1、.装订线.xxxx 大 学毕 业 论 文题目：对抗室外环境下 NLOS 误差的 TOA 无 线定位迭代算法 学 院 信 息 科 学 与 工 程 学 院专业班级 通 信 工 程 1 班届 次 学生姓名 学 号 指导教师 二 O 一四 年 六 月 十四 日XXXXXX 学士学位论文I目 录1 绪论 .11.1 无线定位技术的简介 .11.1.1 无线定位的概述 .21.1.2 无线定位技术的发展过程 .22 无线定位技术的原理及算法介绍 .42.1 无线定位技术的工作原理 .42.2 基于 TOA 测距算法介绍 .52.2.1 最小均方(LS)算法 【1】 .62.2.2 近似最大似然估计(AML
2、)算法 【1】 .72.2.3 残差加权(Rwgh)算法 【1】 .82.2.4 残差检测(RT)算法 【1】 .93 基于 TOA 的新算法的思路与设计 .113.1 新算法的思路 .113.1.1 牛顿迭代算法 .113.1.2 高斯牛顿迭代法 .113.1.3 最速下降法 .123.2 TOA 新算法设计与说明 .123.2.1 TOA 算法设计 .123.2.2 TOA 算法说明 .124 算法仿真与 结果分析 .144.1 算法仿真过程 .144.2 仿真结果分析 .165 TOA 算 法展望 【2】 .18参考文献 .19致 谢 .20附 录 .21XXXXXX 学士学位论文IIC
3、ontents1 Foreword11.1The introduction of Wireless positioning technology21.1.1 Overview of wireless positioning technology21.1.2 The history of wireless positioning technology22 The principle and algorithm of wireless positioning technology52.1 The technology indicators of digital oscilloscope52.2 B
4、ased on TOA ranging algorithm62.2.1 LS algorithm62.2.2 AML algorithm62.2.3 RWGH algorithm62.2.4 RT algorithm63 Thinking and design of new algorithm based on TOA133.1 The new method of thinking133.1.1 Newton-Raphson method133.1.2 Gauss-Newton method133.1.3 Steepest descent method133.2 New algorithm d
5、esign and description173.2.1 Algorithm design133.2.2 The simulation software of PROTEUS173.2.2 PROTEUS platform using simulation system184 Algorithm simulation and result analysis204.1 Algorithm simulation process204.2 Simulation result analysis205 TOA algorithm prospect22References24Acknowledgments
6、 25Appendix26对抗室外环境下 NLOS 误差的 TOA 无线定位迭代算法【摘要】通过测量基站 3 条以上路径移动站的信号的到达时间（TOA）,可以对移动站进行定位。然而信道的时间和空间的变化所导致非视距(NLOS)传输导致无线定位技术面临的巨大困难,信号的非视距传输却极大地影响了 TOA 定位算法的定位精度，不同的定位算法在不同的环境条件下获得的定位精度也是不同的。传统的 TOA 定位算法有包括最小均方算法 、最大似然估计算法 、残差加权 和残1 11差检测算法 。本文也提出一种在非视距环境下克服 NLOS 误差的新的算法思路。以迭代法为主不断1逼近准确值，达到减小误差的目的。【关
7、键词】 非视距，TOA、迭代、凸松弛NLOS Error Mitigation for TOA-Based Localization via Iterative【Abstract】The location of MS can be got according to three or more arrival time of signals from MS to BS . But, the accuracy of TOA (time of arrival) is influenced by the non-line-of-sight (NLOS) transmission. The NLOS t
