用于在有各种多路径延迟的情况下稳健且高效的基于TDOA的位置估计的系统和方法与流程

本发明的实施例涉及确定移动电子设备的位置的领域。

背景技术：

在iot（物联网）和许多其它位置相关应用中，要求基础设施能够估计一个或多个无线对象或目标节点的位置。在典型的位置估计系统中，存在多个参考节点或网关（其位置是已知的）以及一个或多个目标节点或微粒（mote）（其位置是要估计的）。

为了估计目标节点的位置，需要通过由目标节点进行的无线电发射和由参考节点进行的接收或者相反方向来测量表征目标节点相对于参考节点的位置测定信息的某些度量（诸如距离或角度）。

本文将为了简单起见而大部分考虑其中目标节点进行无线电发射（其被网关（参考节点）接收到，分组的到达时间（toa）被加时间戳）的情况。然而，必须理解的是本发明还以适当的修改适用于其中多个网关发送同时的分组或者在确定的时间序列中的分组（其被目标节点接收到，该目标节点基于所述分组的toa的知识来确定其自己的位置）的情况。

并且，以下描述对其中在2维平面中确定移动节点的位置的本发明的示例进行描述。虽然很重要，但本申请并非限制性的，并且本发明也包括其中在3维空间中对移动节点进行定位的变体。

如对于本领域技术人员而言已知的，如果所有网关是同步的，但目标节点不是，则可以使用tdoa（到达时间差）方法来计算位置。可以通过gps或其它同步机制来使网关同步。tdoa方法一般地涉及到确定同一分组发射到两个不同网关的到达时间之间的差，该到达时间之间的差通过已知传播速度而与从发射节点到两个网关的距离的差有关。

同样如对于本领域技术人员而言已知的，多路径延迟的存在可以对toa和tdoa的测量结果引入严重的变化和偏置，这导致位置准确度的严重劣化。在室内或室外的实际环境中，最有可能的是某些或所有网关可能遭受一定水平的多路径传输延迟。网关中的某些可能遭受比其它网关更严重的多路径延迟扩展也是相当可能的。类似于其它信道相关现象，到达时间上的多路径诱发的偏置难以建模和估计。

定位估计系统一般地可以分成两类，即基于测距和距离无关方法。tdoa基于测距的定位被广泛地用来实现良好的位置准确度。所有网关被假设为是同步的，无论是通过gps还是其它同步化机制，然而，目标节点不需要被同步到网关。目标节点发射分组，所述分组被网关接收到并加时间戳以便每个接收网关或天线获得toa值。

如对于本领域技术人员而言已知的，需要来自三个不同接收网关的至少两个tdoa以便产生目标节点的位置的唯一估计。在某些情况下，可存在两个可能的估计，并且可能需要来自第四网关的另外的toa以便获得目标节点的最终估计。当可用网关的数目大于三个时，问题变成超定问题。存在专注于用以处理该问题的不同方法的许多学术研究论文以及专利，包括最大似然算法、最小均方差算法、加权最小均方差算法、最小中值误差算法等。还存在关于从没有多路径延迟的其它网关识别具有多路径延迟的网关的某些研究。在本发明中提出的系统和方法落入多路径延迟网关被识别并被去除的情况下的组合“最小中值误差”和“最小均方差”算法的一般范畴。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用以实现稳健的位置估计和对多路径的免疫性的系统和方法。本发明还包括一种用以从位置算法中识别并去除具有最严重延迟扩展的网关以实现甚至更好的准确度的方法。

本发明提出了一种用以根据最小中值误差准则来计算位置估计的新型系统和程序。其还介绍了一种用以针对每个网关计算toa变化的技术和用以识别并去除具有最严重多路径延迟扩展的网关的方案，使得只有没有或具有较不严重的多路径延迟扩展的网关在位置计算中被用来实现改善的准确度。

本发明还提出了一种用于将toa与rssi（接收信号强度指示）和snr（信噪比）元数据融合以相比于纯基于toa方法而言改善位置准确度的有效方案。具体地，通过检查对应rssi和snr元数据来判断每个toa测量结果的可靠性。toa测量结果将在对应rssi和snr在某个阈值值以上时被用于tdoa计算。

