专利名称：一种基于残差加权的tdoa蜂窝定位方法
技术领域：
本发明涉及一种在蜂窝通信网络中实现移动站可靠定位的方法，属于无线电定位技术领域。
背景技术：
TDOA(Time Difference Of Arrival，差分时延)无线电定位技术的历史由来已久，早在60年代就大量应用于水声信号的探测及声纳信号处理，80年代初期曾出现过研究时差估计的热潮，之后由于硬件速度和算法的复杂度限制，进入相对冷寂的时期。进入90 年代以来，时差估计又重新得到人们的重视，其应用范围从水声信号扩展到了一般通信信号及雷达信号，并且研究手段大大丰富。此外，军方需求，如辐射源测向、定位(分别也叫无源测向、定位)，一直以来都在推动着无线电定位技术的持续发展。最近，民用蜂窝通信 (3G/LTE/4G)的蓬勃发展，催生了大量基于移动台高精度位置信息的上层服务，其广阔的市场前景激发了人们对无线电定位(尤其是蜂窝定位)技术的研究热情。1994年，Chan和Ho提出了一种基于TDOA双曲线定位的方法(Chan法)(Y. T. Chan and K. C. Ho, "A simple and efficient estimator for hyperboliclocation,，，IEEE Trans. Signal Processing, vol. 42，pp. 1905—1915，August 1994.)。根据 Chan 法，如果测量的TDOA噪声较小且不含NLOS偏差，Chan法能利用测量方差信息简单而高效地求得位置估计，且该位置估计值的性能接近CR界，属一种应用范围较窄的最优定位， 当定位环境较复杂(如在建筑密集的城区)，由于测量噪声较大或测量值中存在较大 NLOS (Non-Line-Of-Sight，非视距)偏差，Chan法的性能会迅速下降。为抑制NLOS偏差的影响，1999年Chen给出了一种基于平方残差加权定位的方法 (Rwgh法)(P. -C. Chen,"A non-1ine-of-sight error mitigation algorithm inlocation estimation,，，in Proc. IEEE Wireless Communications NetworkingConference, vol.1, pp. 316-320，1999.)。一般来说，在最小二乘(U)意义下，发生NLOS的基站一般会存在相对较大的平方残差。Rwgh法以平方残差作为NLOS度量，通过求解不同的基站组合下的非线性 LS位置估计，计算其组合内的平方残差，并以该残差的倒数对该组合位置解进行加权，以抑制NLOS效应，得到最终解。在各种测量值下，Rwgh法总是能给出一个平方残差度量下的估计值，但由于不同组合求解时采用非线性LS，计算量相对较大。作为目前得到较多应用的两种无线电定位方法，Chan法和Rwgh法都可应用于蜂窝系统的定位，但二者各自独立应用于目前的蜂窝定位系统，都具有其自身的局限，因此， 有必要深入研究两种方法的模型基础和应用场合，融合Chan法和Rwgh法各自的优势，修正其LS下平方残差的NLOS度量，给出新的更加精确的NLOS度量(如本发明提出带符号残差 SR)，在不过多增加计算量的前提下，同时实现估计精度的提高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的技术问题提出一种新的NLOS度量，并在该度量下将Chan与Rwgh相结合，提供一个在蜂窝系统中基于TDOA方式实现高效可靠定位的新方法。本发明所述的一种基于残差加权的TDOA蜂窝定位方法，包括如下步骤步骤一、对蜂窝基站数据进行分组对M个参与移动站定位的并且位置已知的蜂窝基站，其中服务基站为BS1，以BSJt 为定位参考点，且设置BS1位置坐标为^c1 = (Χι,Υι) = (0,0)；其它各蜂窝基站以B^1表示， 其中2彡m彡M ；记所述第m个基站的位置坐标为已知向量ι = (xffl, yffl)；利用服务基站BS1接收移动站信号的到达时延T1，同时其余M-I个基站也分别接收移动站该信号的到达时延Tm，然后将每个Tm都与T1作差，则可获得其余M-I个蜂窝基站相对于服务基站BS1的M-I个TDOA数据^，即
权利要求
1. 一种基于残差加权的TDOA蜂窝定位方法，其特征在于，包含如下步骤步骤一、对蜂窝基站数据进行分组对M个参与移动站定位的并且位置已知的蜂窝基站，其中服务基站为BS1,以BS1作为定位参考点，且设置BS1位置坐标为X1 = (Χι,Υι) = (0,0)；其它各蜂窝基站以B^1表示，其中2彡m彡M ；记所述第m个基站的位置坐标为已知向量ι = (xffl, yffl)；利用服务基站BS1接收移动站信号的到达时延τ”同时其余M-I个基站也分别接收移动站该信号的到达时延τω，然后将每个τω都与T1作差，则可获得其余 M-I个蜂窝基站相对于服务基站BS1个TDOA数据^，即^21=C(T2-T1),F31=C(T3-T1),…，Yml = c(Tm -T1),…，=C(rM -T1)，其中 c 为电波信号传播速度，Tm为第m个基站的接收到的来自移动站的信号的到达时延；在所获得的M-I个TDOA数据中，任取其中i个TDOA数据作为一个组合且2彡i^M-1, 记该组合中TDOA数据的下标集合为集合Sk，共有N个满足该条件的下标集合Sk，即 1 ^ k ^ N ；步骤二、对分组数据进行中间估计对N个下标集合所对应的TDOA数据分别进行单次估计，得到N个中间估计值，所述对每个下标集合&所对应的TDOA数据进行单次估计获得中间估计值的操作如下判断&的势|Sk|即&中元素个数，以及系数矩阵Ga的列秩，其中所述的系数矩阵Ga 为(M-I) X 3维的矩阵，第一列从第一行至第M-I行依次为基站BS2, BS3, . . . , BSm的横坐标值相反数，即["X2, -x3，...，-xM]T，第二列从第一行至第M-I行依次为基站BS2, BS3,...， BSm的纵坐标值相反数，即[_y2，_y3，...，-y ]T,第三列从第一行至第M-I行依次为基站BS2, BS3,...，B、WTDOA数据的相反数，即[-A1,-Z^31,...，-^M1f ；然后分如下情况获得中间估计值①若|Sk|= 2且&列满秩，则利用非线性最小二乘方法构建关于移动站位置坐标χ = (χ，y)的方程组，求解该方程组，将χ，y用变量Γι = "χ2 + /表出，表示移动站位置到BS1 的欧氏距离；在求解。的二次式时，如果η有两个正根P1和P2，则求得两组位置估计值P1 =(xpl，ypl)，P2= (xp2，yp2)，则根据预定的选根规则从中选出一组解，作为中间估计值;②若IskI>2且Ga列满秩，则采用两步加权最小二乘方法求解，在去相关处理时，从所获得的四组根中根据预定的选根规则选出一组解，作为中间估计值;所述在去相关处理时获得的四组根方法是去相关处理的结果Za3为2X 1的列向量，构造2X2的矩阵Rl，所述矩阵Rl第一列的两个元素分别为Za3中的两个元素各自求正平方根再分别取实部的结果，第二列为中的两个元素各自求负平方根再分别取实部的结果；然后构造R2矩阵，其也为2X2矩阵，矩阵R2的第一行为矩阵Rl的第一行，矩阵R2的第二行为矩阵Rl的第二行的相反数；将矩阵 Rl的两个列向量视为两组根，矩阵R2的两个列向量也视为两组根③若Ga列不满秩，利用线型阵列的定位方法求解时，先将权值矩阵Φ置为单位阵I，得到初始的直接最小二乘解，利用该直接最小二乘解求出对角阵B = diag(r2, r3, . . . , rM)的近似值，其中r2，r3,... ,rM分别表示移动站位置到基站BS2, BS3,. . . , BSm的欧氏距离；根据B再结合TDOA协方差矩阵Q可求得新的权值矩阵Φ =BQB，最后根据新的权值矩阵以及该线型阵列的定位方法，得到加权的最小二乘解，如果涉及多组解则根据预定的选根规则选出一组解，作为中间估计值、；存储所获得的上述N个中间估计值，上述过程可以其相应的集合&标记为
2.根据权利要求1所述一种基于残差加权的TDOA蜂窝定位方法，其特征在于，步骤三的方法2中，所述给中间估计值X^K赋予相对其它权值较小的权值采用线性加权规则，即对每个k，将每个&值作为移动站位置坐标χ代入所述全集带符号残差函数J' (X)，共求N 次；然后按照如下公式由所获得的N个全集带符号残差函数值J'(X^k)计算相应下标集合的权值wk且1彡k彡N，
3.根据权利要求1或2所述一种基于残差加权的TDOA蜂窝定位方法，其特征在于，步骤二中，所述的选根规则为在步骤二所述三种情况中，涉及在有限的多个根Pn中作选择时，选取使得下述J(X) 函数值最小的Pn作为正确解Ik，
4.根据权利要求1或2所述一种基于残差加权的TDOA蜂窝定位方法，其特征在于，步骤二中，所述的选根规则为在步骤二所述三种情况中，涉及在有限的多个根Pn中作选择时，采用如下基于带符号残差的选根方法首先，定义基于χ-y平面上点χ = (χ，y)处的全集带符号残差函数J' (χ)
全文摘要
本发明公开了一种基于残差加权的TDOA蜂窝定位方法，属于属于无线电定位技术领域。首先对蜂窝基站数据进行分组，然后对每个下标集合Sk所对应的TDOA数据进行单次估计获得中间估计值，利用中间估计值计算平方残差或全集带符号残差得到相应权值，利用权值对中间估计值做归一化加权，得到该移动站的最终位置估计值。在步骤二中利用全集平方残差函数或者全集带符号残差函数进行选根。本方法实现Chan法的简单高效和Rwgh法的鲁棒性好和抗NLOS能力等优势的融合，在不过多增加计算量的同时实现估计精度的提高，仿真验证了本发明中算法能够实现在蜂窝通信系统中快速而高效的移动站定位功能以及相对较好的抗NLOS能力。
文档编号H04W64/00GK102395197SQ201110341369
公开日2012年3月28日 申请日期2011年11月2日 优先权日2011年11月2日
发明者刘珩, 卜祥元, 李祥明, 江成能 申请人:北京理工大学