹角的个数为K。

本发明所述方法能够快速地选出合适数量的接收站，从而在保证定位精度的前提下，减少了参与计算的接收站的数量，因此减少计算量和信息冗余。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有多点定位技术的原理示意图；

图2为本发明所述多点定位***的接收站选取方法实施例的流程图；

图3为图2所示步骤103例示的接收站点分布示意图；

图4为理想状态下的接收站点均匀分布示意图；

图5为仿真实验一中随机生成的八个接收站点的坐标位置示意图；

图6为N＝8，K＝5时的仿真结果示意图；

图7为N＝8，K＝4时的仿真结果示意图；

图8为仿真实验二的仿真结果示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2为本发明所述多点定位***的接收站选取方法实施例的流程图，如图所示，该方法包括如下步骤：

步骤101，测量相邻两个接收站相对于监视目标的夹角。

具体地，可以先测量每个接收站与监视目标的连线相对于X轴的倾角α_i(α_i∈[0，2π))，i＝1，2，…，N，其中，N表示当前可选的接收站的个数，i表示所述接收站沿顺时针方向的编号；然后计算两个相邻倾角之间的夹角θ_i＝α_i+1-α_i(θ_i∈[0，2π))，这些夹角构成的夹角序列表示沿着顺时针方向每相邻两个接收站相对于监视目标的夹角。

此处需要说明的是，由于倾角α_i是基于圆周角度进行测量的，因此，当i＝N时，α_N+1＝α₁。

步骤102，将构成最小夹角的两个接收站选择为两个待定站点。

其中，θ_j是最小的夹角，意味着形成该θ_j的第j个接收站和第j+1个接收站对定位精度的影响最小，因此，将接收站j和接收站(j+1)选择为两个待定站点放入站预备删除队列；

步骤103，将所述两个待定站点之一删除，使得删除后的一个剩余待定站点与该剩余待定站点的相邻接收站之间的夹角与最优夹角θ之间的差值的绝对值更小，其中，θ＝2π/K，K表示被选接收站的个数。

具体地，可以先根据公式Q_j＝|θ_j-1-θ|+|θ_j+θ_j+1-θ|及Q_j+1＝|θ_j-1+θ_j-θ|+|θ_j+1-θ|计算两个判决量Q_j和Q_j+1；当所述Q_j≥Q_j+1时，将待定站点j删除，否则将待定站点j+1删除。

例如，如图3所示，圆圈表示接收站，六角星表示监视目标，方框表示待定站点j和j+1。判决量Q_j＝|θ_j-1-θ|+|θ_j+θ_j+1-θ|表示假设删除待定站点j+1后，剩余的夹角θ_j-1及θ_j+θ_j+1分别与最优夹角θ之间的差值的绝对值；判决量Q_j+1＝|θ_j-1+θ_j-θ|+|θ_j+1-θ|表示假设删除待定站点j后，剩余的夹角θ_j-1+θ_j及θ_j+1分别与最优夹角θ之间的差值的绝对值。

其中，有关最优夹角θ将在后续内容进行相关说明。

步骤104，重复上述步骤，直到剩余的夹角的个数为K。

此后，目标处理器可以根据剩余的K个接收站发送的监视报告计算TDOA，从而确定监视目标的精确位置。

以下对最优夹角θ进行说明：

多点定位***的定位精度取决于接收站的几何位置以及到TDOA的测量精度。数学关系为：通常，TDOA的测量误差可以看作是高斯白噪，σ_TDOA表示TDOA的标准差，σ_x表示X轴方向的定位位置误差标准差，σ_y表示Y轴方向的定位位置误差标准差，c表示光速，PDOP表示位置精度因子(Position Dilution of Precision)，

其中，H表示n×3矩阵，该矩阵的每一行表示接收站到监视目标的视距方向单位向量，[·]_2×2表示2×2左上子矩阵，具体地：

H = (\begin{matrix} h_{11} & h_{12} & 1 \\ h_{21} & h_{22} & 1 \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ h_{N 1} & h_{N 2} & 1 \end{matrix}),

h_{i 1} = \frac{x_{a} - x_{i}}{r_{i}},

h_{i 2} = \frac{y_{a} - y_{i}}{r_{i}},

r_{i} = \sqrt{{(x_{a} - x_{i})}^{2} + {(y_{a} - y_{i})}^{2}}

其中，(x_a，y_a)表示监视目标的坐标位置。(x_i，y_i)表示第i个接收站的坐标位置。

根据现有的研究成果，几何精度因子PDOP即可以体现定位精度，其与接收站的个数N的关系为：PDOP_N＝k₁exp(-N/k₂)+k₃，其中，k₁，k₂，k₃为常数，一旦多点定位***中的接收站的位置及监视目标的区域确定，就能确定这些常数。因此，可以根据定位精度要求即PDOP的大小要求确定挑选站点个数。

研究表明，对于一个具有N个接收站的多点定位***，如图4所示，圆圈表示接收站，六角星表示监视目标，当这N个接收站相对于监视目标均匀分布，即两个接收站相对于监视目标的夹角为2π/N时，能够得到最佳的

因此，可以将θ＝2π/N称为最优夹角。

本实施例所述方法能够快速地选出合适数量的接收站，从而在保证定位精度的前提下，减少了参与计算的接收站的数量，因此减少计算量和信息冗余。

以下通过两个仿真实验结果说明本实施例所达到的技术效果。

仿真实验一

如图5所示，随机生成N＝8个接收站点。图中，菱形表示接收站点的坐标位置，虚线表示监视目标的移动轨迹。

图6为N＝8，K＝5时的仿真结果示意图，图7为N＝8，K＝4时的仿真结果示意图。其中，虚线表示当选取全部N个接收站进行多点定位得到的PDOP曲线，直线表示采用PDOP最小原则时进行多点定位得到的PDOP曲线，点划线表示采用本实施例所述方法选取K个接收站进行多点定位得到的PDOP曲线。从图中可以看出，本实施例所述方法基本上能够达到最优的理论效果。

仿真实验二

随机生成N＝8个接收站，假设监视目标位于坐标原点，分别进行多次仿真实验，仿真次数从50次递增到100次，仿真结果如图8所示。

图中的三条曲线从下至上依次表示采用本实施例所述方法进行多点定位得到的PDOP与理想状态下(即PDOP最小选站算法)的差值小于0.05、小于0.1以及小于0.2时所占仿真次数的比例。该仿真结果表明本实施例所述方法具有较好的稳定性。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种多点定位***的接收站选取方法，其特征在于包括：

测量相邻两个接收站相对于监视目标的夹角；

将构成最小夹角的两个接收站选择为两个待定站点。

重复上述步骤，直到剩余的夹角的个数为K。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述测量相邻两个接收站相对于监视目标的夹角包括：

测量每个接收站与监视目标的连线相对于X轴的倾角α_i(α_i∈[0，2π))，i＝1，2，…，N，其中，N表示当前可选的接收站的个数，i表示所述接收站沿顺时针方向的编号；

计算两个相邻倾角之间的夹角θ_i＝α_i+1-α_i(θ_i∈[0，2π))。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于将所述两个待定站点之一删除包括：

根据公式Q_j＝|θ_j-1-θ|+|θ_j+θ_j+1-θ|及Q_j+1＝|θ_j-1+θ_j-θ|+|θ_j+1-θ|计算两个判决量Q_j和Q_j+1；

当所述Q_j≥Q_j+1时，将待定站点j删除，否则将待定站点j+1删除。