基于tdoa的css精確定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于TDOA的CSS精確定位方法，屬于室內定位技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著無線傳感器網絡技術的發展，其低成本、低能量消耗、多功能等特點吸引了大 量研究，已經被廣泛應用于物聯網、人員定位、機器人定位等眾多領域。在無線傳感器網絡 的眾多應用中，傳感器節點的位置信息是至關重要的，因為沒有節點位置信息的監測數據 往往是沒有意義的。節點自身的精確定位是提供監測事件位置信息的前提，也是實現移動 目標定位、軌跡跟蹤預測、網絡拓撲控制以及網絡路由優化的基礎。定位功能是無線傳感器 網絡的一大特點，與傳統定位技術相比有組網靈活、成本低等特點。本文所采用的線性調頻 擴頻技術（Chirp Spread Spectrum，CSS)在中短距離內具有良好的定位精度和穩定性。不 僅支持低的能量消耗，還支持精確測距，非常適合應用于無線傳感器網絡節點定位。但是該 技術應用于無線傳感器網絡節點定位中仍存在以下問題函需解決：（1)由于周圍惡劣環境 對無線信號的影響，CSS測距樣本存在隨機測量噪聲和異常測距點污染問題，嚴重惡化了測 距精度；(2)由于傳感器節點能量有限，如何設計簡單高效的濾波算法提高定位性能是一 大難題；（3)目前視距范圍內減少誤差的方法一般是取測距測試所擬合的測距誤差模型方 程作為修正方程對測量結果進行修正，即在整個定位中不考慮節點之間的差異、環境特點 等導致測距誤差模型方程的差異，而采用同一方程對結果進行修正，導致最終定位精度不 高；(4)現實中，各個基站和移動終端通常是不在一個平面的，各基站和移動終端的高程差 (有的高程差能達到100m)對定位精度的影響是絕對不可忽略的。
【發明內容】
[0003] 為了解決上述現有技術的問題，本發明公開了一種基于TDOA的CSS精確定位方 法。其特征在于，所述的CSS精確定位方法包括如下步驟：
[0004] (1)移動終端向CSS定位基站發送測試信號，CSS定位基站的各基站天線在接收到 所述的測試信號后，分別發送應答信號給移動終端；
[0005] (2)確定移動終端接收到各所述應答信號的實際時刻，并根據無線信號在空氣中 的傳播速度，得到待定位節點與每個參考節點之間的距離測量值；
[0006] (3)利用CSS技術，根據步驟（1)和（2)，N次測量待定位節點與各參考節點之間 的距離，獲得該待定位節點與對應參考節點的N個測距值；
[0007] (4)使用投票平均聯合濾波算法對所述的N個測距值進行干擾處理，即通過高斯 概率分布函數計算每個所述測距值的投票概率，當所述的投票概率小于設定的置信值時， CSS就拋棄該測距值，否則就保留；
[0008] (5)對保留下來的測距值利用動態誤差修正算法進行動態修正；
[0009] (6)將步驟（5)修正后的測距值取平均值，然后對得到的平均值使用TDOA的三維 定位算法，求得待定位節點的位置坐標，最終實現精確定位。
[0010] CSS信號的測距過程，具體實現步驟如下：
[0011] (1)移動終端向CSS定位基站發送測試信號，并啟動終端定時器；
[0012] (2)各基站天線收到測試信號后，分別經天線導線傳送到后臺處理器，后臺處理器 接收到所述的測試信號后，啟動基站定時器；
[0013] (3)各基站天線自動返回一個應答信號，并停止基站定時器，同時讀取處理時延 T2和計算測試信號在天線導線上的傳輸時間t ;
[0014] (4)移動終端收到基站天線傳來的應答信號后停止終端定時器，讀取處理時延 Tl ；
[0015] (5)移動終端接收應答信號的實際時刻
，根據無線信號在空氣中 的傳播速度是光速c，可計算得到待定位節點與每個參考節點之間的距離f，即= 。
[0016] 所述的投票平均聯合濾波算法包括以下步驟：
[0017] (1)建立直角坐標系，獲得每個參考節點的位置坐標，并通過距離矢量交換協議， 使待定位節點獲得所有參考節點的ID、位置坐標以及待定位節點與相應參考節點的跳數， 待定位節點建立對應的參考節點信息表；
