CN103874930A

CN103874930A - 用于测量用户终端位置的方法

Info

Publication number: CN103874930A
Application number: CN201280048216.4A
Authority: CN
Inventors: 金荣俊; 高荣采
Original assignee: NEO LAB CONVERGENCE Inc
Current assignee: NEO LAB CONVERGENCE Inc
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2014-06-18
Also published as: WO2013048029A1; EP2753949A4; US20140256352A1; KR101234177B1; EP2753949A1

Abstract

公开一种用户终端的位置测量方法。所述位置测量方法包括：设置用于测量所述用户终端位置的一个或多个锚节点；设置所述用户终端的多个邻近终端之中的这样一种邻近终端为中继终端，其中所述邻近终端获得所述用户终端的视距（LOS）并且具有所述邻近终端的位置信息；并且使用所述一个或多个锚节点和所述中继终端测量所述用户的位置。根据本发明，通过设置用户终端的邻近终端为中继终端并使得中继终端作为锚节点操作从而提高位置测量准确性，通过设置获得LOS的用户终端的邻近终端为中继终端以简化位置测量方法并降低位置测量误差。

Description

用于测量用户终端位置的方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量用户终端位置的方法，并且更具体地涉及一种使用中继终端测量用户终端位置的方法。

背景技术

典型的无线电定位技术包括：使用全球定位***（GPS）的方案；使用电磁波到达时间的到达时间（TOA）方案，其是位置识别原理；使用红外线、超声波、以及无线电频率（RF）的方案；以及使用射频识别（RFID）的方案。

在这些方案中，基于电磁波的TOA的定位技术如下进行位置测量。第一，发射器发射用于传达发射器分发的时间戳的信号。此后，接收器通过将信号接收时间与记录在时间戳上的信号发射时间比较，估计发射器和接收器之间的距离。该TOA方案需要至少三个或者更多用于发射伪随机噪声（PRN）信号的锚节点以估计距离。

每个锚节点生成不同的PRN信号。假设所有的锚节点和终端都知道锚节点生成的PRN信号的类型以及锚节点的位置。使用PRN信号测量的终端和i-th锚节点之间的距离Ri可以通过数学图式1来表示。

[数学式1]

R_i＝C*t_i＝D_i+n_i+e_i(i＝1，2，3，...，N)

其中，C表示光速，Di表示实际距离，ni表示测量误差，以及ei表示当没有获得非视距（LOS）时的非视距误差。

通过建模在距离测量期间产生的各种误差，获得测量误差ni，并且测量误差ni是许多因素的总和。影响测量误差ni的因素包括由不稳定大气状态、接收电路的热噪声、衍射、散射等导致的波形传播速度的变化。假设该测量误差符合高斯分布。

在方程式1中，当没有获得视距时，非视距误差是产生的十分大的非负误差。已经进行广泛的研究以降低非视距误差。

作为降低非视距误差的技术中的一个，N.Levigation在声纳导航，Proc.IEERadar，2000年6月，第147卷，第149页至153页的“二维场景中的最低GDOP(LowestGDOP in2-D scenarios)”公开了一种通过优化非线性目标函数的过程降低误差的方法。然而，该方法在***复杂性方面十分不适用。

另外，尽管尝试使用其它信息降低误差，例如，在“用于NLOS环境的有效几何约束位置估计算法（An Efficient Geometry-Constrained Location EstimationAlgorithm of NLOS Environments）”中已经引出到达角，该方法具有的限制在于锚节点应当具有多个天线。

同时，位置测量需要至少三个以上描述的锚节点。距离测量误差对位置估计误差的几何影响（在下文中，称为GDOP（几何精度稀释因子））随着为定位***中锚节点的数量增加而减小。这是因为用于获得LOS的锚节点的数量随着锚节点的数量的增加而增加，并因此获得LOS的概率增加。结果，随着***中锚节点的数量增加，位置测量准确性增加。

然而，锚节点消耗大量安装成本，因为其是诸如为卫星或者蜂窝基站的装置。另外，锚节点不利于之处在于不能灵活处理变化的需求。

发明内容

技术问题

旨在为解决问题的本发明的一个目的在于通过设置用户终端的邻近终端为中继终端并使得中继终端作为锚节点操作从而提高位置测量准确性。

旨在为解决问题的本发明的另一个目的在于通过将获得LOS的用户终端的邻近终端设置为中继终端，简化位置测量方法并降低位置测量误差。

本发明的目的并不限于以上所具体描述的内容，以及从下文将描述的本发明的实施例本发明的其它目的和优点将更清楚地理解。另外，容易地理解的是：本发明的目的和其它优点可通过权利要求书中描述的装置以及其组合实现。

