非视距环境下基于TOA模式的高精度快速定位方法技术

一种非视距环境下基于TOA模式的高精度快速定位方法，根据距离观测值得到移动站与各基站之间的基本定位方程；选取距离观测值最小时对应的移动站与基站之间的基本定位方程作为基准方程，其它移动站与基站之间的基本定位方程与基准方程相减，得到最小二乘的标准形式；构造L1范数表达形式，转化为附加等式线性约束的L1范数表达形式；给出交替方向法求解的迭代过程，得到移动站的定位解；将定位解带入L1范数表达式中，求得绝对值残差，若最大绝对值残差与绝对值残差的中位数比值大于预设值，输出该移动站的定位解；否则采用下一个距离观测值对应的移动站与基站之间的基本定位方程作为基准方程。本发明专利技术能够降低非视距误差对定位精度的影响。

【技术实现步骤摘要】
非视距环境下基于TOA模式的高精度快速定位方法
本专利技术属于无线定位
，具体涉及一种非视距环境下基于TOA模式的高精度快速定位方法。
技术介绍
由于环境的复杂性，信号自发送端发出后，在到达接收端的过程中，往往存在不同程度的遮挡，从而引入非视距(non-line-of-sight，NLOS)误差。尤其是在室内定位和5G定位领域，非视距误差的存在会严重降低定位系统的精度和性能，最为严重的后果是导致定位结果发散，从而造成定位结果失败。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种非视距环境下基于TOA模式的高精度快速定位方法，能够降低非视距误差对定位精度的影响。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种非视距环境下基于TOA模式的高精度快速定位方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、确定各固定基站的坐标，以及移动站接收到移动站与各个固定基站之间的距离观测值；根据距离观测值得到移动站与各基站之间的基本定位方程；S2、对所述的距离观测值按照从小到大进行排序，选取距离观测值最小时对应的移动站与基站之间的基本定位方程，作为基准方程，其它移动站与基站之间的基本定位方程与基准方程相减，得到最小二乘的标准形式；S3、构造L1范数表达形式，为了应用交替方向法，引入新的变量，从而将L1范数表达形式转化为附加等式线性约束的L1范数表达形式；S4、对所述的附加等式线性约束的L1范数表达形式，给出交替方向法求解的迭代过程，得到移动站的定位解；S5、将S4得到的移动站的定位解带入L1范数表达式中，求得绝对值残差，如果最大绝对值残差与绝对值残差的中位数比值大于预设值，则输出该移动站的定位解；否则，采用下一个距离观测值对应的移动站与基站之间的基本定位方程作为基准方程，返回S2。按上述方法，所述的S1采用二维平面定位场景，各固定基站的坐标为二维笛卡尔坐标；移动站与第i个基站之间的基本定位方程为：其中，x、y分别为移动站二维笛卡尔坐标的横坐标和纵坐标，xi、yi为第i个基站二维笛卡尔坐标的横坐标和纵坐标；di为移动站与第i个基站之间的距离观测值；ηi和εi分别代表均值为0方差为的高斯白噪声和NLOS误差，两者之间的大小关系为：i∈φL代表移动站到第i个基站为LOS信号传输；i∈φNL则代表移动站到第i个基站为NLOS信号。按上述方法，设第j个基站与移动站之间的基本定位方程为基准方程；通过其它基站与移动站之间的基本定位方程与基准方程相减，得到：式中，xj、yj为第j个基站二维笛卡尔坐标的横坐标和纵坐标；ηj代表均值为0方差为的高斯白噪声；然后，将其转化为最小二乘的标准形式AX-b＝E，则有X＝[x,y]T,E＝[E1…EN]T(4)其中，式中，A为设计矩阵，X为移动站未知二维坐标向量，b为最小二乘拟合距离向量，E为定位残差向量，x1-xN为第1-N个固定基站的横坐标，y1-yN为第1-N个固定基站的纵坐标，d1-dN为移动站与第1-N个固定基站之间的距离观测值，Ei为根据定位结果得到的第i个基站与移动站之间的距离差值，N为固定基站的总数。按上述方法，所述的S3中，L1范数表达形式为：min||AX-b||1(6)引入新的变量z，从而公式(6)有最新的表达形式式中，s.t.为使得z满足AX-b的受约束条件；所述的S4具体为：将公式(7)转化为拉格朗日形式，有式中，L(z,X,w)为拉格朗日表达式，w是拉格朗日乘子，ρ＞0是罚参数；对公式(8)的求解，采用交替方向法迭代公式有式中，zk+1、Xk+1和wk+1分别为第k+1次迭代的定位残差向量、移动站坐标和拉格朗日乘子，wk为第k次迭代的拉格朗日乘子；对公式(9)进行处理后，得到最终的迭代形式为其中，S1/ρ(y)是一个符号算子，表征软阈值运算操作；当迭代K次收敛后，得到移动站的定位解X＝XK。按上述方法，所述的S5具体为：将移动站的定位解X带入公式(6)，从而获得绝对值残差E＝abs(AX-b)(11)若满足以下关系式则输出移动站的定位解X；式中，max(E)为最大绝对值残差，median(E)为中位绝对值残差；否则，基准方程选取不正确，采用下一个距离观测值对应的移动站与基站之间的基本定位方程作为基准方程，返回步S2，直到满足公式(12)为止。按上述方案，所述的预设值为4。本专利技术的有益效果为：针对非视距误差对以TOA为定位模式的定位系统影响很大的问题，在所有观测值当中，大部分信号是视距(line-of-sight,LOS)信号，少部分是NLOS信号，即定位环境是混合LOS/NLOS场景，且具有一定的稀疏特性的前提条件下，本专利技术提出交替方向法，降低非视距误差对定位精度的影响，具有运算时间非常快、足够满足工业界对算法速度的需求、同时精度得到很大提升、性能相对稳定且不发散的优点。附图说明图1为本专利技术一实施例的定位误差曲线图。具体实施方式下面结合具体实例和附图对本专利技术做进一步说明。本专利技术提供一种非视距环境下基于TOA模式的高精度快速定位方法，它包括以下步骤：S1、确定各固定基站的坐标，以及移动站接收到移动站与各个固定基站之间的距离观测值；根据距离观测值得到移动站与各基站之间的基本定位方程。本实施例采用二维平面定位场景，各固定基站的坐标为二维笛卡尔坐标，也可根据本专利技术思路扩展到三维。若移动站接收到的观测值为时间信号，可以通过与传播速度相乘，转化为距离观测值。移动站与第i个基站之间的基本定位方程为：其中，x、y分别为移动站二维笛卡尔坐标的横坐标和纵坐标，xi、yi为第i个基站二维笛卡尔坐标的横坐标和纵坐标；di为移动站与第i个基站之间的距离观测值；ηi和εi分别代表均值为0方差为的高斯白噪声和NLOS误差，两者之间的大小关系为：i∈φL代表移动站到第i个基站为LOS信号传输；i∈φNL则代表移动站到第i个基站为NLOS信号。S2、对所述的距离观测值按照从小到大进行排序，选取距离观测值最小时对应的移动站与基站之间的基本定位方程，作为基准方程，其它移动站与基站之间的基本定位方程与基准方程相减，得到最小二乘的标准形式。设第j个基站与移动站之间的基本定位方程为基准方程；通过其它基站与移动站之间的基本定位方程与基准方程相减，得到：式中，xj、yj为第j个基站二维笛卡尔坐标的横坐标和纵坐标；ηj代表均值为0方差为的高斯白噪声；然后，将其转化为最小二乘的标准形式AX-b＝E，则有X＝[x,y]T,E＝[E1…EN]T(4)其中，式中，A为设计矩阵，X为移动站未知二维坐标向量，b为最小二乘拟合距离向量，E为定位残差向量，x1-xN为第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非视距环境下基于TOA模式的高精度快速定位方法，其特征在于：它包括以下步骤：/nS1、确定各固定基站的坐标，以及移动站接收到移动站与各个固定基站之间的距离观测值；根据距离观测值得到移动站与各基站之间的基本定位方程；/nS2、对所述的距离观测值按照从小到大进行排序，选取距离观测值最小时对应的移动站与基站之间的基本定位方程，作为基准方程，其它移动站与基站之间的基本定位方程与基准方程相减，得到最小二乘的标准形式；/nS3、构造L1范数表达形式，为了应用交替方向法，引入新的变量，从而将L1范数表达形式转化为附加等式线性约束的L1范数表达形式；/nS4、对所述的附加等式线性约束的L1范数表达形式，给出交替方向法求解的迭代过程，得到移动站的定位解；/nS5、将S4得到的移动站的定位解带入L1范数表达式中，求得绝对值残差，如果最大绝对值残差与绝对值残差的中位数比值大于预设值，则输出该移动站的定位解；/n否则，采用下一个距离观测值对应的移动站与基站之间的基本定位方程作为基准方程，返回S2。/n

