[发明专利]基于改进卡尔曼滤波器的TDOA无线定位方法

说明书

本发明提出基于改进卡尔曼滤波器的TDOA无线定位方法，属于无线电定向(G01S)领域。本发明的目的是针对TDOA算法中对于非视距环境下定位所存在的不足，提出结合卡尔曼滤波法的交互衍生序列遴选法和交互衍生序列调整法，来加强TDOA测量以消除估计偏差。实验证明，本发明方法大幅提升了TDOA定位在非视距环境下的无线定位精度和定位效果。

技术领域

本发明提出基于改进卡尔曼滤波器的TDOA无线定位方法，属于无线电定向(G01S)领域。

背景技术

在无线网络已经广泛普及的二十一世纪，无线网络的定义已经因为传感器、红外接收器和高射频芯片技术的快速提升而广为延展。无线网络也在许多方面不断与发展中的物联网技术相融合，为用户提供更加智能化的服务。在硬件技术不断臻于成熟的背景下，无线网络定位已经成为无线网络应用领域中迅速发展的研究方向与研究领域。同时也是无线网络发展融合过程中必不可少的一个重要环节。而在无线网络定位技术中，无线网络定位算法的研究是无线网络定位技术的关键问题与核心内容。

无线网络定位技术的发展已经从几年前主要针对户外环境的粗略测绘定位和针对军事领域的目标打击定位转向近些年的中短距离精确定位、无线定位的探测成像以及定位技术与物联网信息融合的研究。无线定位技术可以广泛地适用于楼宇办公、自然灾害救援、矿产勘探、重要人物跟踪搜索等诸多领域。在这些领域中都可以承担重要的信息采集及信息分析工作。尤其是无线定位技术在室内环境下的应用具有广大的发展空间与可观的应用价值。因为室内环境是一个比较特殊的定位环境，它一方面对无线定位要求精准性，这是其他定位方式如GPS定位所办不到的；另一方面则要求对室内环境具有一定的分析处理能力，因为室内定位环境复杂多变，信号在传输过程与接受处理过程中很难保证不失真，如何有效的减小定位器材在室内环境下的信号衰减、信号干扰等问题也是相关领域研究的热点。

一种常用的无线定位算法：到达时间定位算法TOA(Time of Arrival)，主要的测量数据依赖于目标节点传出的无线电波到达锚节点的信号时间值。如果两个节点之间共享一个准确的测量时钟，接受到信号的节点可以通过得到到达信号的时间戳来确定发送此信号的相关节点在无线网络中的位置。由于TOA算法是基于简单的时间距离公式，在用此方法实现定位的过程中，到达时间的准确性和节点之间的时间同步性是这种定位方式的主要影响因素。对于TOA算法在时间处理问题的不足，近些年来的研究更多的关注于使用新型的到达时间差TDOA算法(Time of Difference Arrival)来改进TOA算法以便提升算法的精确性。经典TDOA算法包括最为贴合时间差定位基础原理的方氏算法、Y.T.Chan发明的Chan算法以及由定位时间差结合数学中泰勒级数公式展开的泰勒级数展开法，这些算法是研究TDOA算法的基础。基于到达时间差的TDOA解决了给出的锚节点与无线定位网络中标签节点之间时间计量问题，一定程度上消除了时延所带来的距离差，但是在各个锚节点之间依旧存在时钟同步性的麻烦。一些研究也考虑到在使用到达时间差的定位算法TDOA进行定位时，锚节点之间同步性的相关问题。因此，TDOA算法在现实应用中仍然存在巨大的改进空间。特别地，TDOA算法在视距环境下LOS(Line of sight)表现良好，但是在实践的过程中，由于存在障碍物和其他因素对定位节点的干扰，TDOA多是处于非视距环境NLOS(None lineof sight)下进行定位，这一定程度上限制了TDOA的定位精度。

即便存在以上一些难以解决的问题，从目前无线网络定位算法的发展状况来看，TDOA算法是当前最为主流的无线网络定位算法，对这一算法的改进，削减由实际定位环境中不可控因素导致的系统误差，提升定位效率仍具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是针对TDOA算法中对于非视距环境下定位所存在的不足，用有效的方式加以改进，具体的改进方法为结合卡尔曼滤波器的交互衍生序列遴选法和交互衍生序列调整法。本发明方法大幅提升了TDOA定位在非视距环境下的无线定位精度和定位效果。