一种基于到达时间差和到达方向的非视距环境下的单站定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)和到达方向(Direction of Arrival,DOA)的非视距(Non

【技术实现步骤摘要】
＝[x
B
,y
B
,z
B
]T
，目标位置为[x,y,z]T
。第j条NLOS路径对应的反射面方程S
j
为a
j
x+b
j
y+c
j
z+d
j
＝0(j＝1,2,...,N)；
[0007]步骤二、根据反射面方程和NLOS路径的角度信息求得VS和对应反射点位置。具体包括以下步骤：
[0008]步骤二(一)、计算VS的位置。反射面S
j
：a
j
x+b
j
y+c
j
z+d
j
＝0的法向量为，通过基站且垂直于该平面的直线的参数方程可表示为：
[0009]x＝a
j
v
j
+x
B
,y＝b
j
v
j
+y
B
,z＝c
j
v
j
+z
B
[0010]带入平面方程S
j
可得：
[0011](a
j2
+b
j2
+c
j2
)v
j
+a
j
x
B
+b
j
y
B
+c
j
z
B
+d
j
＝0
[0012]从而可得：
[0013][0014]基站关于第j个反射面的对称点为L
j
＝[x
Bj
,y
Bj
,z
Bj
]T
，该对称点即为基站关于第j个反射面的虚拟站VS
j
。过基站且垂直于第j个反射面的直线与第j个反射面的交点为[a
j
v
j
+x
B
,b
j
v
j
+y
B
,c
j
v
j
+z
B
]T
，该交点为BS与VS
j
两点的中点，同时存在以下关系：
[0015][a
j
v
j
+x
B
,b
j
v
j
+y
B
,c
j
v
j
+z
B
]T
＝[(x
B
+x
Bj
)/2,(y
B
+y
Bj
)/2,(z
B
+z
Bj
)/2)]T
[0016]从而可以求得：
[0017]L
j
＝L0+2v
j
[a
j
,b
j
,c
j
]T
[0018]步骤二(二)、对应于第j条NLOS路径的反射点位置[x
j
,y
j
,z
j
]T
，可由以下几何关系方程联立求得：
[0019][0020]步骤三、根据虚拟站和反射点的位置对目标位置进行粗估计，得到目标位置粗估计结果。具体包括以下步骤：
[0021]步骤三(一)、计算得到伪交点。由虚拟站和与之对应的反射点位置，可建立N条两点式空间直线方程：
[0022][0023]其中，为这些直线上的任意点，这些直线将有N(N
‑
1)/2个伪交点，伪交点定义为两条异面直线上距离最近的两点的中点；
[0024]步骤三(二)、将求得的伪交点进行近邻传播(Affinity Propagation,AP)聚类来排除奇异值点。假设聚类结果中的最大簇中有K个点，对应位置为取聚类结果中的最大簇中的点作为目标位置粗估计的结果；
[0025]步骤四、建立DOA与TDOA联合定位方程。假设第j条NLOS路径的飞行距离为：
[0026][0027]将第N条NLOS路径与其他NLOS路径分别进行差分运算，从而建立TDOA方程组：
[0028]l
N
‑
l
j
＝c(τ
N
‑
τ
j
),j＝1,2,...,N
‑1[0029]其中，τ
j
为第j条NLOS路径的TOA，τ
N
为第N条NLOS路径的TOA。
[0030]对应的误差函数定义为：
[0031]e(x,y,z)＝(l
N
‑
l
j
)
‑
c(τ
N
‑
τ
j
),j＝1,2,...,N
‑1[0032]根据目标位置粗估计结果，可以建立另外一组误差函数：
[0033][0034]联合定位方程建立为：
[0035][0036]步骤五、使用粒子群(Particle Swarm optimization,PSO)算法来对定位方程进行求解得到目标的估计位置。取目标位置粗估计结果中对应于各个坐标的最大值和最小值作为粒子群算法中对应的粒子产生的上界和下界。为了增大容错，以x轴坐标为例，其粒子产生对应的上界和下界分别表示为：
[0037][0038]其中，err为容错值(是正常数)；
[0039]步骤六、利用接收到的M次快拍信号，重复步骤二到步骤五得到M次目标位置估计结果。对这M次估计结果进行单簇的K
‑
means聚类，取聚类中心作为目标的最终定位结果。
[0040]有益效果
