CN112055306B - 一种用于减小tdoa定位误差的参考基站选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于室内定位技术领域，具体涉及一种用于减小TDOA定位误差的参考基站选择方法。本发明解决了LOS和NLOS混合的环境下如何选择参考基站的问题，避免参考基站NLOS误差导致所有TDOA值都含有NLOS误差的极端情况，从而保证参考基站测量精度，进而提升定位精度。本发明的一种用于减小TDOA定位误差的参考基站选择方法可以识别出测量误差较小的基站，以这个基站为参考基站可以减小TDOA定位误差。

Description

一种用于减小TDOA定位误差的参考基站选择方法

技术领域

本发明属于室内定位技术领域，具体涉及一种用于减小TDOA定位误差的参考基站选择方法。

背景技术

随着通信技术的和定位技术的进步，基于位置的服务逐渐渗透到人们的生产生活中，成为不可或缺的一部分。由于人的80％以上活动都是在室内进行的，因此室内定位技术一直是研究的热点。定位的算法的种类有很多，大部分是基于测距的，基于测距的定位算法有TOA(Time of Arrival)、TDOA、AOA(Angle of Arrival)、RSSI(Received SignalStrength Index)，其中TOA和TDOA由于其简单、准确、可靠成为了最常用的定位方法。

TDOA定位是通过测量信号从移动台到不同基站的到达时间差来确定移动台到不同基站的距离差进行定位的。TDOA信号的获取的方法之一是保证基站和移动台时间同步，先获取信号从移动台到达单个基站的到达时间(TOA)，以某个基站为参考基站，以参考基站的TOA为参考基准，通过其他基站的TOA和参考基准相减来获得TDOA。所以参考基站测量误差的大小直接影响所有TDOA值的误差大小，参考基站测量的精准程度对定位结果的影响远大于其他基站。在复杂的室内环境中容易出现NLOS(None-line-of-sight)情况，由于建筑物的遮挡基站的测量误差可能增大几个数量级，如果参考基站出现了NLOS情况，这将导致所有的TDOA值含有NLOS误差，比其他基站出现NLOS时的定位误差大很多。参考基站最好的选择是所有基站中测量误差最小的。在复杂的室内环境中，无法保证一个基站测量误差永远最小并且永远不出现NLOS的情况，但是每次定位时可以先找出测量误差较小的基站作为参考基站。因此在LOS和NLOS混合的环境下，如何选择TDOA定位的参考基站具有重要意义。

目前的研究都是从如何识别含有NLOS误差的异常测量值出发。在NLOS识别方面，大多数识别只能识别一个处于NLOS下的基站，多NLOS的情况下识别率不够高，如果识别错误或者未能识别所有的NLOS基站，参考基站仍然有可能出现NLOS的情况。NLOS识别往往需要设置阈值，不同的环境阈值往往也不一样，如何选择阈值也是一个难题。Pak等人利用分布式和椭球门控技术来识别NLOS，阈值从卡方表上选取，(Jung Min Pak,Choon Ki Ahn,Peng Shi.Distributed Hybrid Particle/FIR Filtering for Mitigating NLOSEffects in TOA-Based Localization Using Wireless Sensor Networks[J]IEEETransactions on Industrial Electronics,vol.64,No.6,June 2017.)该方法只能应对一个基站处于NLOS的情况，多个基站处于NLOS的时候，该方法不能正确识别含有NLOS误差的测量值。Lee等人研究了一种基于卡尔曼滤波的NLOS识别方法(Kyunghyun Lee,JungkeunOh,Kwanho You.Closed-Form Solution of TDOA-Based Geolocation and Tracking:ARecursive Weighted Least Square Approach[J]Wireless Pers Commun(2017)94:3451–3464)，该方法虽然可以识别多个NLOS，但是有一个假设前提，必须有一个已知的LOS基站。综上所述，在LOS和NLOS混合的环境下，目前没有好的方法来保证参考基站的测量精度。

发明内容

本发明的目的在于解决LOS和NLOS混合的环境下如何选择参考基站，避免参考基站NLOS误差导致所有TDOA值都含有NLOS误差的极端情况的问题，提供一种用于减小TDOA定位误差的参考基站选择方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：在定位区域布置了N个基站，N≥6，各基站坐标已知为BS_i＝(x_i,y_i)，i＝1,2,...,N；包括以下步骤：

步骤1：获取各基站BS_i的测量值的集合P＝{d₁,d₂,...,d_N}；所述的基站BS_i的测量值d_i由基站BS_i所测的TOA乘以信号的传播速度计算得到；

步骤2：获取集合P的所有元素个数为3的子集{S₁,S₂,...,S_M}，

步骤3：采用极大似然算法，由每一个集合S_k中包含的3个测量值以及对应的基站坐标估计移动台的位置

k＝1,2,...,M；

步骤4：计算各基站BS_i的测量值d_i的累积残差SRes_i；

步骤5：将所有测量值d_i按照累积残差SRes_i的大小升序排序，并放入数组Q中；

步骤6：选择数组Q中前

个测量值构建集合T；令P＝P∩T，重复执行一次步骤2至步骤5；

步骤7：选择数组Q中第一个测量值所对应的基站作为参考基站。

本发明的有益效果在于：

本发明提出了一种用于减小TDOA定位误差的参考基站选择方法，该方法可以识别出测量误差较小的基站，以这个基站为参考基站可以减小TDOA定位误差。本发明解决了LOS和NLOS混合的环境下如何选择参考基站的问题，避免参考基站NLOS误差导致所有TDOA值都含有NLOS误差的极端情况，从而保证参考基站测量精度，进而提升定位精度。

