基于tdoa的css精确定位方法_2

文档序号:9416229阅读:来源:国知局
视距环境下的CSS定位中有以下测距误差模型为:
,通过下式
可求取出系数a和b的值。
[0054] 本发明的有益效果是,利用投票平均联合滤波算法对测距值进行处理,去除因环 境而引起的误差,同时利用动态误差修正算法根据满足置信值的测距值,然后对保留下来 的测距值利用动态误差修正算法进行动态修正,最大限度地减小测距误差。将修正后的测 距值取平均值,然后对得到的平均值使用TDOA的三维定位算法,求得待定位节点的位置坐 标,最终实现精确定位,同时降低了成本及复杂性。
【附图说明】
[0055] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的详细描述。
[0056] 图1是基于TDOA的CSS精确定位方法流程图;
[0057] 图2是CSS信号测距过程的示意图;
[0058] 图3是"移动台一同一基站的不同虚拟接收机"模型示意图;
[0059] 图4是投票平均联合滤波算法流程图;
[0060] 图5是动态误差修正算法流程图;
[0061] 图6是四个参考节点及待定位节点的三维立体图;
[0062] 图 3 中:
[0063] 1-天线导线2-基站天线3-CSS收发器4-CPU主板
【具体实施方式】
[0064] 首先对基于TDOA的CSS精确定位方法的基本流程进行描述。参照图1,具体步骤 如下:
[0065] (1)移动终端向CSS定位基站发送测试信号,CSS定位基站的各基站天线在接收到 所述的测试信号后,分别发送应答信号给移动终端;
[0066] (2)确定移动终端接收到各所述应答信号的实际时刻,并根据无线信号在空气中 的传播速度,得到待定位节点与每个参考节点之间的距离测量值;
[0067] (3)利用CSS技术,根据步骤⑴和(2),N次测量待定位节点与各参考节点之间 的距离,获得该待定位节点与对应参考节点的N个测距值;
[0068] (4)使用投票平均联合滤波算法对所述的N个测距值进行干扰处理,即通过高斯 概率分布函数计算每个所述测距值的投票概率,当所述的投票概率小于设定的置信值时, CSS就抛弃该测距值,否则就保留;
[0069] (5)对保留下来的测距值利用动态误差修正算法进行动态修正;
[0070] (6)将步骤(5)修正后的测距值取平均值,然后对得到的平均值使用TDOA的三维 定位算法,求得待定位节点的位置坐标,最终实现精确定位。
[0071] 采用CSS信号的进行测距的具体过程如下,参考图2和图3 :
[0072] (1)移动终端向CSS定位基站发送测试信号,并启动终端定时器;
[0073] (2)各基站天线收到测试信号后,分别经天线导线传送到后台处理器,后台处理器 接收到所述的测试信号后,启动基站定时器;
[0074] (3)各基站天线自动返回一个应答信号,并停止基站定时器,同时读取处理时延 T2和计算测试信号在天线导线上的传输时间t ;
[0075] (4)移动终端收到基站天线传来的应答信号后停止终端定时器,读取处理时延 Tl ;
[0076] (5)移动终端接收应答信号的实际时刻
,根据无线信号在空气中 的传播速度是光速c,可计算得到待定位节点与每个参考节点之间的距离,即(=cr。 待定位节点重复测量N次,获得N个测距值数,所以这里的N取20,则f也取20。
[0077] 本发明中使用的天线导线,任意两个天线之间的导线长度大于最小天线导线长 度。根据信号最大拖尾时间TL Max和待定位区间的最大移动距离ML Max确定最小天线导线长 度LMin。当所述天线导线为同轴电缆时,所述最小天线导线长度L Min为:
[0078]
[0079] 式中,ε。为同轴电缆的等效介电常数,c为光速。
[0080] 若所述天线导线为微带线时,所述最小天线导线长度LMin为:
[0081]
[0082] 式中,ε "为微带线的等效介电常数,c为光速。
[0083] 图4是投票平均联合滤波算法的具体步骤:
[0084] (1)建立直角坐标系,获得每个参考节点的位置坐标,并通过距离矢量交换协议, 使待定位节点获得所有参考节点的ID、位置坐标以及待定位节点与相应参考节点的跳数, 待定位节点建立对应的参考节点信息表;
