一种基于测距误差模型修正的无线定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于测距误差模型修正的无线定位方法，包括以下步骤：1)布设锚节点，用锚节点相互测距定位，得出所属环境下距离值的均值μ与方差σ，得到测距误差模型ψ；2)在相同环境下重新布设锚节点、未知节点，未知节点和每一个锚节点间采用UWB信号进行TOA测距，得到实测距离3)根据步骤1)得到的均值μ与方差σ，计算出误差修正参数E1(ψ)；4)若待测节点的可通信节点数大于3，则修改由步骤2)测得的距离根据步骤3)得到的误差修正参数E1(ψ)，计算得到修正后的距离5)利用定位算法计算修正后的未知节点坐标。本发明从LOS和NLOS误差分布模型角度出发，在整体精度、稳定性及功耗方面更为优异，应用范围广，更具可行性。
【专利说明】一种基于测距误差模型修正的无线定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线定位【技术领域】，特别涉及一种基于测距误差模型修正的无线定位 方法。
【背景技术】
[0002] 随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对位置信息感知的需求也日益增 大。无线定位技术在军事国防、消防安全、智能家居、工程机械、人员定位、以及环境监测等 领域的应用越来越广泛。
[0003] 目前无线定位技术研究主要分为两大类：一种是基于测距定位技术，另一种是非 测距定位技术。相比而言，非测距的定位技术成本低、功耗小，但其定位精度不高，不能满足 许多应用领域中高精度要求。而基于测距的定位技术对网络的硬件设施要求高、计算量和 通信开销较大，但其定位精度高，如基于超宽带（UWB，Ultra Wideband)的测距方法结合到 达时间（TOA, time of arrival)来计算收发两端的距离，其定位精度理论上可提高至厘米 级。
[0004] 无线定位技术评价标准中最为重要及直接的指标是定位精度。实现无线定位或是 提高定位精度有许多种方式。例如，滤波的方法，通过修正滤波值和多次滤波来处理基于 Τ0Α的距离测量数据，改善定位效果；加权的方法，如运用bounding-box(包围盒）算法和 加权的线性二乘估计处理存在的测距误差；判定的方法，如根据NL0S (非视距，non-line of sight)鉴别结果分别对LOS (视距，Line of sight)条件和NL0S条件下的测距结果采取不 同的权重处理方法；循环迭代的方法，如根据非视距传播（NL0S)环境下的无线传感器网络 电波到达时间（Τ0Α)定位算法，对未知节点位置进行初步估计，将该估计值作为初始迭代 参考点，利用泰勒级数展开法进行迭代计算，得到未知节点位置的二次估计值。
[0005] 这类基于距离改进算法的研究都是独立地研究测距精度与定位精度，大多采用判 定、循环、加权等方法，从Τ0Α值、NL0S环境判别、节点信任度等方面来提高以上两种精度。 测距精度与定位精度是密不可分的，测距的误差在定位算法下存在对应的定位误差。目前 尚未对测距与定位的关系或者对基于测距的定位误差模型做相应的研究。
【发明内容】
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种操作简单、功耗低、定位精度高的基于测 距误差模型修正的无线定位方法。
[0007] 本发明解决上述技术问题的技术方案是包括以下步骤：
[0008] 1)布设锚节点，用锚节点相互测距定位，得出所属环境下锚节点间相互测距距离 值的均值μ与方差σ，得到测距误差模型ψ ;
[0009] 2)在相同环境下重新布设锚节点、未知节点，未知节点和每一个锚节点间采用 UWB信号进行Τ0Α测距，得到实测距离j ;
[0010] 3)根据步骤1)得到的均值μ与方差σ，计算出误差修正参数EiU);
[0011] 4)若待测节点的可通信节点数大于3,则修改由步骤2)测得的距离(?，根据步骤 3)得到的误差修正参数Ei ( Ψ)，计算得到修正后的距离3 ;
[0012] 5)利用定位算法计算修正后的未知节点坐标。
[0013] 相对于传统定位方法，本发明的有益效果在于：
