專利名稱：利用鄰站測距輔助測角的非直達波定位方法
技術領域：
本發明屬無線通信基站網絡的目標定位范疇，涉及非直達波傳播環境中通過測 量多站到目標之間的距離獲取目標位置信息的方法。
背景技術：
以無線通信基站網絡為基礎設施獲取目標或用戶的位置信息在無線通信增值業務、無線通信 網絡優化和安全方面具有十分重要的價值。影響目標定位精度的因素包括定位參數測量系統 引入的定位誤差和無線通信環境中非直達波傳播效應導致的定位誤差。雖然無線通信基站網 絡為實現目標或用戶自動定位功能提供了現成的基礎設施，但復雜的無線電傳播環境常常使 傳統的定位技術遇到很大的挑戰。
為抑制非直達波傳播導致的定位估計精度惡化問題， 一般采用兩類方法， 一類方法是在 常規定位方法的基礎上進行改進，例如，基于直達波參數重建的定位方法、殘差加權方法、 誤差校正方法等；另一類方法是發展新的非直達波精確定位理論和算法，例如，數據庫相關 定位方法、基于雙向信道參數測量的定位方法、基于散射信息的定位算法等。要達到抑制非 直達波傳播對目標定位性能影響的目的，前一類方法不是需要對較大范圍內運動的目標進行 較長時間的多次測量就是需要較多的基站測量提供關于目標位置的冗余信息，后一類方法則 嚴重的依賴定位系統對移動通信無線傳播環境信息的了解程度。上述前提條件大大限制了這 些方法的應用，使非直達波傳播環境中的精確定位受到制約。
本發明的目的是提供一種在非直達波傳播環境中高精度的確定目標位置信息的方法，改 善通過測量多站到目標之間的距離獲取目標位置信息的定位系統在非直達波傳播情況下的 定位精度和穩健性。本方法只需要目標和主站、鄰站之間的一次測距結果，并且不要求定位 系統知道移動通信無線傳播環境的細節信息就能達到抑制非直達波傳播對目標定位性能影
響的目的。
本發明的目的是這樣達到的 一種利用鄰站測距輔助測角的非直達波定位方法，其特征 在于利用主站的測距結果和角度搜索范圍確定目標位置的搜索范圍，在目標位置搜索范圍 內，計算每個候選目標與鄰站之間的距離估計，通過比較距離估計與鄰站的測距結果之間的 差值，確定角度搜索范圍內的每個角度的代價，根據最小代價對應的角度確定目標相對于主 站的測角結果，最后利用主站測距結果和利用鄰站測距結果得到的測角結果確定目標的位 置。根據這種方法所實施的具體步驟是
首先，確定主站和W個鄰站的測距結果和角度搜索范圍、每個搜索角度； 其次，根據主站的測距結果和每個搜索角度，確定候選的目標位置； 根據候選的目標位置確定候選的目標與W個鄰站之間的距離估計； 然后，確定W個鄰站的測距結果與距離估計之間的差值； 確定角度搜索范圍內的每個角度的代價； 根據角度搜索范圍內代價的最小值確定測角結果； 最后，根據主站的測距結果和鄰站測距輔助的測角結果確定目標。
設目標位于[x。，力]，主站位于坐標原點，目標與主站之間的距離為r。，第n個鄰站的坐 標為h,h]，目標與鄰站之間的距離為^， " = l，2，...，iV，確定的主站和W個鄰站的測距結 果是&，打=0,1,2,...,^;確定角度搜索范圍是0。到360。之間。
所述確定的主站的測距結果是4， 4=rQ+wQ，其中，W。為主站測距系統引入的測距 誤差，w個鄰站的測距結果是4， &=^+、+V ，其中，w"為鄰站測距系統引入的測距 誤差，v"為鄰站因為非直達波傳播效應導致的測距誤差，"=l,2,...,iV;
每個搜索角度是 <formula>formula see original document page 5</formula>。
所述根據主站的測距結果和每個搜索角度，確定候選的目標位置是； <formula>formula see original document page 5</formula>
根據候選的目標位置確定候選的目標與W個鄰站之間的距離估計；
<formula>formula see original document page 6</formula>
所述確定N個鄰站的測距結果與距離估計之間的差值是確定N個鄰站的測距結果與距
離估計之間的差值為=
