[发明专利]一种基于残差加权的TDOA蜂窝定位方法

摘要

本发明公开了一种基于残差加权的TDOA蜂窝定位方法，属于属于无线电定位技术领域。首先对蜂窝基站数据进行分组，然后对每个下标集合S_k所对应的TDOA数据进行单次估计获得中间估计值，利用中间估计值计算平方残差或全集带符号残差得到相应权值，利用权值对中间估计值做归一化加权，得到该移动站的最终位置估计值。在步骤二中利用全集平方残差函数或者全集带符号残差函数进行选根。本方法实现Chan法的简单高效和Rwgh法的鲁棒性好和抗NLOS能力等优势的融合，在不过多增加计算量的同时实现估计精度的提高，仿真验证了本发明中算法能够实现在蜂窝通信系统中快速而高效的移动站定位功能以及相对较好的抗NLOS能力。

主权项

1.一种基于残差加权的TDOA蜂窝定位方法，其特征在于，包含如下步骤：步骤一、对蜂窝基站数据进行分组对M个参与移动站定位的并且位置已知的蜂窝基站，其中服务基站为BS₁，以BS₁作为定位参考点，且设置BS₁位置坐标为x₁＝(x₁，y₁)＝(0，0)；其它各蜂窝基站以BS_m表示，其中2≤m≤M；记所述第m个基站的位置坐标为已知向量x_m＝(x_m，y_m)；利用服务基站BS₁接收移动站信号的到达时延τ₁，同时其余M-1个基站也分别接收移动站该信号的到达时延τ_m，然后将每个τ_m都与τ₁作差，则可获得其余M-1个蜂窝基站相对于服务基站BS₁的M-1个TDOA数据即：其中c为电波信号传播速度，τ_m为第m个基站的接收到的来自移动站的信号的到达时延；在所获得的M-1个TDOA数据中，任取其中i个TDOA数据作为一个组合且2≤i≤M-1，记该组合中TDOA数据的下标集合为集合S_k，共有N个满足该条件的下标集合S_k，即1≤k≤N；步骤二、对分组数据进行中间估计对N个下标集合所对应的TDOA数据分别进行单次估计，得到N个中间估计值，所述对每个下标集合S_k所对应的TDOA数据进行单次估计获得中间估计值的操作如下：判断S_k的势|S_k|即S_k中元素个数，以及系数矩阵G_a的列秩，其中所述的系数矩阵G_a为(M-1)×3维的矩阵，第一列从第一行至第M-1行依次为基站BS₂，BS₃，...，BS_M的横坐标值相反数，即[-x₂，-x₃，...，-x_M]^T，第二列从第一行至第M-1行依次为基站BS₂，BS₃，...，BS_M的纵坐标值相反数，即[-y₂，-y₃，...，-y_M]^T，第三列从第一行至第M-1行依次为基站BS₂，BS₃，...，BS_M的TDOA数据的相反数，即然后分如下情况获得中间估计值：①若|S_k|＝2且G_a列满秩，则利用非线性最小二乘方法构建关于移动站位置坐标x＝(x，y)的方程组，求解该方程组，将x，y用变量表出，表示移动站位置到BS₁的欧氏距离；在求解r₁的二次式时，如果r₁有两个正根p₁和p₂，则求得两组位置估计值p₁＝(x_p1，y_p1)，p₂＝(x_p2，y_p2)，则根据预定的选根规则从中选出一组解，作为中间估计值②若|S_k|＞2且G_a列满秩，则采用两步加权最小二乘方法求解，在去相关处 理时，从所获得的四组根中根据预定的选根规则选出一组解，作为中间估计值所述在去相关处理时获得的四组根方法是：去相关处理的结果Za3为2×1的列向量，构造2×2的矩阵R1，所述矩阵R1第一列的两个元素分别为Za3中的两个元素各自求正平方根再分别取实部的结果，第二列为Za3中的两个元素各自求负平方根再分别取实部的结果；然后构造R2矩阵，其也为2×2矩阵，矩阵R2的第一行为矩阵R1的第一行，矩阵R2的第二行为矩阵R1的第二行的相反数；将矩阵R1的两个列向量视为两组根，矩阵R2的两个列向量也视为两组根③若G_a列不满秩，利用线型阵列的定位方法求解时，先将权值矩阵Ф置为单位阵I，得到初始的直接最小二乘解，利用该直接最小二乘解求出对角阵B＝diag(r₂，r₃，...，r_M)的近似值，其中r₂，r₃，...，r_M分别表示移动站位置到基站BS₂，BS₃，...，BS_M的欧氏距离；根据B再结合TDOA协方差矩阵Q可求得新的权值矩阵Ф＝BQB，最后根据新的权值矩阵以及该线型阵列的定位方法，得到加权的最小二乘解，如果涉及多组解则根据预定的选根规则选出一组解，作为中间估计值存储所获得的上述N个中间估计值，上述过程可以其相应的集合S_k标记为其中1≤k≤N；步骤三、采用如下两种方法之一，利用中间估计值得到相应权值w_k，：(方法1)：对每个下标集合S_k的中间估计值求集合内平方残差，集合内平方残差定义为待求的移动站位置坐标x和下标集合S_k的函数：其中l∈S_k，集合内TDOA数据值和基站的位置坐标x_l为已知量，则||·||为求欧氏距离；然后对集合内平方残差函数R_es(x，S_k)进行归一化处理：|S_k|即所述的下标集合S_k的势；将每个值作为移动站位置坐标x代入上述归一化集合内平方残差函数R′_es(x，S)，即共代入N次，然后由所获得的N个归一化集合平方残差函数R′_es(x，S)的倒数得到相应下标集合的权值w_k且1≤k≤N，即，对每个k，有权值：(方法2)：对每个集合S_k的中间估计值求其全集带符号残差函数即，服务基站的位置坐标x₁、TDOA数据值和各基站的位置x_m且1≤m≤M-1为已知量，将每个值作为移动站位置坐标x代入所述全集带符号残差函数J′(x)，共求N次；然后由所获得的N个全集带符号残差函数值计算相应下标集合的权值w_k且1≤k≤N，方法如下：对全集带符号残差函数值按照其实际取值进行判断，当的全集带符号残差函数值为负值时，其绝对值越大则给该中间估计值赋予相对其它权值较小的权值w_k；步骤四、对中间估计值做归一化加权，得到该移动站的最终位置估计值对步骤二获得的中间估计值以步骤三设定的对应权值w_k加权，并作归一化处理，得到移动站的最终位置估计值