【技术特征摘要】
1.一种非视距环境下基于TOA模式的高精度快速定位方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、确定各固定基站的坐标，以及移动站接收到移动站与各个固定基站之间的距离观测值；根据距离观测值得到移动站与各基站之间的基本定位方程；
S2、对所述的距离观测值按照从小到大进行排序，选取距离观测值最小时对应的移动站与基站之间的基本定位方程，作为基准方程，其它移动站与基站之间的基本定位方程与基准方程相减，得到最小二乘的标准形式；
S3、构造L1范数表达形式，为了应用交替方向法，引入新的变量，从而将L1范数表达形式转化为附加等式线性约束的L1范数表达形式；
S4、对所述的附加等式线性约束的L1范数表达形式，给出交替方向法求解的迭代过程，得到移动站的定位解；
S5、将S4得到的移动站的定位解带入L1范数表达式中，求得绝对值残差，如果最大绝对值残差与绝对值残差的中位数比值大于预设值，则输出该移动站的定位解；
否则，采用下一个距离观测值对应的移动站与基站之间的基本定位方程作为基准方程，返回S2。


2.根据权利要求1所述的高精度快速定位方法，其特征在于：所述的S1采用二维平面定位场景，各固定基站的坐标为二维笛卡尔坐标；
移动站与第i个基站之间的基本定位方程为：



其中，x、y分别为移动站二维笛卡尔坐标的横坐标和纵坐标，xi、yi为第i个基站二维笛卡尔坐标的横坐标和纵坐标；di为移动站与第i个基站之间的距离观测值；ηi和εi分别代表均值为0方差为的高斯白噪声和NLOS误差，两者之间的大小关系为：i∈φL代表移动站到第i个基站为LOS信号传输；i∈φNL则代表移动站到第i个基站为NLOS信号。


3.根据权利要求2所述的高精度快速定位方法，其特征在于：设第j个基站与移动站之间的基本定位方程为基准方程；通过其它基站与移动站之间的基本定位方程与基准方程相减，得到：



式中，xj、yj为第j个基站二维笛卡尔坐标的横坐标和纵坐标；ηj代表均值为0方差为的高斯白噪声；
然后，将其转化为最小二乘的标准形式AX-b＝E，则...

【专利技术属性】
技术研发人员：何成文，袁运斌，
申请(专利权)人：中国科学院测量与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42