定位解近似奇异或定位误差轴相关性问题的变尺度空时自调节处理方法与流程

1.本发明属于微波、毫米波多基站通信与定位技术领域，具体涉及一种定位解近似奇异或定位误差轴相关性问题的变尺度空时自调节处理方法。


背景技术：

2.终端用户(user equipment，ue)可与多个基站(base station，bs)进行通信，获得时间、距离或角度相关信息，进而通过传统方法进行定位。传统方法是对物理场景建立原坐标系，在原坐标系利用最小二乘法(least square method，lsm)进行位置估计，以及对定位解进行评估。但上述求解过程有时会出现近似奇异解，导致定位结果不可信，定位误差非常大。此外，在正常解情况下，bs或ue所在坐标轴相对量级的差异会使得最终定位误差的分布出现轴相关性，即误差主要分布在坐标量级较小的轴向上，这与实际经验不符。
3.为了解决以上技术问题，有必要提出一种解决定位解近似奇异或定位误差轴相关性问题的变尺度空时自调节法。


技术实现要素：

4.为了解决上述背景技术中所提出的技术问题，本发明的目的在于提供一种定位解近似奇异或定位误差轴相关性问题的变尺度空时自调节处理方法。该方法可以实现在近似奇异解情况下给出可信定位解，在正常解情况下解决定位误差轴相关性问题。
5.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种定位解近似奇异或定位误差轴相关性问题的变尺度空时自调节处理方法，包括以下步骤：
6.1)空间压缩和时间压缩；
7.2)在步骤1)的基础上基于最小二乘法(lsm)估计定位解；
8.3)空间反压缩；
9.所述空间压缩是指对基站和用户所在的原坐标系下的坐标经变换函数f进行空间压缩变换，得到坐标轴的相对量级平缓的新坐标系下的新坐标；
10.所述时间压缩是指将原坐标系下的时间通过压缩系数进行压缩得到新坐标系下的时间；
11.所述空间反压缩是指将步骤2)中的定位解经变换函数f-1
反压缩回原坐标系进行定位解评估，变换函数f-1
是f的逆变换。
12.进一步地，所述原坐标系是指针对实际物理场景选择的直角坐标系，坐标系的x、y、z轴分别对应定位场景中的长宽高或实际空间中的东向、北向和天向；
13.所述新坐标系是指原坐标系经变换函数f处理后得到的坐标系。
14.进一步地，所述变换函数f定义如式(1)，
15.f
→
sign(χ)log
10
(τ1 log
10
(τ2 |χ|))＝χ
′ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
16.其中，τ1,τ2为两个偏置参数，用来控制新映射空间的最小尺度，其取值均大于等于
1；χ表示原坐标系中任意点的任一轴的坐标值，χ
′
表示χ映射到新坐标系中相应轴的坐标值。
17.进一步地，所述变换函数f-1
如式(2)所示，
[0018][0019]
其中，τ1,τ2为两个偏置参数，用来控制新映射空间的最小尺度，其取值均大于等于1；χ表示原坐标系中任意点的任一轴的坐标值，χ
′
表示χ映射到新坐标系中相应轴的坐标值。通过式(2)将被压缩到新坐标系中的定位解反压缩回原坐标系。
[0020]
进一步地，所述压缩系数如式(3)所示，
[0021][0022]
其中，χ表示原坐标系中任意点的任一轴的坐标值,χ
′
表示χ映射到新坐标系中相应轴的坐标值。
[0023]
本发明的有益效果：(1)本发明针对定位解近似奇异问题或正常解情况下定位误差轴相关性问题提供了新的解决思路，所提出的变尺度空时自调节方法可以实现在近似奇异解情况下给出可信定位解，在正常解情况下解决定位误差轴相关性问题；(2)所提出的变尺度空时自调节方法能够有效消除坐标轴间尺度差异对定位误差带来的影响，能够改善定位精度；(3)所提出的变尺度空时自调节方法可以有效缓解lsm近似奇异解问题；(4)本发明所提出的方法具有较大的理论研究价值和工程实践意义。
附图说明
[0024]
图1为随机生成100个bs与9个ue的三维坐标示意图；
[0025]