8、ransmission of the signal affects the accuracy of the TOA, and the different positioning accuracy of the positioning algorithm is also different in different environment conditions. The traditional TOA localization algorithm includes LS algorithm, the AML algorithm, the RWGH algorithm and the RT alg
9、orithm. This paper also proposes a new algorithm for overcoming the NLOS error in the NLOS environment. Simulation results show that the proposed location algorithm can restrain NLOS error effectively, and has better location accuracy than the traditional location algorithms.【Key words】NLOS, Time of
10、 Arrival，Iterative，Convex Relaxation XXXXXXX 学士学位论文11 绪论对移动台的定位是无线通信业务提供商的一项基本业务，自从 1996 年美国 FCC 提出第一个紧急呼救检测的条款以来，对移动目标的定位已经引起了人们的极大关注。如今，手机等移动终端大量普及，它们的各种应用都有定位的请求。如地图，团购等客户端。同时，无线定位技术在公共安全服务(如紧急医疗、紧急定位、紧急报警服务)、犯罪侦查、蜂窝系统设计、动态资源管理、基于位置的信息服务、车辆及船舶管理、导航和智能交通系统等方面的应用非常广泛 【16】 。因而定位的准确度是决定此类软件服务好坏的重要条件。
11、因此，我们迫切的需要找到适合的方法来满足高度精确定位需求。首先，提高定位的精确度，可以提高民众生活的便利性，可以精确的指导出行，减少了出行成本;其次，也为野外救援，抗震救灾打下了坚实的技术支持，为生命提供了生存的可能;最后，高精度的定位也为军事，矿产，农业等领域的提供了便利。使打击目标更加精确；使井下人员活动情况得到了解；使农业病虫害更加精确防治。当前，移动站的无线定位方法主要包括：基于信号到达时间的(TOA)、基于信号到达时间差的(TDOA)、基于信号到达角度的(AOA)和基于到达信号强度的(RSSI)4 种方法。基于上述各参量的定位技术各有其优缺点，比如基于信号强度的定位技术，周围环境的变
12、化、墙壁、植被、金属、玻璃等因素都会严重影响其定位精度，而 AOA 技术则需要在基站架设天线阵列，另外非视距传播(NLOS)、远近效应、多用户干扰都是定位技术发展要克服的困难。为了有效提高算法的跟踪性能，多站协同、多种测量方式融合是目前定位跟踪的主要趋势。定位的环境的主要分为视距(Lineof-sight，LOS)和非视距(None1ineof-sight，NLOS) 【4】 。在视距环境中，可以较为精确的对目标进行定位。干扰因素少，只有测量时产生的高斯白噪声。但在实际的环境下，由于高山和建筑物等的影响，信号的传输总是沿着非视距(NLOS)道路传输，信号的 NLOS 传输极大的降低了算法的定位
13、精度。在蜂窝移动通信系统中,常用的基于信号波到达时间(TOA)的方法来定位移动台。时间的测量精度决定了定位精度。1 ns 延时测量误差对应距离误差为 0.3 米 【5】 。到达时间测量（TOA）误差主要是由两部分组成：系统测量误差和多径衰落和多址干扰,NLOS 传播误差。系统测量误差服从高斯分布,随着技术的发展将逐渐减少,但其他一些误差因素受到传播环境的干扰始终存在。因此,NLOS 传播误差的主要因素之一。为了减少 NLOS 传播对定位精度的影响,产生了卡尔曼滤波方法 【6】 、ML 和贝叶斯方法 【7】 、散射模型方法 【8】 、BF 参数方法 【9】 、高阶统计量方法 【10】 和 MUS
14、IC 方法 【11】 等。但运用这些方法需要增加一些系统增加了系统成本和复杂性 【5】 。随着科技高速发展，粗略的无线定位的功能已不能满足人们的要求，较完善的定位算法是以精确的定位，简易的设备，易于发展完善为优势。现在无线定位技术正朝着精确化、智能化发向飞速发展。随着科学技术的发展，无线定位技术将不断精确和完善。1.1 无线定位技术的简介XXXXXXX 学士学位论文21.1.1 无线定位的概述无线定位是指利用无线电波直线恒速传播特性通过测量固定或运动的物体的位置以进行定位的技术。通过直接或间接测定无线电信号在已知位置的固定点与移动台之间传播过程中的时间、相位差、振幅或频率的变化，确定距离、距离
