CN108896959A

CN108896959A - 一种基于信号到达时间的移动通信定位方法

Info

Publication number: CN108896959A
Application number: CN201810870186.4A
Authority: CN
Inventors: 桂林卿; 施云; 丛海波; 余海; 束锋; 陆锦辉
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2018-08-02
Filing date: 2018-08-02
Publication date: 2018-11-27

Abstract

本发明提供了一种基于信号到达时间的移动通信定位方法。本发明包括：首先建立移动终端测量距离模型，该模型考虑了同步时差的影响并为信号到达时间（TOA）增加置信因子来抑制非视距（NLOS）环境的影响；然后，由于精确定位的目标为使得测量距离与实际距离的差距最小，故可根据该目标建立移动终端定位的目标函数；接下来，确定约束条件，建立移动终端定位优化模型。最后，通过解优化问题获得移动终端位置。本发明提供的一种基于信号到达时间的移动通信定位方法，能够提高移动通信定位精度。

Description

一种基于信号到达时间的移动通信定位方法

技术领域

本发明涉及室内定位领域，特别涉及到一种基于信号到达时间的移动通信定位方法。

背景技术

在互联网信息时代迅猛发展的大背景下，基于位置信息的服务与应用需求呈现蓬勃发展的趋势，这些服务都需要依靠对人或物的精确定位和导航来实现。室外的定位导航已经拥有非常成熟的GPS定位技术，而在复杂的室内环境，GPS定位技术很难满足人们对定位精度的要求。目前导航和室内定位等多以室内的WIFI设备和手机移动终端间的通信方式为基础，此方法由于覆盖范围有限、信号频段易受干扰等，发展前景受限。

本发明提供的一种基于信号到达时间的移动通信定位方法，可大大改善上述问题。但是在实际无线通信环境中，测量的信号到达时间TOA数据包含测量误差和***误差，而且非视距传播(NLOS)对信号到达时间TOA的影响更为显著。因此在测量误差和***误差不可避免的前提下，提供一种精度高的移动通信定位方法就很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于信号到达时间的移动通信定位方法，能够有效的提高移动通信定位精度。

本发明提供一种基于信号到达时间的移动通信定位方法，包括：S1、建立移动终端测量距离模型；S2、建立移动终端定位的目标函数；S3、确定约束条件，建立移动终端定位优化模型；S4、通过解优化问题获得移动终端位置。

进一步地，所述步骤S1可以包括以下步骤：

S11、本发明首先考虑基站与移动终端间由于时差不同引起的计算误差，计算出基站与移动终端的信号实际传送距离，具体如下：

其中，i是第i个基站BS_i的序号，MS为移动终端的符号，r_i,MS为基站BS_i与移动终端MS的信号实际传送距离，c为无线电信号在空气介质中的传播速度，其值为3*10⁸m/s，表示基站BS_i的接收信号时刻，T₀表示移动终端MS发送信号时刻，-T₀为信号到达时间TOA，△t_i,MS表示基站BS_i与移动终端MS的同步时差；

S12、然后在信号实际传送距离的基础上，乘以一个信号到达时间TOA的置信因子来抑制NLOS环境的影响，本发明考虑到基站与移动终端距离越大，遇到障碍物的可能性越大，非视距程度越大，信号到达时间TOA的置信因子就越低，故本发明提供了一个置信因子关于信号实际传送距离的计算公式，具体计算公式如下：

这里，λ_i为基站BS_i信号到达时间TOA的置信因子，r₀为视距传播所能到达的最远距离，当r_i,MS≤r₀时，传播环境为LOS，λ_i＝1，当r_i,MS>r₀时，传播环境为NLOS，λ_i<1，并且随着信号实际传送距离越远，λ_i的值越小且趋向于0但不会小于0；

S13、最后建立移动终端测量距离模型，具体如下：

其中，为基站BS_i与移动移动终端MS的测量距离估计值。

进一步地，所述步骤S2可以包括以下步骤：

S21、设第i个基站BS_i的坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，移动终端MS的坐标为(x,y,z)，那么基站BS_i到移动终端的实际距离为d_i,MS为：

