一种基于散射区模型的室外非视距传播单站定位方法技术

本发明专利技术涉及一种基于散射区模型的室外非视距传播单站定位方法，属于通信技术领域。方法包括：S1、获取室外非视距传播条件下经过散射体散射到达基站的多径信号参数，构建伪散射体分布；S2、使用高斯核函数衡量伪散射体分布密度来确定并过滤干扰散射体，使用K

【技术实现步骤摘要】
一种基于散射区模型的室外非视距传播单站定位方法


[0001]本专利技术属于通信
，涉及一种基于散射区模型的室外非视距传播单站定位方法。

技术介绍

[0002]随着自动驾驶，同步成像，机器人间复杂合作等应用需求的不断增加，未来6G将作为分布式网络提供感知，通信和计算能力，来实现万物感知互连。通】
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感一体化将在物理和网络世界的融合中发挥至关重要的作用。无线定位作为通感一体化的基础技术之一，受到越来越多的关注。基于卫星的定位系统在山地、深林、城市等复杂地面环境定位精度较低，无法满足现代应用的需求。传统基于测距的无线定位方法中主要假设目标与基站间存在视距传播，但在实际场景中往往不存在视距传播，信号源发射的信号通过散射体散射后到达基站。所接收到的多径信号参数存在非视距偏差，若将其假设为直视路径传播进行定位会严重影响定位精度。现存的指纹定位技术可以在室内非视距环境下进行精确定位，但因为其对定位环境稳定性比较敏感，并且定位场景中需要布置足够的WIFI信号点，导致指纹定位方法并不适用于室外非视距环境定位。因此如何在室外非视距环境中对信号源进行精确定位是当前无线定位面临的关键性问题。
[0003]使用多径信号的测距信息对目标进行定位是室外非视距环境下定位目标的常用方法。通过多径信号参数和散射体与目标的空间几何分布，构建定位目标函数。通过优化算法对目标函数求解得到目标位置。然而，此前的定位方法中假设每条多径参数的非视距偏差相同，实际场景中由于传播路径和散射体的分布不同，每条多径的非视距偏差不同，当假设所有多径参数非视距偏差相同时，会严重影响定位精度。此外，大多数定位方法使用多个基站或锚点进行定位，这会消耗更多电力并增加部署成本。与单站相比，使用多站定位需要基站之间的高精度时间同步，这增加了对硬件质量和部署的要求。因此需要研究在室外非视距传播环境下如何使用单基站对信号源进行精确定位。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于散射区模型的室外非视距传播单站定位方法。首先基于信号传播散射模型，通过多径信号AOA和TOA参数构建伪散射体分布。其次，使用高斯核函数来确定并过滤干扰散射体，并使用K
‑
means聚类算法提取聚类中心。然后使用聚类中心，结合散射体与目标的空间几何分布构建定位目标函数，最后使用基于遗传算法改进的SSA对目标位置进行求解，实现目标在非视距环境下的精确定位。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种基于散射区模型的室外非视距传播单站定位方法，该方法包括以下步骤：
[0007]S1：获取室外非视距传播条件下经过散射体散射到基站的多径信号，构建伪散射体分布；
[0008]S2：使用高斯核函数衡量伪散射体分布密度来确定并过滤干扰散射体，使用K
‑
means聚类算法对过滤干扰散射体后的伪散射体进行聚类获得含有定位信息的聚类中心；
[0009]S3：结合散射区模型内散射体与目标之间的空间几何结构，使用S2中的聚类中心构建定位目标函数；
[0010]S4：针对S3中所提的定位目标函数，使用基于遗传算法改进SSA求解目标位置。
[0011]可选的，所述多径信号为AOA和TOA，使用多径信号进行定位；设接收到的第i条多径信号的AOA和TOA参数分别为θ
i
和t
i
，多径信号传播距离L
i
＝c
×
t
i
，其中c为光速，对应的伪散射体S
′
i
的位置根据多径参数得到，表示为：
[0012]x
′
i
＝L
i
.cos(θ
i
)
[0013]y
′
i
＝L
i
.sin(θ
i
)
[0014]引入高斯核函数来衡量两个伪散射体间的距离，设两个伪散射体位置为(x
′
i
,y
′
i
)和(x
′
j
,y
′
j
)，两个伪散射体的高斯核表示为：
[0015][0016]可选的，所述干扰散射体的确认过程为：
[0017]设置伪散射体的平均高斯核函数作为参考，表示为
[0018][0019]其中，d
ij
表示任意两个不相同的伪散射体S