15、差、方位等定位参数，进而用位置线确定待定点位置的测量技术利方法。无线定位系统有雷达、无线电导航系统、无线电测向和全球定位系统等。(1)雷达雷达是利用电磁波探测目标并定位的设备。它对目标发射电磁波并接收其回波，由此获得目标的速度、方位角和高度信息。利用雷达对目标定位时，是测定目标相对于雷达的距离和方位。对空中目标进行定位时，须同时测定距离、方位和高度，雷达测量目标距离时，实际是测发射脉冲间的时间差，因为电磁波以光速传播，据此可算出目标的距离；目标的方位利用雷达天线的锐方位波束测量；根据所测目标的仰角和距离。就可求得目标的高度。雷达定位主要应用在军亊上，用于搜索和引导、跟踪测量和火力控制。(2)无
16、线电导航无线电导航是利用电磁波传播和其他相关知识,通过相关参数的确定,以实现车辆、飞机和其他运动定位和导航。导航和定位密切相关,连续定位本质上是导航。大多数无线电导航系统是协作式的,赖于信标导航信号发射, 使运动中的载体根据每个导航台方位以及星辰、地貌以准确判定所处的位置而进行工作。发射装置主要在地面，也可以安装在卫星或飞机上。无线电波以导航信息的方法很多，且均以利用无线电波的恒速、直线传播为基础。无线电导航技术的基本要素是测角和测距，因此可以组成测角-测角、测距-测距、测角-测距和测距差（双曲线）等系统。(3)全球定位系统（GPS，北斗）GPS 系统可以全天候的为全球范围任何移动台提供高精度
17、的位置和时间信息。系统由空间(卫星)、地面监测和用户接收机由三个部分组成。空间部分有 18 颗（或 21 颗）高度为 2 万公里的导航卫星，运转在 6 个倾角为 55的圆轨道平面上，每面相隔 60，轨道周期为 12h，保证在地球上任何地点任何时刻均能看到 4 颗以上仰角大于 5的卫星，每颗导航星上均载有稳定度为 10-13/日的原子钟，这是 GPS 之所以能精确定位、授时的基础。每个卫星以 L 频段的两个频率连续发送导航信号，并采用扩频技术来提高抗干扰能力。这两个信号分别称为粗测码（C/A 码）和精测码（P 码）。前者可供民用，定位25m 以内；后者专供军用，定位精度在 110m 内。两种信号
18、均含有可向用户接收机提供所需的卫星情况、系统时间、接收机正在跟踪的卫星的星历（目前和将来的位置）等信息。北斗定位系统原理和 GPS 大致相同,只是略有不同1.1.2 无线定位技术的发展过程无线定位在军事和民用技术中已获得了广泛应用。最初，对地面移动用户的定位来XXXXXXX 学士学位论文3说，以 GPS 最为重要。但是把 GPS 功能集成到移动台上需全面更改设备和网络，增加成本；且用户同时持有移动电话和 GPS 手机很不方便，所以移动用户及设备生产商和网络运营商希望能直接由移动台实现定位。近年来，由于对移动台用户定位的需求增加，进一步推动了无线定位的研究。1996年美国联邦通信委员会(FCC)
19、颁布了 E-911【15】 法规，要求 2001 年 10 月 1 日起蜂窝网络必须能对发出紧急呼叫的移动台提供精度在 125m 内、准确率达到 67的位置服务 【12】 。1998 年又提出了定位精度为 400m、准确率不低于 90%的服务要求。 【12】 1999 年 FCC 对定位精度提出新的要求：对基于网络定位的精度为 100m、准确率达 67% ，精度 300m、准确率达 95%；对基于移动台的定位为精度 50m、准确率 67% ，精度 150m、准确率 95%。FCC的规定大大推动了蜂窝无线定位技术的发展。 12如今，已经实现了蜂窝网络定位和 GPS 定位的融合。如智能手机，如今的
20、移动台既可以用蜂窝基站定位，也可以实现 GPS 定位。但由于定位需求的不断增加，对精度要求越来越高，仍需要设计新的方式，新的算法去满足要求。XXXXXXX 学士学位论文42 无线定位技术的原理及算法介绍2.1 无线定位技术的工作原理无线定位方法就是利用信标节点间信号的到达时间、到达时间差、到达信号角度、和到达信号强度信息确定位置坐标的方法。到达时间法到达时间法（TOA，Time of Arrival）定位的原理是：测量待定位节点（ , ）0XY与已知至少 3 个信标节点（ ， ）之间的信号到达时间 ，再乘以信号速度 v，计算出iXiYiT待定位节点与各信标节点之间的距离 ，分别以信标节点（ ，
21、 ）为圆心， 为半径iRiXiYiR做圆，各圆的交点为待定位节点（ , ）的坐标。0B S2B S1B S3 R2R1R3M S图2.1 基于TOA定位的基站、移动台几何关系(理想情况下)根据几何原理如图 2.1 所示，设 BS1，BS 2，BS 3分别为已知节点，MS 为未知节点。则得到方程组式为：22001220303()()IXYR（1）求解方程组（1） 【13】 ，得待定位节点的坐标位置（ , ） 。对于 TOA 定位方法，影0XY响精度的主要因素是时钟同步误差和到达时间 的测量误差。如果信标节点与待定位节点iT无法做到精确的时钟同步，则所测得的信号到达时间会有时间误差，导致 存在偏差