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，r是懲罰系數，非直達波傳播效應越嚴重，總的測距誤差為正數的概率就越大，
懲罰系數r的設置越大，"=l,2，...，iV， A = 1，2，...,K。
確定角度搜索范圍內的每個角度的代價為-
其中，"V^S—S…^^^， "2… ]是自然數[1 2…iV]的一種排列，
對應k &…^]從小到大的排列秩序，a=i,2，...,a:， a是一個可以調整的整數，
當W等于2時可以選擇^-0 ，當W大于2時可以選擇a^1; 根據角度搜索范圍內代價的最小值確定測角結果是《，其中《為
A: = arg min 。
所述根據主站的測距結果和測角結果確定目標的位置[^,少。]=|7。cos(《)J。sin(《)]。 與現有的多站測距定位方法比較，本發明有兩個突出的特點-
由于目標位于一個主站的通信服務區內，與目標到鄰站之間的距離相比，目標到主站之 間的距離一般是最短的。大量的實驗測量結果表明，目標到基站之間的距離越大，測距結果 中非直達波傳播效應導致的測距誤差的方差越大，并且近似的與目標到基站之間的距離成正 比。此外，由于目標并不位于鄰站的通信服務區內，目標和鄰站之間存在非直達波傳播的概 率往往較大。因此，對于位于一個主站服務區內的目標而言，目標到主站之間的測距結果中 非直達波傳播效應導致的測距誤差與目標到鄰站之間的測距結果中非直達波傳播效應導致 的測距誤差相比，幾乎可以忽略的概率往往較大。本發明的第一個特點就是利用了這種主站 和鄰站測距結果中非直達波傳播效應導致的測距誤差之間的差異性， 一方面利用主站的測距 結果提供高精度的目標距離信息，另一方面利用鄰站測距結果提供高精度的測角結果，再利用目標距離信息和測角結果確定目標位置。由于避免了目標到鄰站之間的測距結果中非直達 波傳播效應導致的測距誤差對目標距離信息的影響，因此有效的提高了多站測距定位的估計 精度。
現有的大多數多站測距定位方法使用的都是均方測量誤差最小準則、最小二乘準則或最 小絕對偏差準則。這些經典的統計優化準則存在兩個方面的缺陷， 一是在利用各個測距結果 之間的差異性時，只考慮了不同的測距系統引入的測距誤差的差異性，很少考慮無線通信環 境中不同的非直達波傳播效應導致的測距誤差的差異性，二是采用簡單的加權形式區分不同 的測距結果中的誤差對總誤差的貢獻。由于目標并不位于鄰站的通信服務區內，目標和鄰站 之間存在非直達波傳播的概率很大，因此仍使用所有的測距結果中的誤差構造定位準則是不 恰當的。本發明的第二個特點就是利用序統計量構造定位準則，盡量避免目標和鄰站之間存 在的非直達波傳播導致的大誤差對定位結果的影響，有效提高多站測距定位的穩健性。
試驗結果表明，對于定位誤差小于100米的累積概率而言，本發明的利用鄰站測距輔助 測角的非直達波定位方法比相同的試驗條件下的Chan方法提高了約20%。


圖1示出本發明的利用鄰站測距輔助測角的非直達波定位方法的流程圖。 圖2示出試驗中的布站位置，中心是主站，其它是鄰站，目標位于主站lkm以內。 圖3示出本發明的使用主站和右邊兩個鄰站測距時定位誤差累積概率比較的圖。 圖4示出本發明的使用主站和三個鄰站測距時定位誤差累積概率比較的圖。 圖5示出本發明的使用主站和四個鄰站測距時定位誤差累積概率比較的圖。 圖3、圖4和圖5中的實線連接" "表示本發明的利用鄰站測距輔助測角的直達波定位 方法的定位誤差累積概率，虛線連接" "表示相同的試驗條件下Chan方法在目標與各站之 間都是直達波傳播假設下的定位誤差累積概率。
具體實施例方式
附圖給出了本發明的一個具體實施例。
主要術語與符號定義
W 參與測距定位的鄰站個數
目標位置坐標 第"個鄰站的坐標
r。 目標與主站之間的距離
& 目標與主站之間的測距結果
r 目標與鄰站之間的距離
& 目標與鄰站之間的測距結果
主站測距系統引入的測距誤差 鄰站測距系統引入的測距誤差 鄰站因為非直達波傳播效應導致的測距誤差
《 角度搜索范圍內的角度
^ 候選目標與第"個鄰站之間的距離估計
r 懲罰系數
角度《的代價
以下結合附圖對本發明的具體實施方式
進行說明。
