一种三维鲁棒估计定位方法技术

本发明专利技术提供一种三维鲁棒估计定位方法，属于无线定位技术领域。该方法步骤如下：获取关于定位目标的多个TDOA测量组，选择2个以上的有效测量组；计算每个有效测量组对应的初始权重；求解每个有效测量组对应的初始估计位置；针对每个有效测量组，根据其定位方程组以及其对应的初始权重和对应的初始估计位置，利用鲁棒估计对估计位置进行迭代更新，直至得到满足迭代停止条件的估计位置作为最终估计位置；其中，每次迭代还更新权重；计算所有最终估计位置的平均值作为定位目标的最终定位结果。本发明专利技术在求解最终估计位置时，不仅对估计位置进行迭代更新，还更新权重，能够有效克服NLOS误差带来的不利影响，取得较高的定位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种三维鲁棒估计定位方法
本专利技术涉及一种三维鲁棒估计定位方法，属于无线定位

技术介绍
目前在无线定位过程中，因障碍物的遮挡而造成的非视距(NLOS)误差会对定位精度产生很大的影响。已有研究表明，在仅存在视距(LOS)传播的理想环境中或在移动台(MS)与所有基站(BS)之间的NLOS误差可被消除的环境中，能够实现较高的定位精度。然而，真实的室内外环境往往是复杂的LOS/NLOS混合环境，由于MS和BS的直达路径总是被障碍物所阻挡，所测得的观测数据包含由过度反射路径引起的大量误差，导致难以获得较好的定位精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种三维鲁棒估计定位方法，用以解决在复杂的LOS/NLOS混合环境下进行无线定位，难以获得较好的定位精度的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种三维鲁棒估计定位方法，步骤如下：(1)获取关于定位目标的多个TDOA测量组，根据TDOA测量组的测量质量选择2个以上的有效测量组；(2)计算每个有效测量组对应的初始权重；(3)构建每个有效测量组关于定位目标的定位方程组，求解每个有效测量组对应的初始估计位置；(4)针对每个有效测量组，根据其定位方程组以及其对应的初始权重和对应的初始估计位置，利用鲁棒估计对估计位置进行迭代更新，直至得到满足迭代停止条件的估计位置作为最终估计位置；其中，每次迭代还更新权重；(5)计算所有最终估计位置的平均值作为定位目标的最终定位结果。本方法的有益效果是：在求解最终估计位置时，不仅对估计位置进行迭代更新，还更新权重，能够有效克服NLOS误差带来的不利影响，取得较高的定位精度；另外，通过选用多组测量质量较高的TDOA测量组进行定位，一方面能够从源头上降低NLOS误差的影响，另一方面取所有最终估计位置的平均值作为最终定位结果，也能有效减小定位误差，进一步提高定位精度。为了选择出多个有效测量组，作为对上述三维鲁棒估计定位方法的一种改进，所述步骤(1)包括：计算每个TDOA测量组的残差平方和；选择残差平方和小于设定阈值的TDOA测量组作为有效测量组。为了计算每个有效测量组对应的初始权重，作为对上述三维鲁棒估计定位方法的另一种改进，所述步骤(2)包括：计算所有有效测量组的残差平方和的平均值，将平均值取倒数作为每个有效测量组对应的初始权重；或者分别计算各有效测量组的残差平方和的倒数，作为相应测量组对应的初始权重。为了计算每个有效测量组对应的初始估计位置，作为对上述三维鲁棒估计定位方法的又一种改进，所述步骤(3)包括：利用最小二乘算法求解每个有效测量组对应的初始估计位置。为了实现对定位目标的精准定位，作为对上述三维鲁棒估计定位方法的再一种改进，所述步骤(4)包括：对每个定位方程组进行Taylor级数展开，忽略二阶以上分量，构建关于定位目标位置偏差和残差的矩阵方程；利用最小二乘算法对所述残差对应的残差平方和进行微分求极值，得到定位目标的位置偏差通式；将对应的初始权重和对应的初始估计位置代入所述位置偏差通式对估计位置进行迭代更新，更新后的估计位置等于前一次估计位置加本次迭代所得的位置偏差，直至得到满足迭代停止条件的估计位置作为最终估计位置；其中，每次迭代还更新权重，更新后的权重等于前一次权重乘于权因子，所述权因子利用本次迭代所得的残差平方和得到。本专利技术还提供了另一种三维鲁棒估计定位方法，步骤如下：(1)获取关于定位目标的多个TDOA测量组，选择测量质量最高的一组作为有效测量组；(2)计算有效测量组对应的初始权重；(3)构建有效测量组关于定位目标的定位方程组，求解有效测量组对应的初始估计位置；(4)针对有效测量组，根据其定位方程组以及其对应的初始权重和对应的初始估计位置，利用鲁棒估计对估计位置进行迭代更新，直至得到满足迭代停止条件的估计位置作为定位目标的最终定位结果；其中，每次迭代还更新权重。本方法的有益效果是：在求解定位目标的最终定位结果时，不仅对估计位置进行迭代更新，还更新权重，能够有效克服NLOS误差带来的不利影响，取得较高的定位精度；另外，通过选用测量质量最高的TDOA测量组进行定位，也从源头上降低了NLOS误差的影响，能够进一步提高定位精度。为了选择出测量质量最高的TDOA测量组作为有效测量组，作为对上述三维鲁棒估计定位方法的一种改进，所述步骤(1)包括：计算每个TDOA测量组的残差平方和，选择残差平方和最小的一个TDOA测量组作为有效测量组。为了计算有效测量组对应的初始权重，作为对上述三维鲁棒估计定位方法的另一种改进，所述步骤(2)包括：计算有效测量组的残差平方和的倒数作为有效测量组对应的初始权重。为了计算有效测量组对应的初始估计位置，作为对上述三维鲁棒估计定位方法的又一种改进，所述步骤(3)包括：利用最小二乘算法求解有效测量组对应的初始估计位置。为了实现对定位目标的精准定位，作为对上述三维鲁棒估计定位方法的再一种改进，所述步骤(4)包括：对定位方程组进行Taylor级数展开，忽略二阶以上分量，构建关于定位目标位置偏差和残差的矩阵方程；利用最小二乘算法对所述残差对应的残差平方和进行微分求极值，得到定位目标的位置偏差通式；将对应的初始权重和对应的初始估计位置代入所述位置偏差通式对估计位置进行迭代更新，更新后的估计位置等于前一次估计位置加本次迭代所得的位置偏差，直至得到满足迭代停止条件的估计位置作为定位目标的最终定位结果；其中，每次迭代还更新权重，更新后的权重等于前一次权重乘于权因子，所述权因子利用本次迭代所得的残差平方和得到。附图说明图1是本专利技术实施例1的定位方法流程图；图2是本专利技术实施例1对应的MS的仿真结果图；图3是本专利技术实施例1对应的MS的定位误差波动情况图；图4是本专利技术实施例1对应的测距误差变化时MS的定位效果图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本专利技术进行进一步详细说明。在三维直角坐标系中，假设MS的真实位置坐标为X(x,y,z)；第i个基站BSi的位置坐标为Xi(xi,yi,zi),i＝1,2,3,...,m。MS到第i个基站BSi的距离为：令BS1为参考基站，di,1表示MS到基站BSi和BS1的实际距离差：di,1＝di-d1＝||Xi-X||-||X1-X||(2)利用超宽带(UWB)技术测量得到的TDOA测量值，可得到MS到基站BSi和BS1的测量距离差：Ri,1＝c·ti,1(3)其中，c为电磁波传播速度，ti,1为TDOA测量值，即MS到基站BSi和BS1的时间差。实施例1结合图1，本专利技术实施例1的定位方法主要包含以下步骤：步骤(1)：确定有效测量组在利用TDOA算法进行定位的过程中，TDOA测量值的质量对定位精度有着很大的影响。在真实环境中，MS和BS的直达路径总是被障碍物所阻挡，因NLOS产生的时间延迟，将导致MS到基站BSi和BS1的时间差ti,1偏大，从而导致测量距离差Ri,1与实际距离差di,1存在较大偏差，严重影响定位精度。设利用UWB技术获得K个TDOA测量组，当基站个数为m时，每组包含m-1个TDOA测量值，定义每个TDOA测量组的残差平方和为S(X)，则根据上面的分析可知，当由NLOS导致到达时间差ti,1偏大时，残差平方和S(X)会变大。因此，可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维鲁棒估计定位方法，其特征在于，步骤如下：(1)获取关于定位目标的多个TDOA测量组，根据TDOA测量组的测量质量选择2个以上的有效测量组；(2)计算每个有效测量组对应的初始权重；(3)构建每个有效测量组关于定位目标的定位方程组，求解每个有效测量组对应的初始估计位置；(4)针对每个有效测量组，根据其定位方程组以及其对应的初始权重和对应的初始估计位置，利用鲁棒估计对估计位置进行迭代更新，直至得到满足迭代停止条件的估计位置作为最终估计位置；其中，每次迭代还更新权重；(5)计算所有最终估计位置的平均值作为定位目标的最终定位结果。

