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技术方案

本发明专利技术涉及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。一种系统，至少包括移动设备（110）和多个网关（120a‑120g），所述网关（120a‑120g）的位置是已知的，其中，网关（120a‑120g）在操作上被布置成针对每个网关确定由移动设备（110）发出的信号的到达时间差（TDOA）。解算器单元（160）基于所述到达时间差（TDOA）来计算移动设备（110）的位置。解算器单元（160）实现ELM和LMS算法以基于一个或多个分组传输来计算移动设备的单次位置估计，并且包括用以判定是否需要运行LMS算法的程序和用以选择或组合来自ELM和LMS的位置输出以实现单次位置输出的程序。此外，解算器单元包括用以实现移动设备的跟踪或在设备为静态的情况下改善位置准确度的跟踪算法。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术的实施例涉及确定移动电子设备的位置的领域。
技术介绍
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，必须理解的是本专利技术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专利技术的示例进行描述。虽然很重要，但本申请并非限制性的，并且本专利技术也包括其中在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。在本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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用流程图来表示本专利技术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，并且本专利技术包含其中的全部。明确地意图在于本专利技术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，而不脱离本专利技术的范围。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。这对于在本专利技术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，本专利技术方法的第一步骤是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）残余本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种系统，至少包括目标节点或移动设备及多个网关，所述网关的位置是已知的，其中，网关被在操作上布置成针对每个网关确定由移动设备发出的信号的到达时间差，或者移动设备被在操作上布置成确定源自于网关的同步信号的到达时间差；所述系统还包括解算器单元，其在操作上被布置成基于所述到达时间差来计算移动设备的位置，其特征在于所述解算器单元被布置成产生位置候选列表，候选列表中的每个候选是基于从可用网关之中选择的三个或更多网关的组合的解，并且从所有可能的候选解或其组合中选择ELM位置输出。

【技术特征摘要】
2015.11.30 EP 15197110.81.一种系统，至少包括目标节点或移动设备及多个网关，所述网关的位置是已知的，其中，网关被在操作上布置成针对每个网关确定由移动设备发出的信号的到达时间差，或者移动设备被在操作上布置成确定源自于网关的同步信号的到达时间差；所述系统还包括解算器单元，其在操作上被布置成基于所述到达时间差来计算移动设备的位置，其特征在于所述解算器单元被布置成产生位置候选列表，候选列表中的每个候选是基于从可用网关之中选择的三个或更多网关的组合的解，并且从所有可能的候选解或其组合中选择ELM位置输出。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述解算器单元被布置成基于具有最小直到中值误差的候选解来计算移动节点的位置。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述解算器单元被布置成基于具有最小超过中值误差的候选解来计算移动设备的位置。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述解算器单元被布置成基于具有最小平均误差的候选解来计算移动设备的位置。5.根据权利要求1所述的系统，进一步被布置成丢弃受到多路径延迟影响的网关。6.根据权利要求1所述的系统，进一步被布置成计算每个网关的TOA变化并基于此而丢弃受到多路径延迟影响的网关。7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述解算器进一步被布置成基于其RSSI和SNR元数据而去除不可靠TOA。8.根据权利要求1所述的系统，进一步被布置成缓解或补偿源自于多路径延迟扩展的TDOA中的偏置。9.一种确定移...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭孟康，
申请(专利权)人：商升特公司，
类型：发明
国别省市：美国,US