此外，本发明提出了一种用以缓解来自多路径延迟扩展的toa中的偏置的新型方法。本发明提出了一种用以补偿源自于一个或两个toa中的偏置的tdoa中的偏置的新型方法。

本发明还提出了一种用以适应性地选择或组合根据最小中值误差方法和加权最小均方差方法的位置估计以在各种多路径信道条件下实现改善的准确度的新型技术。

本发明提出了一种用以利用扩展的最小中值误差算法且通过有效地识别并去除具有最显著多路径延迟扩展的网关、使得只有不具有多路径或者具有最小多路径延迟的网关被用于位置估计来实现稳健且准确的位置估计的系统和方法。

附图说明

●图1a以示意性的简化方式图示出定位过程，多个同步网关通过其接收由移动节点发射的定位分组，并借助于解算器来确定所述移动节点的位置，所述解算器处理分组以及其它元数据（诸如rssi和snr）在每个网关处的到达时间。

●图1b为了完整起见而图示出其中网关向移动节点发射同时的、我们的时间相关的定位分组的补充情况，所述移动节点基于所述分组的toa来确定其自己的位置。

●图2a和2b用流程图来表示本发明方法的可能实施方式。

具体实施方式

参考图1a，我们将假设总共n个网关120a-g接收到由目标节点110发射的定位分组135和针对每个网关处的每次接收的测量结果m，该测量结果m包括信号的到达时间（toa），并且优选地还包括用于接收分组的接收信号强度（rssi）和/或信噪比（snr）的指示。虽然toa是时间的测量结果，但是基于飞行时间乘以已知传播速度等于飞行距离的事实，我们在这里在不失一般性的情况下将其视为距离。

假设网关120a-g靠公共的时间参考运行，所述公共的时间参考是通过交换适当的同步化消息140或者通过参考外部时间参考（例如从地理定位卫星接收到的信号）而获得的。如上所述，提供同步化参考的多个方法在本领域中是已知的，并且本发明包含其中的全部。明确地意图在于本发明可以基于线性调频脉冲调制信号的同步测距交换，如以本申请人的名义通过wo2014124785公开的。

包括toa值以及rssi和snr的测量结果m被馈送到解算器单元160，该解算器单元160将其用来确定移动点的位置。解算器单元在本示例中被表示为不同于网关12a-g，但是其也可以是一个或多个网关的部分，而不脱离本发明的范围。

使用多个天线和多个发射以便通过多样性来实现改善的准确度是相当常见的。这对于在本发明中提出的具有较严重多路径延迟的网关的识别和去除而言也是重要的。然而，为了进一步简化表达，以下数学处理仅考虑其中每个网关具有单个接收天线且目标节点仅发射一个分组的情况。可以容易地将其扩展至多天线和多发射的情况。基于此，我们可以如下概述定位任务。

表示具有已知位置的第i个网关，是在网关处测量的分组到达时间。首先，选择具有最小toa的网关作为参考网关，表示为。

令表示网关与参考网关之间的到达时间差。tdoa是如下从toa测量结果获得的，

。

优选地，本发明方法的第一步骤是toa滤波和去除，其中，具有其对应rssi和/或snr在确定阈值值以下的toa将被视为不可靠（可能具有更大的误差）估计，并且将不会被包括为用于tdoa计算。

令为目标节点的位置；我们然后具有以下等式：

。

针对位置估计，的残余误差被定义为：

。

最小均方解是点，其使所有（二次）残余误差项的和或如下面定义的成本函数最小化

。

然而，最小平方解在有离群值样本的情况下具有不良性能，其对应于其中某些网关具有比其余网关更严重得多的多路径延迟扩展的情况。

根据本发明的一方面，用扩展最小中值（elm）误差法的变体来估计移动节点110的位置以改善在有离群值的情况下的稳健性。

具体地，所有tdoa残余误差项将被按照升序排序。不同于寻找使中值点tdoa残余误差最小化的解的常规最小中值法，本方法寻找使从经排序的列表中的第一项至中值点的tdoa残余误差的和最小化的解。

