CN106535124A - 一种在nlos环境下的基于toa的无线网络定位方法 - Google Patents

一种在nlos环境下的基于toa的无线网络定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于无线数字传输领域，提供了一种在NLOS环境下的基于TOA的无线网络定位方法，该在NLOS环境下的基于TOA的三维无线网络定位方法包括如下步骤：S1.获取半径最小的定位球；S2.判断其他定位球中是否存在与所述最小半径定位球相离的定位球，当判断结果为否时，则执行步骤S3；S3.计算最小半径定位球与剩余定位球交集区域内位置点的平均误差；S4.获取最小平均误差最对应的位置点，即为移动终端所在位置点。这种定位方法无需获取任何先验信息，且定位计算过程相对简单，因而定位速度快，此外，这种定位方法环境适应性好，可以在各种复杂环境中准确定位。

Description

一种在NLOS环境下的基于TOA的无线网络定位方法
技术领域
本发明属于无线数字传输领域，尤其涉及一种在NLOS环境下的基于TOA的无线网络定位方法。
背景技术
无线定位技术在军事及民用上带来了巨大的便利，全球卫星定位***可以实现全球范围内的定位，但像森林、楼区、地下停车场等卫星信号难以到达的地方，卫星定位***定位精度不高，甚至难以定位；此外，卫星定位***接收设备的高昂价格也是大多普通民用用户难以接受的。
近几年，地面的无线网络技术的飞速发展，比较典型的有基于TOA(time ofarrival，信号到达时间)地面无线网络定位技术，基于TOA的无线定位技术中，基站测量移动设备从发射信号到接收信号的时间差，基站与移动设备之间的距离可以直接的用该时间差乘以电磁波速度得到，移动设备即在以基站为球心/圆心，基站与移动设备之间的距离为半径的球面/圆周上，如果有多个这样的定位球/定位圆，则移动设备即在多个定位球/定位圆交点处。但是，在地面无线网络中，由于存在电磁波的NLOS(non-line-of-sight，非视距)传播，测量时间差的时钟偏移等误差，导致定位不精准，而NLOS是基于TOA定位的主要误差来源。所以，学者们提出了很多关于消除NLOS误差的方法。比如最大似然法，最小二乘法，以及约束定位法等。但是，这些方法都需要下面的至少一个参数：
1)已知NLOS的统计概率分布；
2)已知NLOS的可能路径。
而在实际应用中，上述方法的计算量都很大，因而限制了其定位速度，此外，上述两个参数在复杂的环境中都很难获取，可能出现无法定位的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种在NLOS环境下的基于TOA的无线网络定位方法，旨在解决现有在NLOS环境下的基于TOA的无线网络定位方法都需要考虑NLOS的统计概率分布和/或NLOS的可能路径，这些定位方法计算量大，导致定位速度慢，此外，两个参数在复杂的环境中都很难获取，出现无法定位的问题。
本发明是这样实现的，一种在NLOS环境下的基于TOA的三维无线网络定位方法，所述方法包括如下步骤：
S1.获取半径最小的定位球；
S2.判断其他定位球中是否存在与所述最小半径定位球相离的定位球，当判断结果为否时，则执行步骤S3；
S3.计算最小半径定位球与剩余定位球交集区域内位置点的平均误差；
S4.获取最小平均误差最对应的位置点，即为移动终端所在位置点。
本发明还提供了另一种实施例，一种在NLOS环境下的基于TOA的二维无线网络定位方法，所述方法包括如下步骤：
S110.获取半径最小的定位圆；
S120.判断其他定位圆中是否存在与所述最小半径定位圆相离的定位圆，当判断结果为否时，则执行步骤S130；
S130.计算最小半径定位圆与剩余定位圆交集区域内位置点的平均误差；
S140.获取最小平均误差最对应的位置点，即为移动终端所在位置点。
本发明实施例中，移动终端位于最小半径定位球与其他定位球的交集区域内，获取交集区域内位置点的平均误差，平均误差最小的位置点确定为移动终端所在点，通过这种定位方法无需获取任何先验信息，且定位计算过程相对简单，因而定位速度快，此外，此定位方法环境适应性好，可以在各种复杂环境中准确定位。
附图说明
图1是本发明实施例提供的在NLOS环境下的基于TOA的三维无线网络定位方法流程图；
