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LOS/NLOS无线定位方法研究

陈璋鑫  
【摘要】: 无线定位技术在现代社会生活中发挥着日益重要的作用,已成为保障国家安全和从事军事活动的必要手段,它的广泛应用将极大地改变人们的生活方式。这一方面推动了定位理论和技术的广泛应用,另一方面由于应用环境的复杂多样性,也给传统定位理论和技术带来了巨大的挑战。 本文针对直达波环境和非直达波环境下的定位方法展开研究,主要工作如下: 1.针对直达波环境下多维标度法(Multidimensional Scaling,MDS)在基于距离测量的定位系统中的应用,首先利用已有的子空间法,给出了经典多维标度法在无线定位中的应用,改正了已有的关于经典MDS方法不适用于无线定位的观点。接下来给出了MDS方法在测距定位应用中的统一框架及其通解,现有的几种方法都是其中的特例。然而,根据高斯-马尔科夫(Gaussian-Markov)定理,该框架下的各种方法都不是最优的,它们的性能还与坐标参考点的选择有关。对此,利用已有的加权MDS方法,得到了统一框架下的加权MDS方法。应用该框架进行分析,结果表明加权MDS方法的性能不受参考点选择的影响,在中等信噪比水平下是最优的。 2.针对直达波环境下的时差定位体制,采用与二步加权最小二乘(Two-stepWeighted Least Squares,TWLS)方法类似的思想,将MDS方法扩展到了时差定位中。与TWLS方法相比,在测量噪声较小时两者性能类似,都接近于CRLB;在测量噪声较大时,MDS方法则具有一定的稳健性。 3.针对传统MDS方法在应用过程中的不稳健因素,用最小绝对值偏差(LeastAbsolute Deviation,LAD)准则构造新的代价函数,并利用半定规划技术求解,得到一种基于LAD准则的MDS方法。将该方法应用于无线传感器网络节点定位,能够获得比经典MDS算法更好的定位性能和稳健性。 4.针对非直达波环境下的无线定位问题,利用散射模型的角扩展特性,给出了一种基于TOA(Time of Arrival)和AOA(angle ofarrival)测量的增强型TOA/AOA定位方法。在同样非直达波误差下,由于利用了角扩展信息,增强型定位方法具有改进混合定位性能的作用。 5.将散射体假设为位置固定的点目标模型,给出了一种利用散射体信息的定位方法。由于利用了散射体信息,随着测量精度的提高,定位误差也相应减少。而传统方法在非直达波环境下,测量精度的提高并不能有效改善定位精度。该方法对散射半径的变化不敏感,同时可分离的多径数目的增加有利于提高该方法的性能。 6.利用多径信号分离及其空间-多普勒频率参数联合测量结果,给出一种在单次散射条件下、基于椭圆约束的直达波AOA重建方法。该方法在恶劣的非直达波传播环境中能以较大概率和较高的精度重建直达波AOA参数。在获得较高精度的直达波AOA参数后,可以利用传统的直达波定位方程求解目标位置参数,有效地提高在非直达波环境下的定位性能。 7.由于均方根距离扩展信息能够反映一定的环境信息,给出了一种基于均方根距离扩展的均衡策略。该方法在所有定位参考点与定位节点之间均为非直达波传播时,能获得比约束最小二乘、残差加权等方法更好的性能。在没有其它关于目标位置的冗余信息,或者更多的参数测量条件下,又给出了一种蜂窝网络定位中,利用邻站测距辅助测角的非直达波定位方法。该方法将非直达波误差较小的主站测距结果作为最终定位的距离信息,而利用邻站测距结果进行角度搜索,获得目标到服务站的方向。该方法在非直达波传播效应严重的环境中,可以获得相对较好的定位性能。 8.利用目标的运动特性和多次测量,给出了一种动态MDS跟踪定位方法。动态MDS方法扩展了传统MDS方法的坐标矩阵和内积矩阵,进而利用子空间法给出目标的位置估计。在直达波环境下,动态MDS方法的跟踪性能与卡尔曼滤波类似,但在非直达波环境下,与传统的MDS方法、TWLS定位方法和卡尔曼滤波方法相比,该方法可以有效地提高定位性能。


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