′
i
,S
′
j
的高斯核；A
N
表示任取两个不相同伪散射体的情况数量，X是所有伪散射体集合；
[0020]选取伪散射体S
′
i
,i＝1,2,...,N，其中N为散射体数量；计算该伪散射体与另一伪散射体S
′
j
,j≠i的高斯核d
ij
，将d
ij
与d
ave
比较，若d
ij
≥d
ave
，则S
′
j
是S
′
i
的临近伪散射体；计算所有伪散射体的临近伪散射体数量，s1,s2,...s
N
；
[0021]选取临近伪散射体数量最少的N/5个伪散射体作为干扰散射体，将干扰伪散射体从伪散射体中剔除；
[0022]使用K
‑
means聚类算法对去除干扰散射体的伪散射体进行聚类，得到伪散射体的聚类中心其中M为散射区数量。
[0023]可选的，所述伪散射体的聚类中心与散射区中心所对应的伪散射体相同；由聚类中心求出目标信号经过对应散射区中心散射到达基站的传播距离L
′
j
和到达角θ
′
j
，表示为：
[0024][0025]可选的，所述定位目标函数的求取过程为：
[0026]信号经过M个散射区中心散射到达基站的传播距离和到达角分别为L
′
j
,j＝1,2,..,M和θ
′
j
,j＝1,2,...,M；根据空间几何关系，传播距离等于散射区中心到目标(x,y)和基站(x
B
,y
B
)的距离和，构建方程组表示为：
[0027][0028]设散射区中心到目标的距离为以第M个散射区中心为参考，上述方程组转化为：
[0029][0030]由于存在误差，上述方程组没有闭式解，将上述方程组求解过程转化为非线性优化过程，构建误差函数为：
[0031][0032]使得所有误差函数的平方和最小的解既是定位目标，定位目标函数表示为：
[0033][0034]可选的，所述基于遗传算法改进SSA具体为：
[0035]首先，随机构建个体数量为n的种群，并将种群分为领导者和追随者两部分；通过将个体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于散射区模型的室外非视距传播单站定位方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：获取室外非视距传播条件下经过散射体散射到基站的多径信号，构建伪散射体分布；S2：使用高斯核函数衡量伪散射体分布密度来确定并过滤干扰散射体，使用K
‑
means聚类算法对过滤干扰散射体后的伪散射体进行聚类，获得含有定位信息的聚类中心；S3：结合散射区模型内散射体与目标之间的空间几何结构，使用S2中的聚类中心构建定位目标函数；S4：针对S3中所提的定位目标函数，提出基于遗传算法改进的SSA
‑
GA求解目标位置。2.根据权利要求1所述的一种基于散射区模型的室外非视距传播单站定位方法，其特征在于：所述多径信号参数为AOA和TOA，使用多径信号参数进行定位；设接收到的第i条多径信号的AOA和TOA参数分别为θ
i
和t
i
，多径信号传播距离L
i
＝c
×
t
i
，其中c为光速，对应的伪散射体S
′
i
的位置(x
′
i
,y
′
i
)根据多径参数得到，表示为：x
′
i
＝L
i
.cos(θ
i
)y
′
i
＝L
i
.sin(θ
i
)引入高斯核函数来衡量伪散射体分布密度，设两个伪散射体位置为(x
′
i
,y
′
i
)和(x
′
j
,y
′
j
)，两个伪散射体的高斯核表示为：3.根据权利要求2所述的一种基于散射区模型的室外非视距传播单站定位方法，其特征在于：所述干扰散射体的确认过程为：设置伪散射体的平均高斯核函数作为参考，表示为其中，d
ij
表示任意两个不相同的伪散射体S
′
i
,S
′
j
的高斯核；A
N
表示任取两个不相同伪散射体的情况数量，X是所有伪散射体集合；选取伪散射体S
′
i
,i＝1,2,...,N，其中N为散射体数量；计算该伪散射体与另一伪散射体S
′
j
,j≠i的高斯核d
ij
，将d
ij
与d
ave
比较，若d
ij
≥d
ave
，则S
′
j
是S
′
i
的临近伪散射体；计算所有伪散射体的临近伪散射体数量，s1,s2,...s
N
；选取临近伪散射体数量最少的N/5个伪散射体作为干扰散射体，将干扰伪散射体从伪散射体中剔除；使用K
‑
mean...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖希，王森，车延庭，王洋，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：