图2是本发明实施例提供的在NLOS环境下的基于TOA的二维无线网络定位方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，移动终端位于最小半径定位球与其他定位球的交集区域内，获取交集区域内位置点的平均误差，平均误差最小的位置点确定为移动终端所在点，通过这种定位方法无需获取任何先验信息，且定位计算过程相对简单，因而定位速度快，此外，此定位方法环境适应性好，可以在各种复杂环境中准确定位。
图1为本发明适合实施例提供的在NLOS环境下的基于TOA的三维无线网络定位方法的流程图，该方法包括如下步骤：
步骤S1，获取半径最小的定位球；
在本发明实施例中，定位球是指以基站为球心，以移动设备到基站的伪距离为半径形成的球，伪距离是指移动设备从发射信号到接收信号的时间差(TOA)与电磁波速度的乘积。
由于移动设备终端所在地的周边可能存在多个基站，所以可以建立多个定位球，从该多个定位球中获取半径最小的定位球。
步骤S2，判断其他定位球中是否存与所述半径最小的定位球相离的定位球，若判断结果否，则执行步骤S3；
在本发明实施例中，两定位球之间的位置关系位为内含、相切(内切及外切)、相交或相离，在实际环境中，由于信号在传播过程中可能被遮挡物反射，存在接收信号迟延的现象，因此，定位球的伪距(即半径)大于移动终端到基站的实际距离，移动终端通常位于定位球内，而两定位球的位置关系一般为相交、包含、或相切。
步骤S3，计算最小半径定位球与其他定位球交集区域内位置点的平均误差；
在本发明实施例中，位置点是指在三维空间即x、y、z轴方向每隔一段距离s设置一个点，移动终端的位置就在其中设置的某个位置点或者是靠近某个位置点；因此，距离s的越小，空间内的位置点越多，移动终端的位置在其中某个位置点的可能性越大，或者无限靠近某个位置点，但是，在获取移动终端位置点过程中的计算量也会增大，距离s的大小要综合两个因素来确定。
步骤S4，获取最小平均误差最对应的位置点，即为移动终端所在位置点。
在本发明实施例中，对最小半径定位球与其他定位球交集区域内位置点计算平均误差，最小平均误差对应的位置点即为移动终端所在位置点，平均误差可以是平均相对误差、平均绝对误差、平均均方误差等，本发明可以采用而不限于所列举的误差方法。
本发明实施例中，移动终端位于最小半径定位球与其他定位球的交集区域内，获取交集区域内位置点的平均误差，平均误差最小的位置点确定为移动终端所在点，通过这种定位方法无需获取任何先验信息，且定位计算过程相对简单，因而定位速度快，此外，此定位方法环境适应性好，可以在各种复杂环境中准确定位。
作为本发明的其他实施例，当其他定位球中存在与该最小半径定位球相离的定位球时，执行如下步骤：
S5.检测最小半径定位球是否与其他定位球相离；
在本发明实施例中，在实际环境中，几乎不会出现两定位球相离的情况，只有当基站的时钟出现偏差时，可能导致定位球的半径小于移动终端到基站的距离，因而与其他定位球出现相离的情况。
S6.若检测结果为是，则丢弃半径最小的定位球，执行步骤S1，检测结果为否，则丢弃与所述最小半径定位球相离的定位球，执行步骤S3；
当其他定位球中存在与最小半径定位球相离的定位球，需要判断是哪个定位球的半径小于移动终端到基站的距离，若最小半径定位球与其他定位球都不相离，则说明是与最小半径定位球相离的定位球的半径小于移动终端到基站的距离，若最小半径定位球与其他定位球都相离时，则说明最小半径定位球的定位球的半径小于移动终端到基站的距离，由于移动终端的位置不在定位球半径小于移动终端到基站的距离的定位球内，因而这样的定位球是需要丢弃的。
在本发明实施例中，判断其他定位球中是否存与所述半径最小的定位球相离的定位球具体包括如下步骤：
S21.计算所述最小半径的定位球球心到其他定位球球心的距离；
在本发明实施例中，设定半径最小的定位球Bmin的球心为(xmin、ymin、zmin)，半径最小的定位球Bmin的半径为Rmin，半径最小的定位球Bmin的球心到其他定位球Bi球心的距离其中i＝1、2、3…t，t为参与定位的定位球总数目。
S22.判断是否存在所述最小半径的定位球球心到其他定位球球心的距离大于两者的半径之和。
在本发明实施例中，即比较Ri+Rmin与dR的大小，当dR＞Ri+Rmin时，定位球Bi与定位球Bmin相离，反之，定位球Bi与定位球Bmin不相离。