解决问题的方案

本发明的目的可通过提供用于测量用户终端位置的方法实现，方法包括：设置用于测量用户终端的位置的一个或多个锚节点，设置这样一种邻近终端为中继终端，其中，该邻近终端获得用于用户终端的视距（LOS）并且包括其在用户终端的邻近终端之间的位置信息，并且使用一个或多个锚节点以及一个或多个中继终端测量用户终端的位置。

发明的有益效果

根据本发明，通过设置用户终端的邻近终端为中继终端并使得中继终端作为锚节点来操作，可提高位置测量的准确性。

另外，通过将获得LOS的用户终端的邻近终端设置为中继终端可简化位置测量方法并且可降低位置测量误差。

附图说明

说明书以及为了提供对本发明、本发明示出的实施例的进一步的理解而包括的附图用于进一步解释本发明的原理。

图中：

图1是示出了根据本发明的一个示例性实施例的***环境的图。

图2是示出了根据本发明的一个示例性实施例的用户终端的位置测量设备的配置的图。

图3是说明根据本发明的一个示例性实施例的用户终端的位置测量方法的整体流程的流程图。

图4是更详细说明根据本发明的一个示例性实施例的用户终端的位置测量方法的流程图。

图5是将根据现有技术的GDOP与根据本发明的一个示例性实施例的位置测量方法的GDOP进行比较的图。

图6是示出了根据本发明的一个示例性实施例的位置测量方法的置信的估计量的减小效果的图。

图7是示出了通过根据本发明的一个示例性实施例的位置测量方法的最大距离误差的减小效果的图。

具体实施方式

结合附图由下文的详细描述将更清楚地理解本发明的以上和其它目标、特征和优点，并且本领域这些技术人员将更容易地能够实现本发明的技术精神。在本发明的描述中，当确定与本发明相关的已知技术的详细描述可掩盖本发明的要点时，将省略其详细描述。现在将详细参考本发明的优选实施例，在附图中示出本发明的实例。相同的附图标记用于指代相同的部件。

图1是示出了根据本发明的一个示例性实施例的***环境的图。

三角测量可用于位置确定。在根据本发明的一个示例性实施例的***环境中，不但将被要测量的用户终端500和三个或更多的锚节点50而且用户终端100的被设置为中继终端的邻近终端150被用于位置确定。

如先前所提及的，尽管随着***中锚节点数量增加，显然保证更好的位置测量性，但是可能实际难以增加锚节点。通过将中继方案应用于位置估计方案，本发明以低成本可得到有效性能改进。中继方案是指使用中继节点而不是另外设置基站以执行合作通信的方案，并且在蜂窝通信中建议中继方案以增加小区覆盖范围，降低阴影区域并且获得分集增益。

在本发明的***环境中假设多个用户终端出现在给定空间里并且每个用户终端能作为中继节点来操作。在此说明书中，作为中继节点来操作的用户终端被称为中继终端。

在下文中，将参考图2至图4描述根据本发明的一个示例性实施例的用于测量用户终端位置的设备和方法。

参考图2，根据本发明的一个示例性实施例的用户终端的位置测量设备200可包括锚节点设置单元210、中继终端设置单元230以及位置测量单元250。中继终端设置单元230可包括GDOP计算器233以及设置单元237，并且位置测量单元250可包括接收器253和测量单元257。

锚节点设置单元210设置用于测量用户终端位置的锚节点。在锚节点设置程序期间，锚节点设置单元210可仅收集关于获得LOS的锚节点的信息。在此情况中，锚节点的数量应当至少是三个或者更多，并且可停止位置测量直到关于至少三个锚节点的信息被收集为止。收集关于获得LOS的锚节点的信息的原因是为了简化位置测量过程并且降低由于不保证LOS导致的非视距误差。

中继终端设置单元230设置用户终端的多个邻近终端之中的这样一种邻近终端为中继终端，其中，该邻近终端获得用户终端的LOS并具有其位置信息。在设置中继终端时，将获得LOS的终端设置为中继终端的原因在于设置保证LOS的终端为中继终端具有增加参与位置测量过程的LOS保证锚节点的平均数量的效果。尽管满足以上条件的邻近终端可设置为中继终端，但是中继终端可使用后续将描述的邻近终端的几何精度稀释因子（GDOP）来设置。中继终端可以是具有与锚节点同步的时间信息的终端。此外，通过发射PRN信号中继终端可作为锚节点来操作。在本发明的另一个方面，中继终端设置单元230可设置多个中继终端。