考慮1個主站和W個鄰站參與的平面測距定位問題，目標位于[;c。，少。]，主站位于坐標原點， 目標與主站之間的距離為r。，第"個鄰站的坐標為[x",;;"]，目標與鄰站之間的距離為r ， /7 = l,2，.",iV。
一般采用零均值高斯分布近似測距系統引入的測距誤差，但是在復雜的定位環境中難以 建立準確的測距誤差模型來描述非直達波傳播效應，采用復合指數分布近似非直達波傳播效 應導致的測距誤差。由于目標位于主站服務區內，與目標到鄰站之間的距離相比，目標到主 站之間的距離是最短的，目標到主站之間的測距結果中非直達波傳播效應導致的測距誤差可
以忽略。因此，目標到主站之間的測距結果可以表示為
&=^)+"0 (1) 由于目標并不位于鄰站的通信服務區內，目標到鄰站之間的存在非直達波傳播的概率較大， 目標到鄰站之間的測距結果可以表示為
(2)
其中，w。為主站測距系統引入的測距誤差，w"為鄰站測距系統引入的測距誤差，V 為鄰站因為非直達波傳播效應導致的測距誤差，"=1,2,...,7V。
目標相對于主站的角度肯定位于0。到36(T之間，這就是角度搜索范圍。將角度搜索范圍 均勻的等分成《個角度，即《=^-1)^， 4 = 1,2,...,尺。對于角度搜索范圍內的每個角度
《
《，確定候選目標的坐標為<formula>formula see original document page 9</formula>(3)
其中，A = l，2,...，〖。
候選目標與第"個鄰站之間的距離估計為
<formula>formula see original document page 9</formula> (4) 其中，"=1,2，...,W， /t = l，2,...,^。
由于目標和鄰站之間的存在非直達波傳播的概率較大，仍使用所有的測距結果中的誤 差構造定位準則是不恰當的。為了盡量避免目標和鄰站之間存在的非直達波傳播導致的大 誤差對定位結果的影響，從而有效的提高了多站測距定位的穩健性，有必要采用序統計量 構造定位準則。確定N個鄰站的測距結果與距離估計之間的差值為
當4-⑤
當&—^<0
其中，r是懲罰系數，"=i,2,...,iv， /t = i,2，...，^。設置懲罰系數r的原因是目標與鄰站之 間的測距結果中非直達波傳播效應導致的測距誤差總是正數，并且非直達波傳播效應越嚴重，總的測距誤差為正數的概率就越大，懲罰系數r也就可以設置得越大。
若要避免目標和鄰站之間存在的非直達波傳播導致的最大的^個誤差對定位結果的 影響，則可以采用序統計量確定角度搜索范圍內的每個角度的代價為
<formula>formula see original document page 10</formula> (6)
其中，S一^^^S…^Sw h "2… ]是自然數[1 2…iV]的一種排列， 對應k e2/t…s股]從小到大的排列秩序，& = 1,2,...，〖，/J是一個可以調整的整數，
當^等于2時可以選擇^ = 0，當W大于2時可以選擇《>1。
根據角度搜索范圍內代價的最小值確定測角結果《，其中《為
<formula>formula see original document page 10</formula> (7)
根據主站的測距結果和測角結果確定目標的位置為
<formula>formula see original document page 10</formula> (8)
圖1示出根據本發明的流程圖。 流程開始于步驟101。
在步驟1021，確定主站和N個鄰站的測距結果4， n = l,2,...，iV; 在步驟1022，確定角度搜索范圍是0°到360°，每個搜索角度是
<formula>formula see original document page 10</formula> (9)
在步驟1031，根據主站的測距結果和每個搜索角度，確定候選目標的位置
<formula>formula see original document page 10</formula> (10)
在步驟1032，根據候選目標的位置確定候選的目標與W個鄰站之間的距離估計