在本发明实施例中，步骤S3包括如下步骤：
步骤S31，对最小半径定位球划分位置点；
在本发明实施例中，对最小半径定位球的空间进行分割，每个分割点都有可能是移动终端所在位置点，设定位置点的坐标集合为P＝{(xk、yk、zk)}，其中，
xk＝xmin-Rmin,xmin-Rmin+s,xmin-Rmin+2·s,…,xmin+Rmin
yk＝ymin-Rmin,ymin-Rmin+s,ymin-Rmin+2·s,…,ymin+Rmin
zk＝zmin-Rmin,zmin-Rmin+s,zmin-Rmin+2·s,…,zmin+Rmin；
其中，s为空间分辨率。
步骤S32，保留最小半径定位球与其他定位球的交集区域内的位置点；
在本发明实施例中，步骤S32具体包括如下步骤：
步骤S321，计算最小半径定位球内位置点到其他定位球球心的距离；
在本发明实施例中，P中各个位置点到各个剩余定位球的距离为而
步骤S322，判断位置点到其他定位球球心的距离是否都小于等于对应定位球的半径，若判断结果为是，则保留该位置点，若判断结果为否，则丢弃该位置点。
在本发明实施例中，若则将该位置点放入集合M，否则，则丢弃该位置点。
步骤S33，计算该交集区域内位置点的平均误差。
在本发明实施例中，以平均相对误差为例进行说明，平均相对误差E的计算公式为：
其中，(xi,yi,zi)∈M，m是集合M中位置点的总数目，(xα,yα,zα)是集合M中的某个位置点，即(xα,yα,zα)∈M，而α＝1、2、3...m。
在本发明实施例中，对最小半径定位球的空间进行分割，有最小半径定位球的空间最小，因而能容纳的位置点也是最少，从最小半径定位球空间容纳的定位点来筛选出交集区域内的位置点，相对于从其他定位球空间容纳的定位点来筛选出交集区域内的位置点而言，计算量相对减少，可以提高定位速度。
作为本发明的另一实施例，在步骤S1之前还包括：
步骤S7，将定位球按半径从小到大依次排列。
作为本发明的其他实施例，在步骤S7之前还包括：
步骤S8，获取基站的位置；
在本发明实施例中，获取基站的位置坐标，设假设第i个基站的坐标为(xi、yi、zi)。
步骤S9，计算所述基站到移动终端的伪距；
在本发明实施例中，第i个基站测得的移动设备从发出信号到接收信号的时间差(TOA值)为Toai，则基站到移动终端的伪距伪s＝Toai×c，其中是电磁波速度c＝3×108m/s。
步骤S10，以基站位置为球心，基站到移动终端的伪距为半径，建立定位球；
在本发明实施例中，以基站的坐标为(xi、yi、zi)球心，以Ri＝Toai×c为半径，建立定位球。
图2为本发明适合实施例提供的在NLOS环境下的基于TOA的二维无线网络定位方法的流程图，该方法包括如下步骤：
步骤S110，获取半径最小的定位圆；
在本发明实施例中，定位圆是指以基站为圆心，以移动设备到基站的伪距离为半径形成的圆，伪距离是指移动设备从发射信号到接收信号的时间差(TOA)与电磁波速度的乘积。
由于移动设备终端所在地的周边可能存在多个基站，所以可以建立多个定位圆，从该多个定位圆中获取半径最小的定位圆。
步骤S120，判断其他定位圆中是否存与所述半径最小的定位圆相离的定位圆，若判断结果否，则执行步骤S130；
在本发明实施例中，两定位圆之间的位置关系位为内含、相切(内切及外切)、相交或相离，在实际环境中，由于信号在传播过程中可能被遮挡物反射，存在接收信号迟延的现象，因此，定位圆的伪距(即半径)大于移动终端到基站的实际距离，移动终端通常位于定位圆内，而两定位圆的位置关系一般为相交、包含、或相切。
步骤S130，计算最小半径定位圆与其他定位圆交集区域内位置点的平均误差；
在本发明实施例中，位置点是指在二维空间即x、y轴方向每隔一段距离s设置一个点，移动终端的位置就在其中设置的某个位置点或者是靠近某个位置点；因此，距离s的越小，圆内的位置点越多，移动终端的位置在其中某个位置点的可能性越大，或者无限靠近某个位置点，但是，在获取移动终端位置点过程中的计算量也会增大，距离s的大小要综合两个因素来确定。
步骤S140，获取最小平均误差最对应的位置点，即为移动终端所在位置点。
在本发明实施例中，对最小半径定位圆与其他定位圆交集区域内位置点计算平均误差，最小平均误差对应的位置点即为移动终端所在位置点，平均误差可以是平均相对误差、平均绝对误差、平均均方误差等，本发明可以采用而不限于所列举的误差方法。