图2为基于传统lsm对9个ue三维位置估计时各ue的各方向的定位误差图；
[0026]
图3为采用本发明所提出的变尺度空时自调节法对9个ue三维位置估计时各ue的各方向的定位误差图；
[0027]
图4不同偏置参数下空间压缩的程度图；
[0028]
图5为100个共面bs与随机9个ue的三维坐标示意图；
[0029]
图6为基于传统lsm对9个ue进行三维位置估计时各ue的各方向的定位误差图；
[0030]
图7为采用本发明所提出的变尺度空时自调节法对9个ue三维位置估计时各ue的各方向的定位误差图。
具体实施方式
[0031]
为了更好地理解本发明的内容，下面结合具体实施方法对本发明内容作进一步说明，但本发明的保护内容不局限以下实施例。
[0032]
实施例1
[0033]
下面验证本发明提出的变尺度空时自调节法对定位误差轴相关性问题的解决效果。以toa(到达时间)-lsm和toa(到达时间)-本发明提出的变尺度空时自调节法为例进行验证，对其他方法(比如到达时间(toa)改为到达时间差(tdoa)、到达角(aoa))的验证结果类似。
[0034]
如图1所示，为随机生成100个bs与9个ue的三维坐标示意图。首先在一个东向、北
向不超过100米，天向不超过10米的场景内随机生成100个bs和9个ue的三维坐标，该坐标系下最大相对量级为1(定义原坐标系轴间的最大相对量级为下最大相对量级为1(定义原坐标系轴间的最大相对量级为x
max
,y
max
,z
max
为各轴所能取到的最大值)。设置如下参数，其中各ue位置坐标每秒更新30次，每次引入均值为0秒，方差为10-10
平方秒量级的时间相关噪声，各ue初始位置为参考值，针对同一组测量数据分别用传统toa-lsm和toa-变尺度空时自调节法进行测试，统计各ue的各方向的定位误差，对误差进行排序，并用箱线图表示。其中e表示东向误差，n表示北向误差，u表示天向误差，m表示各方向误差矢量的模值。测试结果如图3和图4所示。其中图3表明采用传统toa-lsm处理时定位误差出现轴相关性问题，且主要分布在天向；而用toa-变尺度空时自调节方法进行位置估计时，结果如图4所示，轴相关性问题被解决，且整体定位误差明显减少，对这一结果的解释是所提出的变尺度空时自调节方法显著压缩了lsm中空间相关参数，使a和b各元素大小分布均匀，各轴向的时间相关噪声被自适应地调节，使定位精度有所提高。
[0035]
实施例2
[0036]
如图4所示，为不同偏置参数下空间压缩的程度。选取偏置参数τ1＝τ2＝1,2,5,10,20,50时，对比了对轴间量级有105差异时空间压缩的程度。测试结果表明，所提出的方法可以显著对空间进行压缩。
[0037]
实施例3
[0038]
下面验证本发明提出的变尺度空时自调节法对近似奇异问题的解决效果。以tdoa(到达时间差)-lsm和tdoa(到达时间差)-本发明提出的变尺度空时自调节法为例进行验证，对其他方法(比如到达时间差(tdoa)改为到达时间(toa)、到达角(aoa))的验证结果类似。
[0039]
先按共面约束生成100个bs，同时随机生成9个ue，bs与ue三维位置示意图如图5所示。ue位置每秒更新30次，每次引入均值为0秒，方差为10-16
平方秒量级的时间相关噪声，各ue初始位置为参考值，针对同一组测量数据分别用传统tdoa-lsm和tdoa-变尺度空时自调节法进行测试，统计各ue的各方向的定位误差，对误差进行排序，并用箱线图表示。其中e表示东向误差，n表示北向误差，u表示天向误差，m表示各方向误差矢量的模值。测试结果如图6和图7所示。tdoa-lsm产生奇异解或近似奇异解，如图6所示，各ue各轴都产生了非常大的定位误差，此时定位失败。而tdoa-变尺度空时自调节法则得到了高精度近似解，定位均方根误差优于2米，如图7所示。
[0040]
以上所述仅为本发明的具体实施方式，不是全部的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。