基于無線通信基站的三維定位方法技術

本發明專利技術公開了一種基于無線通信基站的三維定位方法，步驟為：1)獲取基站BS坐標，計算出移動終端MT到基站的傳播時間；2)從所有基站BS中選取一個為目標基站定為BS

Three dimensional positioning method based on wireless communication base station

The invention discloses a method for three dimensional positioning, wireless communication base station based on the following steps: 1) access to the base station BS coordinates, calculate the propagation time of MT mobile terminal to the base station; 2) to select a target base station for BS from all base stations in BS

【技術實現步驟摘要】
基于無線通信基站的三維定位方法
本專利技術涉及移動通信定位
，具體地指一種基于無線通信基站的三維定位方法。
技術介紹
隨著基于位置的應用層出不窮，位置服務己經成為移動增值業務的重要組成部分，在移動通信領域具有廣泛的應用前景，因此利用基站提供位置服務己經成為研究和應用熱點。近年隨著移動通信網絡的迅速發展，更多的移動終端接入到移動通信網絡中，越來越多的基站被建立起來，幾乎遍布世界的每一個角落，為終端用戶提供通信服務，所以實現移動終端的精準定位變得愈來愈重要。移動通信網絡中最基本的定位技術是基于基站的定位技術。移動通信定位技術在當前常用的主要有三種，即Cell-ID定位法、TDOA或AOA定位法、A-GPS定位法。影響定位精度的主要因素有：(1)多徑傳播對定位精度的影響；(2)NLOS(非視距)傳播對定位精度的影響，NLOS傳播是影響各種蟬窩網絡定位精度的主要原因；(3)多址干擾對定位測量的影響；(4)基站個數及位置分布對定位的影響；(5)同一位置冗余測量的數據等。Cell-ID定位法是根據移動終端所連接的蟬窩的位置來對用戶的位置進行表示，該定位方法的精度較低，且定位精度差異大；TDOA或AOA定位法的基本原理是通過測量電波從移動終端傳播到多個基站的傳播時間或傳播時間差來確定目標終端的具體位置，定位精度高于前一種定位法，但是考慮視距和非視距的情況，測量、噪聲等因素會造成誤差；A-GPS定位法是在GPS定位技術的基礎之上，通過無線通信網絡對輔助數據進行傳輸，它是一種十分快速的定位方法，具有定位精度高、定位速度快等優點，其缺點在于技術難度大、不能有效解決室內的定位問題。
技術實現思路
本專利技術的目的是針對現有技術的不足之處，提出一種收斂速度快、時間復雜度低、精確度高的基于無線通信基站的三維定位方法。包括如下步驟：。1)獲取基站BS坐標，計算出移動終端MT到基站的傳播時間；2)從所有基站BS中選取一個為目標基站定為BS1，其他基站定為BSi，i為大于1的自然數；3)計算其他基站BSi到目標基站BS1的距離差Dbbi1，并篩選其他基站BSi，更新計算移動終端MT到篩選后的其他基站BSi的傳播時間；4)運行α-TDOA算法，得到移動終端MT的坐標(x,y,z)；所述α-TDOA的運算公式為：其中，上式中，α為加權因子，α∈(0,1)，Ai為第一參數；Bi為第二參數，Ci為第三參數；Si為第四參數，(X1,Y1,Z1)為目標基站BS1的坐標，(Xi,Yi,Zi)為第i個其他基站BSi的坐標；τi為移動終端MT到其他基站BSi與目標基站BS1的傳播時間差；v為信號傳播速度，取3*108m/s。優選地，所述步驟3)中使用k-NN分類算法，以其他基站BSi到目標基站BS1的距離差Dbbi1作為判斷標準進行篩選，每類中僅保留一個基站。優選地，所述步驟3)中其他基站BSi到目標基站BS1的距離差Dbbi1的計算公式為：優選地，所述步驟4)之后還包括：5)運行α優化算法，迭代優化加權因子α的值，根據優化后的加權因子α，更新計算得到移動終端MT的坐標(x,y,z)。優選地，所述優化加權因子α的迭代次數為大于5次，每次迭代優化后舍棄超過1或者小于0的值。優選地，所述α優化算法的公式為：L＝ντi其中：L為中間參數，Dmbi1為移動終端MT與到達目標基站BS1、其他基站BSi的距離差。本專利技術提供了一種基于基站的精確定位移動終端的方法，重點提出了一種在復雜環境下的高精度高效率定位。該方法中，我們考慮視距與非視距情況同時存在的傳播環境，通過引入加權因子表達測量值與實際值之間的關系，設計算法進行計算及優化。