本发明实施例中，移动终端位于最小半径定位圆与其他定位圆的交集区域内，获取交集区域内位置点的平均误差，平均误差最小的位置点确定为移动终端所在点，通过这种定位方法无需获取任何先验信息，且定位计算过程相对简单，因而定位速度快，此外，此定位方法环境适应性好，可以在各种复杂环境中准确定位。
作为本发明的其他实施例，当其他定位圆中存在与该最小半径定位圆相离的定位圆时，执行如下步骤：
S150.检测最小半径定位圆是否与其他定位圆相离；
在本发明实施例中，在实际环境中，几乎不会出现两定位圆相离的情况，只有当基站的时钟出现偏差时，可能导致定位圆的半径小于移动终端到基站的距离，因而与其他定位圆出现相离的情况。
S160.若检测结果为是，则丢弃半径最小的定位圆，执行步骤S110，检测结果为否，则丢弃与所述最小半径定位圆相离的定位圆，执行步骤S130；
当其他定位圆中存在与最小半径定位圆相离的定位圆时，需要判断是哪个定位圆的半径小于移动终端到基站的距离，若最小半径定位圆与其他定位圆都不相离，则说明是与最小半径定位圆相离的定位圆的半径小于移动终端到基站的距离，若最小半径定位圆与其他定位圆都相离时，则说明最小半径定位圆的定位圆的半径小于移动终端到基站的距离，由于移动终端的位置不在定位圆半径小于移动终端到基站的距离的定位圆内，因而这样的定位圆是需要丢弃的。
在本发明实施例中，判断其他定位圆中是否存与所述半径最小的定位圆相离的定位圆具体包括如下步骤：
S121.计算所述最小半径的定位圆圆心到其他定位圆圆心的距离；
在本发明实施例中，设定半径最小的定位圆Amin的圆心为(xmin、ymin)，半径最小的定位圆Amin的半径为rmin，半径最小的定位圆Amin的圆心到其他定位圆Ai圆心的距离其中i＝1、2、3…t，t为参与定位的定位圆总数目。
S122.判断是否存在所述最小半径的定位圆圆心到其他定位圆圆心的距离大于两者的半径之和。
在本发明实施例中，即比较ri+rmin与dr的大小，当dr＞ri+rmin时，定位圆Ai与定位圆Amin相离，反之，定位圆Ai与定位圆Amin不相离。
在本发明实施例中，步骤S130包括如下步骤：
步骤S131，对最小半径定位圆划分位置点；
在本发明实施例中，对最小半径定位圆的空间进行分割，每个分割点都有可能是移动终端所在位置点，设定位置点的坐标集合为P＝{(xk、yk)}，其中，
xk＝xmin-rmin,xmin-rmin+s,xmin-rmin+2s,…,xmin+rmin，
yk＝ymin-rmin,ymin-rmin+s,ymin-rmin+2s,…,ymin+rmin；
其中，s为空间分辨率。
步骤S132，保留最小半径定位圆与其他定位圆的交集区域内的位置点；
在本发明实施例中，步骤S132具体包括如下步骤：
步骤S1321，计算最小半径定位圆内位置点到其他定位圆圆心的距离；
在本发明实施例中，P中各个位置点到各个剩余定位圆圆心的距离为而
步骤S1322，判断位置点到其他定位圆圆心的距离是否都小于等于对应定位圆的半径，若判断结果为是，则保留该位置点，若判断结果为否，则丢弃该位置点。
在本发明实施例中，若则将该位置点放入集合M，否则，则丢弃该位置点。
步骤S133，计算该交集区域内位置点的平均误差。
在本发明实施例中，以平均相对误差为例进行说明，平均相对误差E的计算公式为：
其中，(xi,yi)∈M，m是集合M中位置点的总数目，(xα,yα)是集合M中的某个位置点，即(xα,yα)∈M，而α＝1、2、3…m。
在本发明实施例中，对最小半径定位圆的空间进行分割，有最小半径定位圆的空间最小，因而能容纳的位置点也是最少，从最小半径定位圆空间容纳的定位点来筛选出交集区域内的位置点，相对于从其他定位圆空间容纳的定位点来筛选出交集区域内的位置点而言，计算量相对减少，可以提高定位速度。
作为本发明的另一实施例，在步骤S110之前还包括：
步骤S111，将定位圆按半径从小到大依次排列。
作为本发明的其他实施例，在步骤S111之前还包括：
步骤S112，获取基站的位置；
在本发明实施例中，获取基站的位置坐标，设假设第i个基站的坐标为(xi、yi)。
步骤S113，计算所述基站到移动终端的伪距；
在本发明实施例中，第i个基站测得的移动设备从发出信号到接收信号的时间差(TOA值)为Toai，则基站到移动终端的伪距伪s＝Toai×c，其中是电磁波速度c＝3×108m/s。