<formula>formula see original document page 10</formula> (11)
其中，"=1，2,...,AA， A: = l,2,...,/:。
在歩驟1041，確定N個鄰站的測距結果與距離估計之間的差值
<formula>formula see original document page 11</formula>其中，r是懲罰系數，非直達波傳播效應越嚴重，總的測距誤差為正數的概率就越大， 懲罰系數r也就可以設置得越大<formula>formula see original document page 11</formula>在步驟1042，確定角度搜索范圍內的每個角度的代價為
<formula>formula see original document page 11</formula> 其中<formula>formula see original document page 11</formula> h2…"」是自然數[1 2…W]的一種排列， 對應[& e24…^]從小到大的排列秩序，& = 1,2，...,〖，A是一個可以調整的整數，
當W等于2時可以選擇5=0，當W大于2時可以選擇A上1。 在步驟1043，根據角度搜索范圍內代價的最小值確定測角結果《，其中《為
"arg mjn (14)
在步驟105，根據主站的測距結果和測角結果確定目標的位置
,<formula>formula see original document page 11</formula>根據本發明的流程結束于步驟106。
試驗按照圖2示出的布站位置，中心是主站，其它是鄰站，主站與鄰站之間的距離大約 等于2km，主站的通信服務區是以主站為中心、半徑等于l公里的圓以內，目標均勻的位于 主站的通信服務區內。各站的測距系統引入的測距誤差滿足零均值、標準差等于15米的高 斯噪聲，目標與鄰站之間非直達波傳播效應導致的測距誤差滿足復合指數分布，
艮<formula>formula see original document page 11</formula>(16)
其中，；為目標到鄰站之間的直線距離，"=l，2，...,iV， r為l公里處距離擴展的中值，^為 路損指數，隨機變量"滿足標準差為 的對數正態分布。在or。-2dB、 ；^0.5和r:60米的 郊區環境下，圖3、圖4和圖5分別示出了本發明使用主站和右邊的兩個鄰站、三個鄰站和 四個鄰站測距時的定位誤差累積概率比較的圖，其中，懲罰系數1=2000米，與定位誤差(橫
坐標)對應的累積概率(縱坐標)等于<formula>formula see original document page 11</formula>小于定位誤差的概率，三種情
況下的^分別等于0， 1和1，實線連接" "表示本發明的利用鄰站測距輔助測角的非直達 波定位方法的定位誤差累積概率，虛線連接" "表示相同的試驗條件下Chan方法在目標與 各站之間都是直達波傳播假設下的定位誤差累積概率。可見，本發明的利用鄰站測距輔助測 角的非直達波定位方法明顯改善了多站測距定位的精度和穩健性能，例如，對于定位誤差小 于100米的累積概率而言，本發明的利用鄰站測距輔助測角的非直達波定位方法比相同的試 驗條件下的Chan方法提高了約20%。
雖然已經參考附圖對本發明的一種利用鄰站測距輔助測角的非直達波定位方法以二維 平面定位的舉例方式進行了描述，但是本發明不限于上述這些細節，同樣適用于在非直達波 傳播環境中改善三維測距定位系統的性能，并且本申請含蓋權利要求范圍之內的各種變型或 改變。在工業應用中，將本發明提出的一種利用鄰站測距輔助測角的非直達波定位方法應用 于無線蜂窩網絡中的多站測距定位系統，可滿足非直達波傳播情況下通過測量多站到目標之 間的距離獲取目標位置信息的定位系統對高精度、穩健定位的要求。
權利要求
