CN107229045A - 一种基于toa通信距离估计的不确定性分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于TOA通信距离估计的不确定性分析方法，涉及基于TOA无线通信距离估计过程中的不确定性分析。本发明是为了有效解决基于TOA通信距离估计过程中的不确定性敏感性分析和传播问题。本发明所述的一种基于TOA通信距离估计的不确定性分析方法，首先测量基于TOA通信距离估计中传输时间测量的不确定性；然后采用偏微分的方法获得不确定性因素的敏感因子，从而评估传输时间测量不确定度对距离估计结果的影响程度，为改善通信距离估计精度方法提供支持；最后计算传输时间测量的不确定度传播到距离估计结果的影响，并以此来评估通信距离估计的质量，也为后续处理方法提供质量评估参考。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信距离估计和定位技术。
背景技术
实际无线通信环境中，由于噪声、环境和测量误差等不良因素的影响，引起各通信距离估计结果具有不同程度的误差，导致基于TOA通信距离估计结果具有很强的不确定性，给通信距离估计精度提高的途径和方法，以及通信距离值在定位计算等后续应用处理方法提出了挑战。本发明针对上述问题，对基于TOA通信距离估计过程中引起不确定性的因素进行敏感性分析，分析出导致不确定性的主要因素及机理，为改善距离估计精度方法提供指导。
发明内容
本发明的目的是为了解决基于TOA通信距离估计过程中的不确定性敏感性分析和传播问题，提供一种基于TOA通信距离估计的不确定性分析方法。
本发明所述的一种基于TOA通信距离估计的不确定性分析方法包括以下步骤：
步骤一、***中有2个无线传感器节点，分别为无线通信发送节点和无线通信接收节点，它们都具有nanoLoc无线射频收发器，采用双边对等方法测量发送节点和接收节点之间无线通信时信号传输的时间t，并乘以无线信号在空气中的传输速度V，得到两个无线传感器节点之间的通信距离估计值D，如公式(1)所示：
D＝Vt (1)
其中，D为发送节点到接收节点之间的距离估计值，t表示接收节点与发送节点间距离为D时，发送节点和接收节点之间无线通信信号传输所用的时间，V表示无线电磁波信号在空气介质中的传输速度，其值为3*108m/s；
步骤二、由公式(1)可知，基于TOA通信距离估计过程中不确定性因素是传输时间测量值t，采用偏微分的方法，求t在公式(1)中的偏导，获得传输时间测量值不确定性影响距离估计结果的敏感因子St：
其中，敏感因子St表明传输时间t对通信距离估计D影响程度的大小；
步骤三、在发送节点和接收节点通信范围内，当发送节点和接收节点间距离为任意值D时，发送节点和接收节点采用双边对等测量方法，通过它们的nanoLoc无线射频收发器，重复M次测量无线电信号在它们之间距离D传输所用的时间t，获得M组传输时间t测量值{t1,t2,t3,…,tm,…,tM}，其中m和M为正整数，且1≤m≤M，10≤M≤50，并对其进行统计计算，如公式(3)和公式(4)所示，得到t值的统计均值t_u和标准差t_σ，其中统计均值t_u作为t的最终测量值，统计标准差t_σ作为t的最终测量值的不确定度，本发明中M为用户设定的参数，M取值20；
步骤四、基于TOA的通信距离D估计结果D_u如公式(5)所示，通信距离D估计结果的不确定度D_σ如公式(6)所示：
其中，D_σ为通信距离D估计结果D_u的不确定程度的大小，表示估计结果的可信赖程度，也与距离估计结果的置信概率相对应，也为后续无线定位等处理方法提供先验和决策信息；
步骤五、无线发送节点判断距离估计任务是否完成，若是，则停止距离估计及其不确定性分析，否则，继续执行步骤三到步骤六。
附图说明
图1为一种基于TOA通信距离估计的不确定性分析方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于TOA通信距离估计的不确定性分析方法包括以下步骤：
步骤一、***中有2个无线传感器节点，分别为无线通信发送节点和无线通信接收节点，它们都具有nanoLoc无线射频收发器，采用双边对等方法测量发送节点和接收节点之间无线通信时信号传输的时间t，并乘以无线信号在空气中的传输速度V，得到两个无线传感器节点之间的通信距离估计值D，如公式(1)所示：
D＝Vt (1)
其中，D为发送节点到接收节点之间的距离估计值，t表示接收节点与发送节点间距离为D时，发送节点和接收节点之间无线通信信号传输所用的时间，V表示无线电磁波信号在空气介质中的传输速度，其值为3*108m/s；
步骤二、由公式(1)可知，基于TOA通信距离估计过程中不确定性因素是传输时间测量值t，采用偏微分的方法，求t在公式(1)中的偏导，获得传输时间测量值不确定性影响距离估计结果的敏感因子St：
其中，敏感因子St表明传输时间t对通信距离估计D影响程度的大小；
步骤三、在发送节点和接收节点通信范围内，当发送节点和接收节点间距离为任意值D时，发送节点和接收节点采用双边对等测量方法，通过它们的nanoLoc无线射频收发器，重复M次测量无线电信号在它们之间距离D传输所用的时间t，获得M组传输时间t测量值{t1,t2,t3,…,tm,…,tM}，其中m和M为正整数，且1≤m≤M，10≤M≤50，并对其进行统计计算，如公式(3)和公式(4)所示，得到t值的统计均值t_u和标准差t_σ，其中统计均值t_u作为t的最终测量值，统计标准差t_σ作为t的最终测量值的不确定度，本发明中M为用户设定的参数，M取值20；
步骤四、基于TOA的通信距离D估计结果D_u如公式(5)所示，通信距离D估计结果的不确定度D_σ如公式(6)所示：