步骤S114，以基站位置为圆心，基站到移动终端的伪距离为半径，建立定位圆；
在本发明实施例中，以基站的坐标为(xi、yi)圆心，以Ri＝Toai×c为半径，建立定位圆。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在NLOS环境下的基于TOA的三维无线网络定位方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1.获取半径最小的定位球；
S2.判断其他定位球中是否存在与所述最小半径定位球相离的定位球，当判断结果为否时，则执行步骤S3；
S3.计算最小半径定位球与剩余定位球交集区域内位置点的平均误差；
S4.获取最小平均误差最对应的位置点，即为移动终端所在位置点。
2.如权利要求1所述的在NLOS环境下的基于TOA的三维无线网络定位方法，其特征在于，所述方法还包括：
S5.当判断结果为是时，检测最小半径定位球是否与其他定位球相离；
S6.若检测结果为是，则丢弃所述半径最小的定位球，执行步骤S1，检测结果为否，则丢弃与所述最小半径定位球相离的定位球，执行步骤S3。
3.如权利要求1或2所述的在NLOS环境下的基于TOA的三维无线网络定位方法，其特征在于，所述判断其他定位球中是否存与所述最小半径定位球相离的定位球具体步骤包括：
S21.计算所述最小半径定位球球心到所述其他定位球球心的距离；
S22.判断是否存在所述最小半径的定位球球心到所述其他定位球球心的距离大于两者的半径之和。
4.如权利要求1或2所述在NLOS环境下的基于TOA的三维无线网络定位方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S31.对所述最小半径定位球划分位置点；
S32.保留所述最小半径定位球与所述其他定位球的交集区域内的位置点；
S33.计算所述交集区域内位置点的平均误差。
5.如权利要求4所述在NLOS环境下的基于TOA的三维无线网络定位方法，其特征在于，所述步骤S32具体包括：
S321.计算所述最小半径定位球内位置点到所述其他定位球球心的距离；
S322.判断所述最小半径定位球内位置点到其他定位球球心的距离是否都小于等于对应定位球的半径，若判断结果为是，则保留所述位置点，若判断结果为否，则丢弃所述位置点。
6.如权利要求1或2所述在NLOS环境下的基于TOA的三维无线网络定位方法，其特征在于，所述平均误差为平均相对误差、平均绝对误差或平均均方误差。
7.一种在NLOS环境下的基于TOA的二维无线网络定位方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S110.获取半径最小的定位圆；
S120.判断其他定位圆中是否存在与所述最小半径定位圆相离的定位圆，当判断结果为否时，则执行步骤S130；
S130.计算最小半径定位圆与剩余定位圆交集区域内位置点的平均误差；
S140.获取最小平均误差最对应的位置点，即为移动终端所在位置点。
8.如权利要求7所述的在NLOS环境下的基于TOA的二维无线网络定位方法，其特征在于，所述方法还包括：
S150.当若判断结果为是时，检测最小半径定位圆是否与其他定位圆相离；
S160.若检测结果为是，则丢弃所述半径最小的定位圆，执行步骤S110，检测结果为否，则丢弃与所述最小半径定位圆相离的定位圆，执行步骤S130。
9.如权利要求7或8所述在NLOS环境下的基于TOA的二维无线网络定位方法，其特征在于，所述步骤S130具体包括：
S131.对所述最小半径定位圆划分位置点；
S132.保留所述最小半径定位圆与所述其他定位圆的交集区域内的位置点；
S133.计算所述交集区域内位置点的平均误差。
10.如权利要求9所述在NLOS环境下的基于TOA的二维无线网络定位方法，其特征在于，所述步骤S132具体包括：
S1321.计算所述最小半径定位圆内位置点到所述其他定位圆圆心的距离；
S1322.判断所述最小半径定位圆内位置点到其他定位圆圆心的距离是否都小于等于对应定位圆的半径，若判断结果为是，则保留所述位置点，若判断结果为否，则丢弃所述位置点。
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