S22、考虑到基站与移动终端距离越远，遇到障碍物的可能性越大，非视距程度越大，误差水平也越大，所以需要为每个基站的测量结果给予一定的权重，本发明提供了一个计算基站权重公式，对于与移动终端距离越远的基站给予较低的权重，而对于与移动终端距离越近的基站给予较高的权重，具体的公式如下：

其中，β_i为基站BS_i的测量结果权重；

S23、精确定位的主要目的是要满足测量距离估计值与实际距离的差距最小，通过步骤S13的测量距离和步骤S21实际距离d_i,MS可以建立以下移动终端定位的目标函数：

进一步地，所述步骤S3可以包括以下步骤：

S31、在实际无线通信环境中，由于电信号的测量受到了NLOS环境的影响，使得测量出的信号到达时间TOA数值上要大于电信号传播的实际时间。对应的信号实际传送距离要大于基站与终端间的实际距离，即：

此外，基站与移动终端的同步时差也应该有个下限△t₀，即为|△t_i,MS|≤△t₀；

S32、根据步骤S31所述的约束条件，可以建立以下移动终端定位优化模型：

|△t_i,MS|≤△t₀

与现有技术相比，本发明采用的一种基于信号到达时间的移动通信定位方法，充分考虑了基站与移动终端距离不同对定位结果的影响，有效得提高了移动通信定位精度。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为一种基于信号到达时间的移动通信定位方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明所述的一种基于信号到达时间的移动通信定位方法，包含以下几个步骤：

1、建立移动终端测量距离模型

本发明假设***存在m个已知位置的基站BS，一个待定位移动终端MS。考虑到要获得移动终端的精确位置需要先对实际环境中存在的误差进行抑制甚至消除。所以本发明在建立移动终端测量距离模型时，首先考虑了基站与移动终端间由于时差不同引起的同步误差，并计算出基站与移动终端的信号实际传送距离，具体如下：

其中，i是第i个基站BS_i的序号，r_i,MS为基站BS_i与移动终端MS的信号实际传送距离，c为无线电信号在空气介质中的传播速度，其值为3*10⁸m/s，表示基站BS_i的接收信号时刻，T₀表示移动终端MS发送信号时刻，-T₀为信号到达时间TOA，△t_i,MS表示基站BS_i与移动终端MS的同步时差。

然后在信号实际传送距离的基础上，乘以一个信号到达时间TOA的置信因子来抑制NLOS环境的影响，本发明考虑到基站与移动终端距离越大，遇到障碍物的可能性越大，非视距程度越大，信号到达时间TOA的置信因子就越低，故本发明提供了一个置信因子关于信号实际传送距离的计算公式，具体计算公式如下：

这里，λ_i为基站BS_i信号到达时间TOA的置信因子，r₀为视距传播所能到达的最远距离，当r_i,MS≤r₀时，传播环境为LOS，λ_i＝1，当r_i,MS>r₀时，传播环境为NLOS，λ_i<1，并且随着信号实际传送距离越远，λ_i的值越小且趋向于0但不会小于0。通过这样的方式抑制NLOS误差的好处在于不需要辨别TOA测量数据是否包含NLOS误差。

最后建立移动终端测量距离模型，具体如下：

其中，为基站BS_i与移动移动终端MS的测量距离估计值。

2、建立移动终端定位的目标函数

设第i个基站BS_i的坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，移动终端MS的坐标为(x,y,z)，那么基站BS_i到移动终端的实际距离为d_i,MS为：

本发明考虑到基站与移动终端距离越远，遇到障碍物的可能性越大，非视距程度越大，误差水平也越大，所以需要为每个基站的测量结果给予一定的权重，本发明提供了一个计算基站权重公式，对于与移动终端距离越远的基站给予较低的权重，而对于与移动终端距离越近的基站给予较高的权重，具体的公式如下：

这里，β_i为基站BS_i的测量结果权重；。

由于精确定位的主要目的是要满足测量距离估计值与实际距离的差距最小，所以通过公式(2)与公式(4)可以建立以下移动终端定位的目标函数：

3、确定约束条件，建立移动终端定位优化模型

在实际无线通信环境中，由于电信号的测量受到了NLOS环境的影响，使得测量出的TOA数值上要大于电信号传播的实际时间。对应的信号实际传送距离要大于基站与终端间的实际距离，即：