[0014] 1、本发明对于仍能检测到直接路径DP的NL0S环境，最大程度地减小了近20cm 定位误差，定位误差均值小于0. 25m，且误差值非常稳定，平均的定位精度比传统的提高了 1. 03%;而对于无法检测到DP的NL0S环境，最大程度地减小了 1. 5m定位误差，定位误差均 值小于0.6m，其误差值也比较稳定，平均的定位精度比传统的提高了 3. 45%，在无法检测 到DP的NL0S环境下用于提高定位精度更有必要且效果更佳，在整体精度、稳定性及功耗方 面更为优异，更具可行性。
[0015] 2、本发明从L0S和NL0S误差分布模型角度出发，应用范围广，具有普遍性，在误差 统计特性已知的情况下具有良好的抗干扰性；
[0016] 3、本发明提出的无线定位方法不仅提高了定位精度，且与具有测距修正的算法比 较，拥有更好的鲁棒性。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的定位方法流程图。
[0018] 图2为本发明中UWB信道环境对应的误差模型及修正参数示意图。
[0019] 图3为本发明中极大似然估计法定位示意图。
[0020] 图4为本发明在仍能检测到DP的NL0S环境与传统算法的定位结果对比分析图。
[0021] 图5为本发明在无法检测到DP的NL0S环境下与传统算法的定位结果对比分析 图。
[0022] 图6为本发明与传统算法的定位误差均值对比分析图。
[0023] 图7为本发明与传统算法的定位误差方差对比分析图。
【具体实施方式】
[0024] 为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的 说明。
[0025] 如图1所示，本发明包括以下步骤：
[0026] 步骤一：布设锚节点，用锚节点相互测距定位，训练出所属环境下锚节点间相互测 距距离值的均值μ与方差σ，得到测距误差模型ψ。
[0027] 现有的基于Τ0Α估计的UWB测距误差模型，即：
[0028]
【权利要求】
1. 一种基于测距误差模型修正的无线定位方法，包括以下步骤： 1) 布设锚节点，用锚节点相互测距定位，得出所属环境下锚节点间相互测距距离值的 均值μ与方差σ，得到测距误差模型Ψ ; 2) 在相同环境下重新布设锚节点、未知节点，未知节点和每一个锚节点间采用UWB信 号进行ΤΟΑ测距，得到实测距离; 3) 根据步骤1)得到的均值μ与方差〇，计算出误差修正参数E1(Ψ); 4) 若待测节点的可通信节点数大于3,则修改由步骤2)测得的距离<5，根据步骤3) 得到的误差修正参数Ei ( Ψ)，计算得到修正后的距离3 ; 5) 利用定位算法计算修正后的未知节点坐标。
2. 如权利要求1所述的基于测距误差模型修正的无线定位方法，其特征在于：所述步 骤1)中，在LOS环境下，DP相当于最强路径SP，其他多径分量影响不明显，在此环境下的测 距误差模型为：
在NLOS环境下，此时仍能检测到直接路径DP，但是DP无法体现出明显主径的地位，在 此环境下的测距误差模型为：
在无法检测到DP的NLOS环境下，此环境下的测距误差模型为：
其中LOS为视距，NLOS为非视距，DP为直接路径，SP为最强路径。
3. 如权利要求1所述的基于测距误差模型修正的无线定位方法，其特征在于：所述步 骤2)中，所布设锚节点的数量大于等于3,其中至少有三个锚节点不在同一直线上。
4. 如权利要求1所述的基于测距误差模型修正的无线定位方法，其特征在于：所述步 骤3)中，误差修正参数E1( Ψ)的值为：
其中Φ (X)代表标准正态分布的分布函数。
5. 如权利要求4所述的基于测距误差模型修正的无线定位方法，其特征在于：所述步 骤4)中，设测得的距离为^，修正后的距离为，则有：
在LOS环境和仍能检测到DP的NLOS环境环境下，修正的距离为：
在无法检测到DP的NLOS环境下，修正后的距离为：
6.如权利要求1所述的基于测距误差模型修正的无线定位方法，其特征在于：所述步 骤5)中的定位算法采用极大似然估计法。
【文档编号】H04W64/00GK104093207SQ201410362608
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】姚志强, 谭姣, 盛孟刚, 简博宇, 曹璐云 申请人:湘潭大学