專利名稱：一種環境自適應的多目標直接定位方法
技術領域：
本發明屬于無線定位技術領域，特別涉及一種利用無線通信設施進行無線定位的方法。
背景技術：
無線定位技術在搜索救援、智能交通、物流管理、地質勘探和國土開發、航海/航空導航等諸多領域都有廣泛應用。如今在軍事行動和日常生活的各個領域，具有空間位置特性的地理信息發揮著越來越重要的作用，高精度的無線定位技術也越來越受到廣泛關注。在眾多無線定位系統中，最著名的是把無線電發射源設置在各種軌道衛星上的定位系統，例如美國的全球定位系統(GPS)、歐洲的伽利略(Galileo)系統、俄羅斯的GL0NASS系統以及我國的“北斗”定位系統等，憑借著廣域覆蓋的巨大優勢，將無線電定位技術發展到一個新的高度。盡管衛星定位技術已經在國民經濟各個方面得到廣泛應用，但是在應用領域由于受到各種接收誤差的影響，需要通過其它輔助手段(例如建立差分基準站)才能達到所需的定位精度要求；同時在接收信號受到物理遮擋的情況下常常無法完成導航任務。因此，利用現有和即將建設的龐大的民用無線通信設施進行無線定位，不僅可以彌補衛星定位系統的不足，而且可以作為無線通信高附加值的服務。尤其是在美國聯邦通信委員會頒布了 E911 (Emergency call 911)強制性定位要求后,加上巨大市場利潤的驅動，國內外出現了研究移動通信系統終端定位技術的熱潮。受衛星定位系統的影響，當前利用民用通信設施的定位方法絕大多數采用兩步定位模式(如圖2所示)，即首先估計接收信號的一個或多個特征參數(如信號強度(RSS)Jf號到達時間(T0A)、信號到達時間差(TDOA)和信號到達角度(AOA)等)，再根據這些參數估計出移動終端的位置。此類定位模式的定位精度取決于第一步參數估計的精度和第二步位置解算算法的性能。在兩步定位模式下，眾多研究一直試圖從提高參數估計精度和增強定位算法性能兩個角度提出改進方案，以達到改善最終定位性能的目的。但不同于衛星定位系統，無線通信網絡不是專門為定位設計的系統，其特征參數測量和估計是在完成通信功能的同時進行的，而且在信號格式上一般也沒有為定位目的專門設計的定位信息域，難以保證特征參數測量精度，其誤差不僅影響定位參數的估計精度，而且會傳遞到第二步位置解算階段，引起更大誤差。盡管已有大量關于參數估計的論文發表，但因為實際環境的復雜性和隨機性，目前還沒有在所有環境下都能進行高精度參數估計的一般方法。而且涉及到多目標定位時，存在著數據關聯難題。直接定位方法(Direct Position Determination,DPD)是無線定位領域近幾年發展起來的一種定位新模式(如圖3所示)，該方法突破了傳統兩步定位方法的局限，將特征參數檢測和定位融為一體，直接利用信號波形進行定位，無需專門的參數估計過程。目前最著名的直接定位方法是Weiss等人提出的格點搜索直接定位方法，可稱為GDH)方法(Weiss’A.J.and A.Amar, “Direct position determination of multiple radio signals, ”EURASIP Journal on Applied Signal Processing, vol.2005, n0.1, 37-49，2005.)。該方法依據最小二乘原則建立目標函數，通過求解該函數的最小值即可得到移動終端的位置估計。由于這是一個多維優化問題，直接求解計算復雜度很高。為了方便計算，Weiss等人將定位區域劃分成若干個格點，將每個格點作為移動終端可能的潛在位置，分別計算每個格點的目標函數值，其極值所對應位置即為所求位置。由于這種直接定位方法不像兩步定位方法可以利用清晰的幾何關系，其計算量要遠高于傳統兩步定位方法，尤其不適用于實時性要求較高的場合。而且該方法需要預先已知目標個數，這在實際中往往較難得到。近年來，壓縮感知理論成為信號處理領域的研究熱點，其獨特的思想也開始在無線定位領域中得到應用。但現有基于壓縮感知的定位工作絕大部分針對兩步定位模式，目前僅專利申請書(申請號為CN2011104003679)中提出利用格點處信號構成冗余字典，實現稀疏基的直接定位，可稱為SDH)方法。但該方法忽略了實際信道時變特性的影響，因此在實際環境中該方法的定位精度會有顯著下降。