包括在中继终端设置单元230中的GDOP计算器233计算这样一种邻近终端的GDOP，该邻近终端获得用户终端的LOS并具有其位置信息。设置单元237可设置具有最低GDOP的邻近终端为中继终端，另外，设置单元237可设置一个或多个具有低GDOP值的邻近终端为一个或多个中继终端。

GDOP是指示距离测量误差对位置估计误差的几何影响的指数。距离测量误差对位置估计误差的几何影响可根据锚节点的设置而不同。换句话说，估计位置待测量置的终端以具体的或更大的概率值出现在给定区域中，并且位置估计误差可根据锚节点的几何设置而不同。

如果几何上良好地设置锚节点，则GDOP具有较低的值并且在相同距离测量误差情形下可具有较低的位置估计误差。也就是，位置测量准确性可随着锚节点的GDOP值变得更低而升高。

GDOP值给出为：

数学图式2

[数学式2]

G = \sqrt{trace {{(H^{T} H)}^{- 1}}}

其中

H = [\begin{matrix} \frac{x - x_{1}}{D_{1}} & \frac{y - y_{1}}{D_{1}} & \frac{z - z_{1}}{D_{1}} \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ \frac{{x - x}_{i}}{D_{i}} & \frac{y - y_{i}}{D_{i}} & \frac{z - z_{i}}{D_{i}} \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ \frac{x - x_{N}}{D_{N}} & \frac{y - y_{N}}{D_{N}} & \frac{z - z_{N}}{D_{N}} \end{matrix}]

（X,Y,Z）表示将测量的用户终端的位置，并且（xi,yi,zi）（其中，i=1,2,3,…N）表示锚节点的位置。

在具有相同距离测量误差的环境中，随着GDOP值减小，位置估计误差变得更小，并且当N∈3时GDOP的最小值是

因此，如果具有最低GDOP值的邻近终端被设置为中继终端，由于距离测量误差对位置估计误差的几何影响可被最小化，因此可在GDOP方面保证最优性能。

位置测量单元250使用锚节点和中继终端测量用户终端的位置。由于如上描述的，中继终端作为锚节点来操作，使用中继终端产生就像锚节点实际增加一样的效果。另外，位置测量单元250能够使用一个或多个锚节点以及一个或多个中继终端测量用户终端的位置。

更具体地，包括在位置测量单元250中的位置接收器253接收来自锚节点和中继终端的用于用户终端的TOA信息。测量单元257使用由接收器253接收的TOA信息测量用户终端的位置。使用TOA方案的位置测量是公知的并且因而省略其详细描述。

图3是说明根据本发明的示例性实施例的用户终端的位置测量方法的完整流程的流程图。

在图3中所描述的步骤可通过使用图2的设备执行。

参考图3，设置用于测量用户终端的位置的锚节点（步骤310）。

在此情况中，锚节点可以是获得用于用户终端的LOS的锚节点。接下来，将这样一种邻近终端设置为中继终端（步骤330），其中该邻近终端获得用户终端的LOS并且具有其在用户终端的多个邻近终端之中位置信息。

为了作为锚节点来操作，中继终端可包含与锚节点同步的时间信息。另外，中继终端可像锚节点一样发送PRN信号。此后，使用锚节点和中继终端测量用户终端的位置（步骤350）。

在此情况中，中继终端可设置在给定区域内的任意位置或者可设置在预定位置。结果，根据本发明的位置测量方法具有通过将邻近终端设置为中继终端来使用多个锚节点测量用户终端的位置的效果。

在步骤S350中，当一个或多个邻近用户终端被设置为一个或多个中继终端时，用户终端的位置可使用锚节点和一个或多个中继终端测量。

图4是根据本发明的一个示例性实施例的更详细地说明用户终端的位置测量方法的流程图。

图4中所描述的步骤可通过使用图2的设备执行。

参考图4，设置用于测量用户终端位置的锚节点（步骤410）。

接下来，计算获得用户终端的LOS以及其位置信息的邻近终端GDOP值（步骤430）。

该计算导致具有最低GDOP值的邻近终端设置为中继终端（步骤450）。

在步骤450中，为了作为锚节点来操作，中继终端可具有与锚节点同步的时间信息。另外，中继终端可像锚节点一样发射PRN信号。

下文中，从被设置的锚节点和中继终端接收用户终端的TOA信息（步骤470），并且使用TOA信息测量用户终端的位置（步骤S490）。

因此，使用锚节点和具有最佳GDOP性能和更高准确性的中继终端来估计用户终端的位置。

图5是将根据现有技术的GDOP和根据本发明的示例性实施例的位置测量方法的GDOP比较的图。

参考图5，使用中继终端之前的平均GDOP值是1.6717，然而当随机设置中继终端时，GDOP值是1.4651，GDOP值降低了12.35%，并且当将具有最小GDOP的邻近终端设置为中继终端时，GDOP是1.3129，GDOP值降低了42.46%。也就是说，当使用根据本发明的示例性实施例的位置测量方法时，通过极大地降低GDOP得到高性能增益。