另外，考慮到基站的數目較多，為了提高計算速度和保證精確度，首先對基站進行分類操作，在計算過程中，同一類中的基站僅選取其中的一個的測量值參與計算。試驗結果表明，本專利技術提出的綜合算法計算復雜度較低、收斂速度快、效率較高，最終計算出的終端位置坐標精確度高。本專利技術與現有技術相比具有如下突出特點：1.采用矩陣運算的形式計算終端坐標與優化算法，相比于現有技術，速度更快，時間復雜度更低；2.本專利技術為提高定位精確度而設計的優化算法思路新穎，收斂速度快，每次迭代對不滿足其應屬范圍的加權因子值進行舍棄，有效避免了誤差較大測量值對結果的影響，大大提升了優化效率；3.使用k-NN分類算法，依據基站與目標基站之間的距離進行分類，去除冗余基站，速度更快；實驗表明，分類之后的定位精確度更高。附圖說明圖1為本專利技術的流程圖。圖2為樣本數據表。圖3為仿真結果表1。圖4為仿真結果表2。圖5為誤差5m內基站數目關于定位精度曲線圖。圖6為誤差5m內迭代次數關于定位精度曲線圖。具體實施方式以下結合附圖和具體實施例對本專利技術作進一步的詳細描述。本專利技術一種基于無線通信基站的三維定位方法引用了TDOA算法。TDOA與時鐘同步信號到達時間差(TimeDifferenceofArrival,TDOA)是指同一移動終端(MobileTerminal)MT發出的信號的到達不同基站(BaseStation)BS的時間差。此種測量值的獲取并不要求移動終端MT與基站BS的時鐘同步，而僅要求所有基站BS時鐘同步，因此在一定程度上降低了定位實施復雜度和計算復雜度。己有相關研究結果表明，基于TDOA的定位算法具有抗干擾能力強、計算精度高等優勢，并在蟬窩通信網絡、WLAN室內定位等諸多定位領域中得到普遍應用。假設在時間t內有兩個相同的信號從移動終端MT分別發射向基站BS1與BS2，并且己知移動終端MT與基站BS1的距離為D1，與基站BS2的距離為D2，ε為發射端與接收端的時鐘同步誤差，那么基站BS1與基站BS2接收到的信號時間差為：根據上式可知，TDOA算法對收、發端的時鐘同步沒有要求，減少了時間誤差變量，對構建算法模型具有一定的優化。α-TDOA算法綜合考慮視距與非視距情況，測量、噪聲等誤差，發現誤差對于數據的反映表現為測量值的偏大，基于其總是引起正的誤差這一事實，同時參考定位效率與精確度，我們提出α-TDOA算法模型。首先隨機初始化加權因子α(0<α<1)，使得：αvτi＝Di-D1。因此通過移向可得其中i＝2,3,...,N，用上式減去可得到：其中i＝3,4,...N,已知MT和BSi的坐標分別是(x,y,z)和(Xi,Yi,Zi)，展開可以得到：Di2＝Xi2-2Xix+x2+Yi2-2Yiy+y2+Zi2-2Ziz+z2將上式結果代入(2)中：其中i＝3,4,...N,我們把上面的式子重寫為：Si+Aix+Biy+Ciz＝0其中：且將上述N-2個等式寫成矩陣的形式：由此消除了D1，那么MT的坐標(x,y,z)可以通過下面的方式獲得：本專利技術所需要的基站數目至少為5個。如圖1所示，本專利技術一種基于無線通信基站的三維定位方法的具體步驟為：1)獲取基站BS坐標，計算出移動終端MT到基站B的傳播時間，作為TOA測量值。2)從所有基站BS中選取一個為目標基站定為BS1，其他基站定為BSi，i為大于1的自然數。3)計算其他基站BSi到目標基站BS1的距離差Dbbi1，并篩選其他基站BSi，更新TOA測量值并計算移動終端MT到篩選后的其他基站BSi的傳播時間。使用k-NN分類算法，以其他基站BSi到本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于無線通信基站的三維定位方法，其特征在于，包括如下步驟：1)獲取基站BS坐標，計算出移動終端MT到基站的傳播時間；2)從所有基站BS中選取一個為目標基站定為BS

【技術特征摘要】
1.一種基于無線通信基站的三維定位方法，其特征在于，包括如下步驟：1)獲取基站BS坐標，計算出移動終端MT到基站的傳播時間；2)從所有基站BS中選取一個為目標基站定為BS1，其他基站定為BSi，i為大于1的自然數；3)計算其他基站BSi到目標基站BS1的距離差Dbbi1，并篩選其他基站BSi，更新計算移動終端MT到篩選后的其他基站BSi的傳播時間；4)運行α-TDOA算法，得到移動終端MT的坐標(x,y,z)；所述α-TDOA的運算公式為：其中，上式中，α為加權因子，α∈(0,1)，Ai為第一參數；Bi為第二參數，Ci為第三參數；Si為第四參數，(X1,Y1,Z1)為目標基站BS...

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃靖，姜文，佟錚，胡曉勇，唐星，
申請(專利權)人：武漢理工大學，
類型：發明
國別省市：湖北,42