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術中存在的不足，利用兩步字典學習技術，提出一種環境自適應的多目標直接定位方法，不僅從根本上解決時變因素對直接定位方法的影響，而且能夠根據環境的動態改變自適應地做出調整，達到提高Dro定位精度，促進直接定位模式的實用化的目的。本發明為實現上述發明目的，所采用的技術方案是:一種環境自適應的直接定位方法，包括如下步驟:I)定位請求 :假設共有L個待定位的移動終端，其位置未知，記為P1=Oc1, Y1)，1=1,…，L ；N個已知位置的基站位于qn=(xn, yn), n=l,…，N,每個基站均裝有含M陣元的陣列天線；移動終端向參考基站發出定位請求，各參考基站分別接收移動終端發出的信號，并將信號匯集到定位中心；定位中心將基站所圍成的定位區域劃分為K個格點(格點位置已知)，此處可以根據需要進行均勻劃分或者非均勻劃分，并將格點坐標組成集合
Q = {pf,…,PD ;由于在某一特定時刻移動終端所在的位置在空間域上是唯一的，也即移
動終端只在其中的一個格點處(或其附近)，因此一旦定位區域內的格點位置劃定，移動終端在空間上的位置可精確地用一個索引向量Q=H1，…，eK]T表示，其中移動終端所在格點處的索引分量Q i, i e {1，…，K}為正(比如記為I),而其他格點所對應索引值記為O。由于移動終端數量一般遠小于格點數量，如此一來，定位問題可以轉變為依據接收信號判斷稀疏向量中非零值所在位置的問題；2)建立理想字典:在忽略信道變化的情況下，在第n個基站上接收到的第I個移動終端發出的信號可以表示為:rn(t) =an(px) S1 (t- x n(px)) +vn(t)(I)其中Sl (t)表示第I個移動終端發出的信號波形，一般采用訓練序列或同步序列等已知信號波形，并且所有移動終端采用相同信號波形；an(Pl)是第n個基站的天線陣列響應，當天線孔徑遠小于移動終端到天線的距離時，an(P1)僅僅是AOA的函數；Tn(P1)表示電磁波從第I個移動終端到第n個基站所經歷的時延；vn(t)表示噪聲矢量；下面考慮忽略掉噪聲影響的理想情況，假設第i個格點處存在一個移動終端，則在第n個基站上理想接收信號可以表示為
權利要求
1.種環境自適應的多目標直接定位方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 1)移動終端向參考基站發出定位請求，各參考基站分別接收移動終端發出的信號，并將信號匯集到定位中心； 2)定位中心對參考基站所圍成的定位區域采用均勻或非均勻劃分方法劃分為K個格點，并將格點坐標組成集合U =丨Pf,…,P〗};利用基站和格點坐標，依據確定的幾何關系建立理想字典； 3)離線字典學習:根據得到的采樣點，對理想字典進行學習，這一步采用交替學習方式，即稀疏恢復和字典更新交替進行； 4)在線字典學習:在離線學習字典的基礎上，再通過增量學習方法，根據最新數據不斷調整字典和稀疏矢量e ;稀疏矢量e中非零值位置所對應的格點位置就是要估計的移動終端位置，非零值 的個數即為目標個數。
全文摘要
本發明公開了一種環境自適應的多目標直接定位方法。該方法由定位中心首先對定位區域進行格點劃分，并將格點坐標組成集合；然后根據已知的基站和格點坐標預先建立理想字典；接著定位中心根據各基站所收到的移動終端發出信號，利用離線和在線兩步字典學習方法對理想字典進行動態調整，使之適應信號環境的動態變化，進而對稀疏信號進行重構，所得稀疏向量中非零值所對應格點位置即為所求移動終端位置，非零值個數即為待定位目標個數。本發明的方法不僅無需進行信號時延、角度、強度等特征參數估計，而且由于采用兩步字典學習方式能夠動態適應環境的變化，可以獲得更高的定位精度，同時該方法無需預先已知待定位目標個數。
文檔編號H04W64/00GK103096465SQ20131000981
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月11日 優先權日2013年1月11日
發明者柯煒, 張晗博, 殷奎喜 申請人:南京師范大學