图6是示出根据本发明的一个示例性实施例的由位置测量方法的估计置信量的减小效果的图。

图6示出了在不使用中继终端，随机设置中继终端，以及将具有最小GDOP值的邻近终端设置为中继终端的情况中，用户终端以指定的概率出现在一个区域中的置信量。

参考图6，与不使用中继终端的情况比较，估计用户终端会以84.13%的概率出现在一个区域的置信量在随机设置中继终端时减小18.48%，并且在具有最小GDOP值的邻近终端被设置为中继终端时减小29.15%。

与不使用中继终端的情况比较，估计用户终端会以97.72%的概率出现在一个区域的置信量在随机设置中继终端时减小15.38%，并且在具有最小GDOP值的邻近终端被设置为中继终端时减小26.49%。

与不使用中继终端的情况比较，估计用户终端会以99.01%的概率出现在一个区域的置信量在随机设置中继终端时减小16.98%，并且在具有最小GDOP值的邻近终端被设置为中继终端时减小27.64%。

根据以上仿真结果，由于当具有最小GDOP值的邻近终端被设置为中继终端时，估计用户终端存在于一个区域中的置信量减小，因此，位置测量的准确性进一步降低。

图7示出了在用户终端被估计为以X轴表示的概率在规定区域内定位的情形中用户终端的估计位置和实际位置之间的最大距离。

参考图7，与不使用中继终端的情况相比，当以84.13%的概率估计用户终端的位置时，在随机设置中继终端时最大距离误差减小54.22%，并且在邻近终端被设置为中继终端时最大距离误差减小64.23%。

与不使用中继终端的情形相比，当以97.72%的概率估计用户终端的位置时，在中继终端随机设置时最大距离误差减小45.19%，在将邻近终端设置为中继终端时最大距离误差减小56.48%。

与不使用中继终端的情形相比，当以99.01%的概率估计用户终端的位置时，在中继终端随机设置时最大距离误差减小37.81%，在将邻近终端设置为中继终端时最大距离误差减小51.28%。

如以上仿真结果中所示出的，可以确定与不使用中继终端的情况相比较，当将具有最小GDOP值的邻近终端设置为中继终端时，根据几何设置，位置估计误差可明显地降低。

尽管在不考虑LOS的环境中，与锚节点增加相比，增加中继终端不产生巨大影响，但是在考虑LOS的环境中，增加中继终端产生与增加锚节点相似的效果。

另外，由于与根据各种情形可以或不可以获得LOS的锚节点相比，中继终端可以通过大量任意终端获得LOS，所以在考虑LOS的情形中通过增加中继终端可获得性能改善增益。

进一步地，就GDOP而言设置考虑GDOP的中继终端比设置锚节点更有利。在以前设计锚节点的情况中，尽管其可平均地具有最低的GDOP值，但是锚节点并不总是具有低的值。另一方面，如果具有最小GDOP值的邻近终端被设置为中继终端，则极有可能通过选择在给定情形中具有最低GDOP值的邻近终端来使用具有较低GDOP值的中继终端。另外，随着候选中继终端的数量增加，GDOP接近最低值。

对本领域的那些技术人员而言显然可在本发明中做各种改进和变形而不偏离本发明的精神和范围。因此，只有本发明的各种改进和变形在所附权利要求书及其等同物的范围内，那么本发明就意图覆盖该各种改进和变形。

Claims

1.一种测量用户终端的位置的方法，所述方法包括；

设置用于测量所述用户终端的位置的一个或多个锚节点；

设置所述用户终端的多个邻近终端之中的这样一种邻近终端为中继终端，其中，该邻近终端获得所述用户终端的视距（LOS）并且具有该邻近终端的位置信息；并且

使用所述一个或多个锚节点和所述中继终端测量所述用户终端的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，设置邻近终端为中继终端的步骤包括：

计算获得所述用户终端的所述LOS并具有其位置信息的邻近终端的几何精度稀释因子（GDOP）值；以及

设置具有最低GDOP值的邻近终端为所述中继终端。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，测量所述用户终端的位置的步骤包括；

从所述一个或多个锚节点和所述中继终端接收所述用户终端的到达时间（TOA）信息；以及

使用TOA信息测量所述用户终端的位置。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述中继终端具有与所述锚节点同步的时间信息。