对抗室外环境下nlos误差的toa无线定位迭代算法无线定位优化.doc
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1、. . 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 日装订线. . . II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)算法【1】72.2.3残差加权(Rwgh)算法【1】82.2.4 残差检测(RT)算法【
2、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21Contents1 Foreword1 1.1The introduction of Wireless positioning technology2 1.1.1 Overview of wireless positioni
3、ng technology2 1.1.2 The history of wireless positioning technology22 The principle and algorithm of wireless positioning technology5 2.1 The technology indicators of digital oscilloscope5 2.2 Based on TOA ranging algorithm6 2.2.1 LS algorithm6 2.2.2 AML algorithm6 2.2.3 RWGH algorithm6 2.2.4 RT alg
4、orithm63 Thinking and design of new algorithm based on TOA13 3.1 The new method of thinking13 3.1.1 Newton-Raphson method13 3.1.2 Gauss-Newton method13 3.1.3 Steepest descent method13 3.2 New algorithm design and description17 3.2.1 Algorithm design13 3.2.2 The simulation software of PROTEUS17 3.2.2
5、 PROTEUS platform using simulation system184 Algorithm simulation and result analysis20 4.1 Algorithm simulation process20 4.2 Simulation result analysis205 TOA algorithm prospect22References24Acknowledgments 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
6、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。以迭代法为主不断逼近准确值,达到减小误差的目的。【关键词】 非视距,TOA、迭代、凸松弛NLOS Error Mitigation for TOA-Based Localization via Iterative【Abstract】The location of MS
7、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 transmission of the signal affects the accuracy of the TOA, and the different positioning accuracy of the posi
8、tioning 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 algorithm. This paper also proposes a new algorithm for overcoming the NLOS error in the NLOS environment. Simul
9、ation 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 Arrival,Iterative,Convex Relaxation XXXXXXX学士学位论文1 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,
10、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。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
11、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
12、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,N
13、LOS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MUSIC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
14、不断精确和完善。1.1 无线定位技术的简介1.1.1 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
15、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
16、。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
17、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
18、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)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
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