虽然上述方法将使得算法更加稳健且没有离群值样本的干扰，但本发明优选地还包括用以搜索用于elm方法的最佳解的高效方式，如将进一步详述的。

优选地，本发明还包括用以识别并去除具有最严重多路径延迟的网关的步骤，以进一步改善性能。

位置估计主要是基于从toa对计算的tdoa，优选地在通过检查对应rssi和snr而将toa从tdoa计算中去除之后，如上所述。

在有利变体中，本发明还包括用以缓解不同网关上的不同多路径延迟扩展所引入的误差的步骤。每个tdoa被计算为来自两个不同网关的一对toa的差。当超过一对toa可用时，例如在多个接收天线或多个分组发射的情况下，将存在关于同一位置处的目标节点产生的一列tdoa。用以处理此多样性的简单方法将计算tdoa的整个列表的平均值（或加权平均值），并且将其用作用于位置计算的单个tdoa。

优选地，本发明首先确定被用来计算tdoa的两个toa中的哪一个具有更大的toa偏差。当存在多个接收天线时，可以计算toa偏差，因为将存在来自单个分组发射的关于同一网关的多个toa。更大的toa偏差最有可能与更大的多路径延迟扩展有关，因此有更大的偏置。通过知道toa中的哪一个具有更大的偏置，本发明的方法确定对应的tdoa是具有正的还是负的净偏置。本发明然后按照降序将tdoa的整个列表排序，并且用整个经排序的tdoa列表的一段来获得被用于位置计算的最终tdoa以实现平均。通过使中心位置移位并改变求平均区段的长度，可以补偿或缓解tdoa中的净正或负多路径偏置。

本发明还包括用以根据从不同网关遭受的多路径信道类型而适应性地选择或组合来自elm和来自典型最小均方差法的结果的步骤。已发现，即使当所有网关都具有相当水平的多路径延迟时，本发明的算法也比最小平方法显著更好地工作。

现在将参考图2a-2b来描述本发明方法的步骤：

图2a图示出根据本发明的一方面的用已修改elm算法来确定位置的方法。最初（步骤200），从n个网关的池中选择3网关集合的组合。具有已知位置的3网关集合允许优选地在去除不可靠toa之后基于足以用于在两个维度上确定移动节点的位置的其统计偏差来计算两个独立的tdoa值（步骤204）。在多天线或多分组发射的情况下，可以获得两列tdoa。识别每个tdoa列表中的净正或负多路径偏置，并且如前所述地执行用以缓解或补偿偏置的操作（步骤208）。此后，产生没有或具有减小的偏置的两个tdoa。由此，其为简单的3网关tdoa位置问题，其中，可以通过如上所述地直接求解两个双曲线方程来实现位置估计。一般地，此过程可以提供两个、一个解或无解（步骤210）。

在3d导航的一般情况下，单独的三个网关不足以确定位置。本发明的方法通过增加每个所考虑组合中的网关数从而针对每个组合具有可解问题或者通过使用附加信息（例如节点110的位置或测距消息135被发送的时间的部分知识）而仍适用。

如果3网关问题给出两个解，则可以用多个手段来去除一个网关（步骤220），例如最直截了当的方法是通过检查用于第四或更多额外网关的tdoa或tdoa残数，或者通过与先前已知的位置相比较。在某些情况下，toa上的误差可能如此严重，以致于根本不存在有效的解。到目前为止，没有产生或者产生一个有效的基于3网关的位置估计。

如果存在来自步骤220的有效的3网关解（测试（230）），则算法计算tdoa残余误差的所有组合并将其按照升序排序。

根据经排序的tdoa残余误差列表，本发明计算（步骤240）直到中值点残余误差，其是经排序列表中的第一项（最小残余误差项）到中值点项的和。

并且在步骤240中，本发明的方法计算超中值误差，其是直到中值点误差加上经排序列表中的进一步向上的确定数目的项。

并且，在步骤240中，本发明的方法计算平均（所有点）误差，其是经排序列表中的所有tdoa残余误差的和。此外，该加和可排除具有最重大tdoa残余误差的确定数目的项以排除某些离群值。

