[发明专利]基于非线性约束最小二乘的单站定位方法

说明书

本发明公开了一种基于非线性约束最小二乘的单站定位方法，首先根据宏蜂窝信号传播特性构造宏蜂窝单基站的NLOS信号传播模型；然后利用多径信号参数及基站、目标和散射体间位置关系将定位问题转化为非线性约束最小二乘问题；利用LM(Levenberg‑Marquardt)算法求解最小二乘问题；当残差较大时，引入拟牛顿算法，改进LM算法，得到目标估计位置。该方法解决了传统定位算法对基站个数的依赖性问题，利用单基站进行定位，不需要时钟同步，降低了算法的复杂度；同时利用NLOS环境下，多径信号作为定位路径，而非抑制多径，解决了NLOS环境下定位误差大的问题；利用圆环模型增加变量约束条件，提高了最小二乘算法有效性，实现了宏蜂窝单站定位20‑30米的定位精度。

技术领域

本发明涉及定位技术领域，具体涉及到一种宏蜂窝NLOS环境下的单站定位技术。

背景技术

1996年美国联邦通信委员会公布了E911定位需求，其要求在2001年10月前，各种无线蜂窝网络必须能对发出E911紧急呼叫的移动台提供精度在125m内的定位服务，且满足此定位精度的概率应不低于67％；并要求在2001年以后，提供更高的定位精度及三维位置信息。E911技术规范的公布激发了人们对无线定位技术的研究热情，并且随着通信技术的发展和移动设备越来越高的普及，人们对自身位置的定位服务需求日益激增，基于移动通信网络的定位技术得到飞速发展，无论是在人们的日常出行、交通工具定位导航，还是无线资源分配和整合、国家信息安全等方面都有着举足轻重的地位。当前主流的定位技术包括：广泛应用于室外的卫星定位技术、蜂窝网定位技术、声波定位技术、雷达定位技术等，以及基于WiFi、RFID、蓝牙、毫米波等室内定位技术，其中蜂窝定位技术，以其定位速度快、成本低(不需要移动终端上添加额外的硬件)、耗电少等优势，作为一种轻量级的定位方法，越来越常用。

非视距传播是影响蜂窝网定位精度的主要因素，目前对蜂窝网非视距的定位研究主要包括：非直达波鉴别算法；基于散射体信息的非直达波定位算法；基于不等式约束和统计的非直达波定位方法；学习型定位方法和非直达波跟踪算法。其中基于散射体信息的定位是近年来发展起来抑制非直达波误差的新思路，主要包括基于散射体信道模型和基于散射体几何位置关系两个分支。基于散射体信道模型根据散射模型(如圆环，高斯等模型)对测量参数AOA，TOA等进行重构，然后利用传统的LOS定位算法实现目标定位；基于散射体几何位置关系这类算法往往通过先获取散射体的相关几何位置信息，以此来构建出基站、散射体、目标三者之间的几何关系，构造出对应的线性定位方程，一般可同时定位出散射体和目标的位置。

但目前蜂窝网定位的主要存在以下两个问题：NLOS传播问题和多基站定位问题。蜂窝网在城区或者郊区等环境下几乎不存在LOS路径，而NLOS传播引起定位参数的测量误差，降低定位精度，同时现有的定位技术多偏向多站定位，其对时间和数据同步要求严格，系统的复杂度高，且存在可测性问题。

因此，有必要开发一种基于非线性约束最小二乘的单站定位方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于非线性约束最小二乘的单站定位方法，它能解决传统定位算法对基站个数的依赖性问题，利用单基站进行定位，不需要时钟同步，降低算法复杂度；且定位精度高。

本发明所述的基于非线性约束最小二乘的单站定位方法，包括以下步骤：

步骤一：根据宏蜂窝信号传播特性构造宏蜂窝单站的NLOS(Non-Line-of-Sight，非视距)信号传播模型；

步骤二：计算基站端每条反射径信号的到达角(Angle of Arrival,AOA)θ_i和到达时间(Time of Arrival,TOA)τ_i，其中i＝1,...,m，m表示反射径条数；

步骤三：利用多径信号参数AOA,TOA及基站、目标和散射体间的位置关系建立定位方程组，此定位方程组为非线性欠定方程组；