其中，D_σ为通信距离D估计结果D_u的不确定程度的大小，表示估计结果的可信赖程度，也与距离估计结果的置信概率相对应，也为后续无线定位等处理方法提供先验和决策信息；
步骤五、无线发送节点判断距离估计任务是否完成，若是，则停止距离估计及其不确定性分析，否则，继续执行步骤三到步骤六。
具体实施方案二，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于TOA通信距离估计的不确定性分析方法的步骤四作进一步说明，本实施方式中，通信距离D估计结果在区间[u_D-σ_D u_D+σ_D]的概率为68.26％，通信距离D估计结果在区间[u_D-2*σ_D u_D+2*σ_D]的概率为95.44％，通信距离D估计结果在区间[u_D-3*σ_D u_D+3*σ_D]的概率为99.73％。
具体实施方案三，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于TOA通信距离估计的不确定性分析方法作进一步说明，其特征在于采用偏微分的方法，获得通信距离估计过程中传输时间测量的不确定性的敏感因子，评估传输时间测量的不确定度对距离结果的影响程度大小，为改善距离估计精度的方法提供重要的参考信息。
具体实施方案四，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于TOA通信距离估计的不确定性分析方法作进一步说明，本实施方式中，从理论本质上，分析出导致距离估计误差产生的主要因素和机理。
具体实施方案四，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于TOA通信距离估计的不确定性分析方法作进一步说明，本实施方式中，通过不确定性传播分析，获得通信距离估计结果及其不确定性，为后续无线定位等应用处理方法提供重要的先验参考信息。
Claims (5)
1.一种基于TOA通信距离估计的不确定性分析方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
步骤一、***中有2个无线传感器节点，分别为无线通信发送节点和无线通信接收节点，它们都具有nanoLoc无线射频收发器，采用双边对等方法测量发送节点和接收节点之间无线通信时信号传输的时间t，并乘以无线信号在空气中的传输速度V，得到两个无线传感器节点之间的通信距离估计值D，如公式(1)所示：
D＝Vt (1)
其中，D为发送节点到接收节点之间的距离估计值，t表示接收节点与发送节点间距离为D时，发送节点和接收节点之间无线通信信号传输所用的时间，V表示无线电磁波信号在空气介质中的传输速度，其值为3*108m/s；
步骤二、由公式(1)可知，基于TOA通信距离估计过程中不确定性因素是传输时间测量值t，采用偏微分的方法，求t在公式(1)中的偏导，获得传输时间测量值不确定性影响距离估计结果的敏感因子St：
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其中，敏感因子St表明传输时间t对通信距离估计D影响程度的大小；
步骤三、在发送节点和接收节点通信范围内，当发送节点和接收节点间距离为任意值D时，发送节点和接收节点采用双边对等测量方法，通过它们的nanoLoc无线射频收发器，重复M次测量无线电信号在它们之间距离D传输所用的时间t，获得M组传输时间t测量值{t1,t2,t3,…,tm,…,tM}，其中m和M为正整数，且1≤m≤M，10≤M≤50，并对其进行统计计算，如公式(3)和公式(4)所示，得到t值的统计均值t_u和标准差t_σ，其中统计均值t_u作为t的最终测量值，统计标准差t_σ作为t的最终测量值的不确定度，本发明中M为用户设定的参数，M取值20；
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步骤四、基于TOA的通信距离D估计结果D_u如公式(5)所示，通信距离D估计结果的不确定度D_σ如公式(6)所示：
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其中，D_σ为通信距离D估计结果D_u的不确定程度的大小，表示估计结果的可信赖程度，也与距离估计结果的置信概率相对应，也为后续无线定位等处理方法提供先验和决策信息；
步骤五、无线发送节点判断距离估计任务是否完成，若是，则停止距离估计及其不确定性分析，否则，继续执行步骤三到步骤六。
2.根据权利要求1所述的一种基于TOA通信距离估计的不确定性分析方法的步骤四作进一步说明，其特征在于通信距离D估计结果在区间[u_D-σ_D u_D+σ_D]的概率为68.26％，通信距离D估计结果在区间[u_D-2*σ_D u_D+2*σ_D]的概率为95.44％，通信距离D估计结果在区间[u_D-3*σ_D u_D+3*σ_D]的概率为99.73％。
3.根据权利要求1所述的一种基于TOA通信距离估计的不确定性分析方法作进一步说明，其特征在于采用偏微分的方法，获得通信距离估计过程中传输时间测量的不确定性的敏感因子，评估传输时间测量的不确定度对距离结果的影响程度大小，为改善距离估计精度的方法提供重要的参考信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于TOA通信距离估计的不确定性分析方法作进一步说明，其特征在于从理论本质上，分析出导致距离估计误差产生的主要因素和机理。
5.根据权利要求1所述的一种基于TOA通信距离估计的不确定性分析方法作进一步说明，其特征在于通过不确定性传播分析，获得通信距离估计结果及其不确定性，为后续无线定位等应用处理方法提供重要的先验参考信息。
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