附图说明

图1是一种用于减小TDOA定位误差的参考基站选择方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

在LOS和NLOS混合的环境下，目前没有好的方法来保证参考基站的测量精度，本发明提出了一种用于减小TDOA定位误差的参考基站选择方法，该方法可以识别出测量误差较小的基站，以这个基站为参考基站可以减小TDOA定位误差。本发明旨在解决LOS和NLOS混合的环境下如何选择参考基站，避免参考基站NLOS误差导致所有TDOA值都含有NLOS误差的极端情况，从而保证参考基站测量精度，进而提升定位精度。

本发明的主要思想就是通过累积残差来评价每个基站测量误差的大小，选择测量误差较小的基站作为参考基站。残差在数理统计中是指实际观察值与估计值之间的差。累积残差是指多次计算的残差的累加和。

本发明所采用的技术方案是：

定位区域布置了N个基站，N≥6。基站的位置坐标是已知的并表示为BS_i＝(x_i,y_i)，i＝1,2,...N.待定位的移动台位置坐标是未知的表示为MS＝(x,y)。一个TDOA信号和两个基站相关，通过TDOA来确定一个基站的测距准确与否是困难的，所以本发明使用TOA来确定哪个基站测量误差较小，以这个基站为参考基站进行TDOA定位。基站BS_i所测的TOA乘以信号的传播速度可得移动台到基站的距离的测量值d_i。

减小TDOA定位误差的参考基站的选择过程如下：

1)求基站的测量值的子集。集合P＝{d₁,d₂,...,d_N}的元素个数为3的所有子集为S₁＝{d₁,d₂,d₃},S₂＝{d₁,d₂,d₄},…,S_M＝{d_N-2,d_N-1,d_N},其中

2)使用子集计算移动台位置。采用极大似然算法，对于任意集合S_k，其中k∈[1,M]，使用集合S_k中的3个距离测量值以及对应的基站坐标估计移动台的位置

3)求测量值的残差。对于任意集合S_k和任意测量值d_i，其中k∈[1,M]，i∈[1,N]，如果d_i∈S_k，测量值d_i的残差Res_i(k)计算如下：

如果

则Res_i(k)＝0。

4)求测量值的累积残差。计算测量值d_i的累积残差SRes_i,其中i∈[1,N]。

5)按照累积残差升序排序测量值。新建一个数组Q，将所有的测量值d_i放入Q中，按照累积残差SRes_i的大小升序排序,其中i∈[1,N]。

6)使用测量值中累积残差较小的一半重复一次上述步骤。选择数组Q中的前

个测量值构建一个新的集合T，P＝P∩T，重复一次上述步骤。

7)选择累积残差最小的测量值对应的基站为参考基站。数组Q中的第一个测量值所对应的基站选为参考基站。

实施例1：

本发明考虑了室内环境中信号非视距传播的影响，通过累积残差来识别测量误差较小的基站，避免了参考基站测量值含有NLOS误差，降低了TDOA定位的误差。本发明提出了一种用于减小TDOA定位误差的参考基站选择方法，在LOS和NLOS混合的环境下识别出测量误差较小的基站作为TDOA参考基站，减小定位误差下面结合附图进行详细说明。

本发明提出一种减小TDOA定位误差的参考基站的选择方法，以二维定位8个基站为例，基站分别为BS₁,BS₂,...,BS₈，基站坐标已知，所测移动台MS到基站的距离分别为d₁,d₂,...,d₈。

1)求集合P＝{d₁,d₂,...,d₈}的元素个数为3的所有子集，分别是S₁＝{d₁,d₂,d₃}，S₂＝{d₁,d₂,d₄}，…，S₅₆＝{d₆,d₇,d₈}，

2)采用极大似然算法，对于任意集合S_k，其中k∈[1,56]，使用集合S_k中的3个距离测量值以及对应的基站坐标估计移动台的位置

3)对于任意集合S_k和测量值d_i，其中，k∈[1,56]，i∈[1,8]；

如果d_i∈S_k，测量值d_i的残差Res_i(k)计算如下：

如果

则Res_i(k)＝0。

4)计算测量值d_i的累积残差SRes_i，其中i∈[1,8]，

5)新建一个数组Q，将集合P中的所有测量值放入Q中，按照累积残差SRes_i的大小升序排序,其中i∈[1,8]。

6)选择数组Q中的前4个测量值构建一个新的集合T，P＝P∩T，重复一次上述步骤。

7)数组Q中的第一个测量值所对应的基站选择为参考基站。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于减小TDOA定位误差的参考基站选择方法，在定位区域布置了N个基站，N≥6，各基站坐标已知为BS_i＝(x_i,y_i)，i＝1,2,...,N；其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取各基站BS_i的测量值的集合P＝{d₁,d₂,...,d_N}；所述的基站BS_i的测量值d_i由基站BS_i所测的TOA乘以信号的传播速度计算得到；

步骤2：获取集合P的所有元素个数为3的子集{S₁,S₂,...,S_M}，

步骤3：采用极大似然算法，由每一个集合S_k中包含的3个测量值以及对应的基站坐标估计移动台的位置

步骤4：计算各基站BS_i的测量值d_i的累积残差SRes_i；

步骤5：将所有测量值d_i按照累积残差SRes_i的大小升序排序，并放入数组Q中；

步骤6：选择数组Q中前

个测量值构建集合T；令P＝P∩T，重复执行一次步骤2至步骤5；

步骤7：选择数组Q中第一个测量值所对应的基站作为参考基站。

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