22、，iR使三个圆无法交汇，或交汇处不是一点而是一片区域，造成定位误差 【13】 。XXXXXXX 学士学位论文5到达时间差法（TDOA）由于 TOA 定位方法中信标节点与待定位节点间时间同步要求非常严格，需要增加硬件成本，因此采用到达时间差法（TDOA，Time Difference of Arrival）定位方法。TDOA 定位方法不要求严格的时间同步，相对简化了定位系统，应用更加广泛。TDOA 法通常有两种实现方式。一种是发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据已知的这两种信号的传播速度以及两种信号的到达时间差，计算待定位节点和信标节点之间的距离，通过计算待定位节点和至少 3
23、 个信标节点之间的距离，用三圆相交法确定待定节点的坐标位置。另一种实现方式，待定位节点（ , ）向两个信标节点（ ） 、 （ ）同时0XY1,XY2,发射信号，由于待定位节点与两个信标节点之间的距离不同，通过已知信号的传播速度v 和两个信标节点接收到信号时间差 t 相乘，可确定待定位节点在以两个信标节点为焦点、距离差为 vt 的双曲线上。通过测量至少三个信标节点之间的信号到达时间差，构成一组关于待定位节点坐标的双曲线方程组（2） ，求解该双曲线方程组可得到移动台的估计位置。222211 1233 3()()()()()xyxyvt（2）到达角度法到达角度法（AOA，Angle of Arriv
24、al）定位原理是：待定位节点向信标节点发射信号，通过信标节点测定信号到达的角度，解算出待定位节点的坐标。在二维空间中，测得两个信号到达信标节点的到达角度 AOA，信标节点根据各测得的 AOA 直线方向取其交点，解出待定位节点的坐标。假设信标节点（ ） 、 （ ）测得待定位节点信号到达角度分别为 、 ，根1,XY2, 12据几何关系可求出待定位节点位置（ , ） 。AOA 法定位精度受天线测角精度影响，增0XY加信标节点布点密度或使用天线阵列可提高定位精度。信号强度法信号强度法（RSSI，Received Signal Strength Indication）定位原理为：通过检测信号接收端接收功
25、率 ，通过传播损耗模型，计算节点间的距离 d，根据三边定位方法tP（如图 2.1） ，解出信标节点的位置坐标。2.2 基于 TOA 测距算法介绍首先，我们讨论一下，噪声对定位的影响。室外 NLOS 环境中，存在的噪声主要有两种。一种是 NLOS 噪声，另一种是测量计算噪声。NLOS 噪声是由于高大建筑物、高山等引起的信号非直线传播造成的。由于高大物体的阻挡，信号必须进行绕射，此时信号XXXXXXX 学士学位论文6在空气中衰减程度会进一步加剧。绕射对信号的强度，到达目标的传输时间，传播的角度都有极大的影响。以 TOA 为基础的算法中，到达接收基站的传输时间的延迟对定位产生极大的影响。同样，若以
26、RSSI 为基础的算法则对接收信号的强度要求较高。若以 AOA为基础的算法则对接收信号的角度要求较为准确。测量计算噪声则是由设备测量估算造成的。若以 TOA 为例，发送基站与接收基站的时间必须同步。若不同步则会产生测量误差，即测量的时间差不准确，若此不准确的时间差乘以光速，会产生更大的误差对定位精确度产生干扰。在 RSSI 系统中，用来测量信号强度的设备也可造成测量计算误差。若测量的精度的不准确就会对定位精度产生较大的影响。同样，以 AOA 基础的测量方法也存在类似的问题。为此，我们用 MATLAB 仿真一下噪声的影响，matlab 程序见（附录一） 。仿真结果如图 2.2图 2.2 NLOS
27、 环境中噪声对定位精度的影响根据仿真的数据显示移动台准确位置的坐标为（13.8537，-4.7766） 。在加入均值为1，方差为 2 的高斯噪声以后，有三个基站进行定位的结果是（14.0578，-2.9345） 。移动台的定位坐标与准确位置坐标的欧式距离相差 1.8534。由此可见，噪声对定位精确度有较大的影响。这里，我们只是假设基站在最佳的固定位置。在现实生活中，基站的位置是不定的，随着地域的变化而变化，定位精度会进一步降低，误差会进一步加大。在蜂窝移动通信系统中，常以测量信号到达时间（TOA）为基础的方法对移动台进行定位。对时间差的测量准确度决定了此方法的定位精度。资料显示，1 ns 的时延测量误差对应 03 m 的距离误差 【5】 。TOA 测量误差主要是由系统测量误差和多径衰落、多址干扰、NLOS 传播以及远近效应等产生的误差组成 【5】 。系统测量误差服从高斯分布，随着技术的发展会逐渐减小，而其他一些误差因素受电波传播环境的影响始终存在。因而，