【技术特征摘要】
1.一种三维鲁棒估计定位方法，其特征在于，步骤如下：(1)获取关于定位目标的多个TDOA测量组，根据TDOA测量组的测量质量选择2个以上的有效测量组；(2)计算每个有效测量组对应的初始权重；(3)构建每个有效测量组关于定位目标的定位方程组，求解每个有效测量组对应的初始估计位置；(4)针对每个有效测量组，根据其定位方程组以及其对应的初始权重和对应的初始估计位置，利用鲁棒估计对估计位置进行迭代更新，直至得到满足迭代停止条件的估计位置作为最终估计位置；其中，每次迭代还更新权重；(5)计算所有最终估计位置的平均值作为定位目标的最终定位结果。2.根据权利要求1所述的三维鲁棒估计定位方法，其特征在于：所述步骤(1)包括：计算每个TDOA测量组的残差平方和；选择残差平方和小于设定阈值的TDOA测量组作为有效测量组。3.根据权利要求2所述的三维鲁棒估计定位方法，其特征在于：所述步骤(2)包括：计算所有有效测量组的残差平方和的平均值，将平均值取倒数作为每个有效测量组对应的初始权重；或者分别计算各有效测量组的残差平方和的倒数，作为相应测量组对应的初始权重。4.根据权利要求3所述的三维鲁棒估计定位方法，其特征在于：所述步骤(3)包括：利用最小二乘算法求解每个有效测量组对应的初始估计位置。5.根据权利要求4所述的三维鲁棒估计定位方法，其特征在于：所述步骤(4)包括：对每个定位方程组进行Taylor级数展开，忽略二阶以上分量，构建关于定位目标位置偏差和残差的矩阵方程；利用最小二乘算法对所述残差对应的残差平方和进行微分求极值，得到定位目标的位置偏差通式；将对应的初始权重和对应的初始估计位置代入所述位置偏差通式对估计位置进行迭代更新，更新后的估计位置等于前一次估计位置加本次迭代所得的位置偏差，直至得到满足迭代停止条件的估计位置作为最终估计位置；其中，每次迭代还...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊，张海洋，毛鹏军，杜壮壮，苏鹏，赵凯旋，宋贺祥，曹屹朋，路远方，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南,41