[0018] (2)待定位節點查詢自身的參考節點信息表，當其1跳范圍內具有的參考節點數 目大于或者等于3個時，利用CSS技術，N次測量該待定位節點自身與各參考節點之間的距 離，對每個參考節點均獲得N個測距值；
[0019] (3)求取所述N個測距值的均值，采用高斯概率分布函數，計算每個測距值的投票 概率，并設定置信值，對每個測距值進行投票，當相應測距值的投票概率小于置信值時，CSS 就拋棄該測距值，否則就保留，保留下的測距值的數目用m表示；
[0020] (4)使用動態誤差修正算法對保留下的m個測距值進行動態修正，以減少測距誤 差。
[0021] 本發明所述的動態誤差修正算法先設定最小定位單位，即一個待定位節點與四個 參考節點，然后利用最小定位單位的待定位節點與四個參考節點的四組m個測距值，根據 距離約束方程找出每一組測距值對應的最佳的測距誤差模型，利用這個最佳測距誤差模型 對每一組的m個測距值進行修正。
[0022] 找出最佳測距模型方程的具體步驟為：
[0023] (1)視距環境下的CSS定位中有以下測距誤差模型：
[0024]
[0025] 其中，df是待定位節點到四個參考節點的真實距離；^是待定位節點到四個參考 節點的測量距離；a，b為線性方程系數，f = 0,1，2,3 !ap a2, bp b2是定位前對最小定位單 位進行測距測試，通過最小二乘法對測距測試擬合后，所得系數a，b對應的的一個較小取 值區間的上下限界值，如果擬合系數超過所取范圍，則認為有較大噪聲干擾。
[0026] (2)定義測量誤差ε f:
[0027]
[0028] (3)根據步驟⑴和⑵可得： CN 105137391 A ^ 3/8 貝
[0029]
[0030] 把ε 入距離約束方程式中，得到關于a，b的函數，記為：
[0031]
[0032] (4)在a e [ai，a2]，b e [bp b2]內，F (ab)最接近0所對應的一組系數，就是測距 誤差模型的最佳系數估計，從而求解方程：
[0033]
[0034] 得到最優系數a% b%確定最佳測距誤差模型為：
[0035] 所述的TDOA的三維定位算法具體過程如下：
[0036] 設四個參考節點的位置坐標分別為（X。，y。)，（X1, Y1)，（Xy y2)，（X；?，yd，待定位節 點的位置坐標為（X，y)，^，?2,Λ分別為待定位節點到四個參考節點的距離，待定位節 點到參考節點（X(j，y。）和待定位節點到其他三個參考節點（Xpy 1), (x2，y2)，（x3，y3)的距離 差為Δ?/λ (A = l,2,3)，那么定位方程為：
[0037]
(1 )
[0038] 從而得到
（2)
[0039] 其中：
[0040] 將式⑵中A看作已知量，并將其帶入式⑴中A表達式，經化簡得：
[0041] (3)
[0042]
[0043] 根據（3)式進行計算，當求得么的值為一正一負時，則取A>〇的解：如果上的兩 個值皆為正值時，則根據時間差的正負或者借助其他約束條件消除定位模糊；最后，將符合 條件的A代入（2)式可求得待定位節點的位置信息。
[0044] 采用CSS信號進行測距時所述的天線導線間最小天線傳輸長度，其特征在于，根 據信號最大拖尾時間TL lfcx和待定位區間的最大移動距離MLlfcx確定最小天線導線長度LMin。 當所述天線導線為同軸電纜時，所述最小天線導線長度LMin為：
[0045]
[0046] 式中，ε。為同軸電纜的等效介電常數，c為光速。
[0047] 若所述天線導線為微帶線時，所述最小天線導線長度LMin為：
[0048]
[0049] 式中，ε "為微帶線的等效介電常數，c為光速。
[0050] 動態誤差修正算法所述的最小二乘法，包括以下步驟：
[0051] (1)定位前對最小定位單位進行測距測試，根據實際情況布置好節點，此時的參考 節點與待定位節點的位置坐標已知，從而得到四個參考節點與待定位節點之間的真實距離 df，其中 f = 〇，1，2,3 ;
[0052] (2)根據移動終端接收信號實際時刻
，和傳播速度c，可計算得到 待定位節點與四個參考節點之間的距離2/.，即
，其中f = 0，1，2,3 ;
[0053] (3)