[0085] (2)待定位节点查询自身的参考节点信息表,当其1跳范围内具有的参考节点数 目大于或者等于3个时,利用CSS技术,N次测量该待定位节点自身与各参考节点之间的距 离,对每个参考节点均获得N个测距值;
[0086] (3)求取所述N个测距值的均值,采用高斯概率分布函数,计算每个测距值的投票 概率,并设定置信值,对每个测距值进行投票,当相应测距值的投票概率小于置信值时,CSS 就抛弃该测距值,否则就保留,保留下的测距值的数目用m表示;
[0087] (4)使用动态误差修正算法对保留下的m个测距值进行动态修正,以减少测距误 差。
[0088] 本发明中标准差〇的取值范围为〇.〇5 < 〇 <0.5,〇取值越小,越有利于删除 异常测距值。但是标准差σ取值过小,部分正常测距值的投票概率也会过小,从而导致部 分正常测距值被误删除。所以这里取σ =0.2。
[0089] 根据实际需求定义置信值λ,对测距值进行投票,当测距值的投票概率小于胃 信值λ的时,就抛弃这个测距值,否则就保留。本发明中建议置信值λ的取值范围为 0.5$ λ <0.8, λ取值越大,越有利于删除异常测距值,但是置信值λ取值过大,部分正 常测距值易被误删除。所以取λ =0.7进行删选,则保留下的测距值数用m表示。
[0090] 图5是动态误差修下算法的流程图,具体步骤如下:
[0091] 本发明所述的动态误差修正算法先假设最小定位单位,即一个待定位节点与四个 参考节点,然后利用最小定位单位的待定位节点与四个参考节点的四组m个测距值,根据 距离约束方程找出每一组测距值对应的最佳的测距误差模型,利用这个最佳测距误差模型 对每一组的m个测距值进行修正。
[0092] 找出最佳测距模型方程的具体步骤为:
[0093] (1)视距环境下的CSS定位中有以下测距误差模型:
[0094] = +6 其中 a e [a" a2],b e [bp b2]
[0095] 其中,df是待定位节点到四个参考节点的真实距离;f是待定位节点到四个参考 节点的测量距离;a,b为线性方程系数,f = 0,1,2,3 !ap a2, bp b2是定位前对最小定位单 位进行测距测试,通过最小二乘法对测距测试拟合后,所得系数a,b对应的的一个较小取 值区间的上下限界值,如果拟合系数超过所取范围,则认为有较大噪声干扰。
[0096] 其中最小二乘法对测距进行拟合的具体步骤如下:
[0097] (a)定位前对最小定位单位进行测距测试,根据实际情况布置好节点,此时的参考 节点与待定位节点的位置坐标已知,从而得到四个参考节点与待定位节点之间的真实距离 df,其中 f = 〇,1,2,3 ;
[0098] (b)根据移动终端接收信号实际时刻:
,和传播速度c,可计算得到 待定位节点与四个参考节点之间的距离,即^ = ^Γ,其中f = 0,1,2, 3 ; LlN 丄UOld/dy丄 A yJ^ rVJ (/O }J<
[0099] (c)视距环境下的CSS定位中有以下测距误差模型为:
,通过下式
可求取出系数a和b的值。
[0100] ⑵定义测量误差ε f:
[0101] Sr = d) - dj
[0102] (3)根据步骤⑴和⑵可得:
[0103]
[0104] 把ε 入距离约束方程式中,得到关于a,b的函数,记为:
[0105]
[0106] (4)在a e [ai,a2],b e [bp b2]内,F (ab)最接近0所对应的一组系数,就是测距 误差模型的最佳系数估计,从而求解方程:
[0107]
[0108] 得到最优系数a% b%确定最佳测距误差模型为:<.+ 。
[0109] TDOA的三维定位算法参考图6,具体的过程如下:
[0110] 设四个参考节点的位置坐标分别为(X。,y。),(X1, Y1),(Xy y2),(X;?,y;?),待定位节 点的位置坐标为(X,y),β?〇,?/ι5?/2,β?3分别为待定位节点到四个参考节点的距离,待定位节 点到参考节点(X(j,y。)和待定位节点到其他三个参考节点(Xpy 1), (x2,y2),(x
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