这也是主要的约束条件。此外，基站与移动终端的同步时差也应该有个下限△t₀，即为|△t_i,MS|≤△t₀。

综上所述，可得移动终端定位优化模型为：

4、最后，通过解上述(8)式的优化问题获得移动终端位置。

Claims

1.一种基于信号到达时间的移动通信定位方法，其特征在于包含以下步骤：

S1、建立移动终端测量距离模型；

S2、建立移动终端定位的目标函数；

S3、确定约束条件，建立移动终端定位优化模型；

S4、通过解优化问题获得移动终端位置。

2.如权利要求1所述的一种基于信号到达时间的移动通信定位方法，所述步骤S1进一步包括以下步骤：

r_i,MS＝c(T_i ^(toa)-T₀-△t_i,MS)

其中，i是第i个基站BS_i的序号，MS为移动终端的符号，r_i,MS为基站BS_i与移动终端MS的信号实际传送距离，c为无线电信号在空气介质中的传播速度，其值为3*10⁸m/s，T_i ^(toa)表示基站BS_i的接收信号时刻，T₀表示移动终端MS发送信号时刻，T_i ^(toa)-T₀为信号到达时间TOA，△t_i,MS表示基站BS_i与移动终端MS的同步时差；

这里，λ_i为第i个基站BS_i信号到达时间TOA的置信因子，r₀为视距传播所能到达的最远距离，当r_i,MS≤r₀时，传播环境为LOS，λ_i＝1，当r_i,MS>r₀时，传播环境为NLOS，λ_i<1，并且随着信号实际传送距离越远，λ_i的值越小且趋向于0但不会小于0；

S13、最后建立移动终端测量距离模型，具体如下：

其中，为第i个基站BS_i到移动终端MS的测量距离估计值，等号右边式中的每个符号的定义已在S11和S12中给出。

3.如权利要求1所述的一种基于信号到达时间的移动通信定位方法，所述步骤S2进一步包括以下步骤：

S21、设第i个基站BS_i的坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，移动终端MS的坐标为(x,y,z)，那么基站BS_i到移动终端的实际距离为d_i,MS，具体的计算公式如下：

其中，β_i为第i个基站BS_i的测量结果权重，d_i,MS为基站BS_i到移动终端的实际距离；

其中，min表示求后面式子的最小值，∑为一个求和运算符，i为第i个基站BS_i的序号，m为基站的总数，β_i为基站BS_i的测量结果权重，d_i,MS为基站BS_i到移动终端的实际距离，为基站BS_i到移动终端MS的测量距离估计值。

4.如权利要求1所述的一种基于信号到达时间的移动通信定位方法，所述步骤S3进一步包括以下步骤：

S31、在实际无线通信环境中，由于电信号的测量受到了NLOS环境的影响，使得测量出的信号到达时间TOA数值上要大于电信号传播的实际时间。对应的信号实际传送距离要大于基站与终端间的实际距离，即为：

其中，(X_i,Y_i,Z_i)为第i个基站BS_i的坐标，(x,y,z)为移动终端MS的坐标，为一个开根号符号，c为无线电信号在空气介质中的传播速度，T_i ^(toa)表示基站BS_i的接收信号时刻，T₀表示移动终端MS发送信号时刻，△t_i,MS表示基站BS_i与移动终端MS的同步时差，此外，基站与移动终端的同步时差△t_i,MS也应该有个下限△t₀，即为|△t_i,MS|≤△t₀；

这里，min表示求后面式子的最小值，(x,y,z)为待求的移动终端MS的坐标，∑为一个求和运算符，i为第i个基站BS_i的序号，m为基站的总数，β_i为基站BS_i的测量结果权重，|·|为求绝对值符号，d_i,MS为基站BS_i到移动终端的实际距离，为基站BS_i到移动终端MS的测量距离估计值，s.t.为subject to的缩写，受约束的意思，s.t.后的约束条件公式中每个符号的定义已在S31中给出。