[0041]为了实现城市环境NLOS传播条件下的高精度定位，本专利技术提出了一种基于TDOA和DOA联合单站定位方法。该专利技术的核心思想是基于镜面反射原理形成虚拟站，利用DOA和TDOA多径信息、反射点及反射面方程实现粗估计和精估计。首先，信号接收基站同时获取多条多径信号的DOA信息，结合DOA信息和反射面方程构建多个虚拟基站，获得对应的反射点位置；其次，联合虚拟站和反射点位置，完成对目标位置的粗估计，确定目标的大概位置区域；然后，选择参考路径，相继利用TOA信息建立TDOA方程；最后，根据粗估计结果和TDOA方程建立联合定位方程，采用PSO算法求解精确的目标位置。
附图说明
[0042]图1为本专利技术流程图；
[0043]图2为NLOS定位场景示意图。
具体实施方案
[0044]下面结合附图对本专利技术作进一步说明：
[0045]如图1所示的一种基于TDOA和DOA的NLOS环境下的单站定位方法，具体包含以下步骤：
[0046]步骤一、定位场景如图2所示，在定位场景中，共有N条不同的NLOS路径。其中，第j条本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于到达时间差和到达方向的非视距环境下的单站定位方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、在定位场景中，共有N条不同的非视距(Non
‑
Line
‑
of
‑
Sight,NLOS)路径。其中，第j条路径(0≤j≤N)的角度信息包括方位角θ
j
(从x轴正方向逆时针测量)和仰角φ
j
(从z轴正方向测量)。基站部署于L0＝[x
B
,y
B
,z
B
]
T
，目标位置为[x,y,z]
T
。第j条NLOS路径对应的反射面方程S
j
为a
j
x+b
j
y+c
j
z+d
j
＝0(j＝1,2,...,N)；步骤二、根据反射面方程和NLOS路径的角度信息求得虚拟站(Virtual Station,VS)和对应反射点位置；步骤三、根据虚拟基站和反射点的位置对目标位置进行粗估计。由虚拟站和与之对应的反射点位置，可建立N条两点式空间直线方程：其中，为这些直线上的任意点，这些直线将有N(N
‑
1)/2个伪交点，伪交点定义为两条异面直线上距离最近的两点的中点。将求得的伪交点进行近邻传播(Affinity Propagation,AP)聚类来排除奇异值点。假设聚类结果中的最大簇中有K个点，对应位置为取聚类结果中的最大簇中的点作为目标位置粗估计的结果；步骤四、建立基于到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)与到达方向(Direction of Arrival,DOA)联合定位方程。假设第j条NLOS路径信号的飞行距离为：其中，[x
j
,y
j
,z
j
]
T
为第j条NLOS路径的反射点位置。将第N条NLOS路径与其他NLOS路径分别进行差分运算，从而建立TDOA方程组：l
N
‑
l
j
＝c(τ
N
‑
τ
j
),j＝1,2,...,N
‑
1其中，τ
j
为第j条NLOS路径的到达时间(Time of Arrival,TOA)，τ
N
为第N条NLOS路径的TOA。对应的误差函数定义为：e(x,y,z)＝(l
N
‑
l
j
)
‑
c(τ
N
‑
τ
j
),j＝1,2,...,N
‑
1根据目标位置粗估计结果，可以建立另外一组误差函数：联合定位方程建立为：步骤五、使用粒子群(Particle Swarm optimization,PSO)算法来对定位方程进行求解得到目标的估计位置。取目标位置粗估计结果中对应于各个坐标的最大值和最小值作为粒子群算法中对应的粒子产生的上界和下界。为了增大容错，以x轴坐标为例，其粒子产生对应的上界和下界分别表示为：
其中，err为容错值(是正常数)；步骤六、利用接收到的M次快拍信号，重复步骤二到步骤五得到M次目标位置估计结果。对这M次估计结果进行单簇的...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢良波，张钰坤，杨小龙，聂伟，王勇，周牧，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：