此外，直到中值、超中值和平均残余误差加和被除以加和项的对应数目以分别地获得平均tdoa残余误差。

稍后将需要3网关解和对应的直到中值、超中值和均方差并将它们存储在候选列表或另一适当的数据结构中（步骤255）。

针对来自池的3个网关的所有可能组合重复步骤200-250（以判定260终止的环路）。这将创建由所有基于3网关的位置估计组成的候选列表。然后，算法基于tdoa残余误差而从候选列表中估计目标节点的位置。在此步骤的可能实现中，该位置可以是具有最小直到中值误差或者具有最小超中值误差或者具有最小平均误差的解。用以判定3个可能解中的哪一个将是elm位置输出的程序可以是基于针对3个可能解的总体tdoa残余误差的检查。

图2b图示出较高层级的位置确定的过程。最初（步骤310），针对每个网关计算toa变化。toa变化将被用于如在320和330中的多路径网关的识别和去除。

稍后（步骤290），系统通过使用例如在图2a中描述的步骤来确定elm解，并且如前所述地基于tdoa残余误差来选择最佳elm位置估计。

优选地，本发明的方法还包括在elm下的用以确定多路径延迟是否存在和哪些网关最受到多路径延迟的影响的步骤（步骤320）。检测网关中的多路径的可能方式是将来自每个网关的toa变化与给定阈值相比较。

被识别为具有过分的多路径延迟扩展的网关被从活动网关列表去除（步骤330），并且再次地估计elm位置（步骤295）。优选地，算法将在活动网关列表中保持至少最小数目的网关（通常是4个）。

本发明的方法还包括基于针对某些阈值值进行的对应rssi和snr的检查而从tdoa计算去除不可靠的toa。

本发明还包括用以缓解或补偿源自于来自不同网关的toa中的不同多路径延迟扩展的tdoa中的偏置的方法。

优选地，本发明的方法还包括步骤340，其中，通过检查来自每个网关的toa变化，进行是否要执行最小均方（lms）确定以改善位置准确度的判定。一般地，lms确定可以在跨所有活动网关的toa变化都具有相当的值、即所有网关具有相当的多路径延迟扩展时导致良好性能。如果340中的判定是是（yes），则在360中使用所有可用网关来执行lms确定。

优选地，在其中网关天线和微粒的高度明显不同的情况下，基于2d的方法将由于在2d坐标系中使用在3d坐标系中测量的toa而招致位置误差。如果微粒的高度通过其它设备是已知的，例如气压测量，则本发明包括一种用以补偿源自于网关和微粒之间的高度差的toa测量结果偏置的方法。

此外，本发明包括一种用以使用已知网关和微粒的高度信息以及所估计的微粒位置来补偿toa测量结果中的偏置以在没有或具有减小的来自高度差的偏置的情况下实现改善的位置估计的递归方法。

最终，算法选择elm解或lms解或者其组合（步骤365）并输出最终位置。到目前为止，获得了基于一个或多个分组进行的目标节点位置的单次估计。在目标节点进行更多连续发射的情况下，可以产生目标节点的位置的更多连续单次elm估计。所有这些单次估计可以被馈送到跟踪算法，例如卡尔曼滤波器370或另一适当算法，以跟踪目标节点的移动或如果目标节点正保持在静态的话改善位置准确度。

模拟已显示系统可以针对遭受各种多路径延迟扩展的网关实现稳健且高效的位置估计。在所有网关都具有相同或接近水平的延迟扩展的情况下，算法显示为是稳定的，并产生至少与常规lms方法相同的准确度。系统解决了2d位置估计问题，但是该思想可以被容易地扩展至处理3d位置估计。

本发明中的系统和方法在有跨不同接收网关的大但不均匀的多路径延迟扩展的情况下输送比最小均方法好得多的位置准确度。扩展的最小中值算法以低复杂性实现了良好的性能。与唯一严重多路径延迟的网关识别和去除技术、用以去除不可靠toa的toa与rssi和snr的融合方法以及用以缓解和补偿tdoa计算中的多路径偏置的方法组合，整个系统实现了甚至比简单的最小中值平方和最小均方法更好的性能。