1、一種利用鄰站測距輔助測角的非直達波定位方法，其特征在于利用主站的測距結果和角度搜索范圍確定目標位置的搜索范圍，在目標位置搜索范圍內，計算每個候選目標與鄰站之間的距離估計，通過比較距離估計與鄰站的測距結果之間的差值，確定角度搜索范圍內的每個角度的代價，根據最小代價對應的角度確定目標相對于主站的測角結果，最后利用主站測距結果和利用鄰站測距結果得到的測角結果確定目標的位置，其具體步驟是首先，確定主站和N個鄰站的測距結果和角度搜索范圍、每個搜索角度；其次，根據主站的測距結果和每個搜索角度，確定候選的目標位置；并根據候選的目標位置確定候選的目標與N個鄰站之間的距離估計；然后，確定N個鄰站的測距結果與距離估計之間的差值；確定角度搜索范圍內的每個角度的代價；根據角度搜索范圍內代價的最小值確定測角結果；最后，根據主站的測距結果和鄰站測距輔助的測角結果確定目標的位置。
2、 如權利要求1所述的非直達波定位方法，其特征在于設目標位于[;c。,y。]，主站位于坐標原點，目標與主站之間的距離為r。，第"個鄰站的坐標為[Xn，K]，目標 與鄰站之間的距離為；，"=l,2,...,iV，確定的主站和W個鄰站的測距結果是4 ， "=0，l,2，...,iV;確定的角度搜索范圍是0°到360°之間。
3、 如權利要求1或2所述的非直達波定位方法，其特征在于所述確定的主站 的測距結果是4， 4=^+^，其中，w。為主站測距系統引入的測距誤差，W個鄰 站的測距結果是4， & =^+W +V ，其中，、為鄰站測距系統引入的測距誤差，v" 為鄰站因為非直達波傳播效應導致的測距誤差，"=l，2,...,iV;確定的每個搜索角度是<formula>see original document page 2</formula>
4、 如權利要求1或2所述的非直達波定位方法，其特征在于所述根據主站的測距結果和每個搜索角度，確定候選的目標位置是<formula>see original document page 3</formula>根據候選的目標位置確定候選的目標與W個鄰站之間的距離估計；<formula>see original document page 3</formula> 其中，n=l,2，..N， k = l,2，...K。
5、如權利要求1或2所述的非直達波定位方法，其特征在于所述確定N個鄰站的測距結果與距離估計之間的差值是<formula>see original document page 3</formula>其中，T是懲罰系數，n=l，2，...,N， k = l，2,...,K確定角度搜索范圍內的每個角度的代價為J(k)=εnN-n其中,εn1k≤εn2k≤...≤εnNk[n1, n2…nM]是自然數[1 2,...,N]排列，對應[ε1k,ε2k …εNk]從小到大的排列秩序，k = 1,2,...，K，n式一個可以調整的整數，當N等于2時選擇n=0，當N大于2時選擇1≤n;根據角度搜索范圍內代價的最小值確定測角結果是θk，其中(k-<formula>see original document page 3</formula>
6、如權利要求1或2所述的非直達波定位方法，其特征在于所述根據主站的測距結果和鄰站測距輔助的測角結果確定目標的位置<formula>see original document page 3</formula>
全文摘要
利用鄰站測距輔助測角的非直達波定位方法屬無線通信基站網絡的目標信息定位范疇，涉及通過測量多站到目標之間的距離獲取目標位置信息的方法。利用主站的測距結果和角度搜索范圍確定目標位置的搜索范圍，在目標位置搜索范圍內，計算每個候選目標與鄰站之間的距離估計，通過比較距離估計與鄰站的測距結果之間的差值，確定角度搜索范圍內的每個角度的代價，根據最小代價對應的角度確定目標相對于主站的測角結果，最后利用主站測距結果和利用鄰站測距結果得到的測角結果確定目標的位置。本方法有效的提高了多站測距定位的估計精度和定位的穩健性。對于定位誤差小于100米的累積概率而言，本發明比相同的試驗條件下的Chan方法提高了約20％。
文檔編號H04Q7/38GK101201398SQ20071005070
公開日2008年6月18日 申請日期2007年12月5日 優先權日2007年12月5日
發明者群 萬, 瑛 張, 杜亞平, 郭賢生, 陳璋鑫, 黃際彥 申請人:電子科技大學