专利名称：基于线性组合的凸优化测距定位方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线定位技术领域的一种基于线性组合的凸优化测距定位方法。本发明可以对基于测距信息的未知节点实现高精度和快速的位置坐标计算，方法中的线性组合策略使得原本非凸的优化问题转化为可以快速求解的凸优化问题，由于方法同时提升了定位的精度与计算效率，可广泛应用各种基于测距定位的应用场合。
背景技术：
基于无线测距的定位技术在民用、工业、航空航天等领域有广泛而重要的应用价值，是各种基于位置的服务与应用的基础。测距定位的主要思想是根据一些坐标已知的物理基准点，以及待定位点到这些物理基准点之间的距离测量值，根据几何关系建立约束方程组从而求得待定位点的坐标。距离测量有很多种方法，如信号的传播时间、信号强度以及信号到达方向角等。在实际应用中，由于信号在产生、传输及接收的各个环节均存在不同程度的噪声干扰，使得待定位点与物理基准点之间的信号传输具有一定的不确定性而引入测量误差。为克服噪声干扰的问题，通常选取较多的物理基准点以获得更多距离测量信息，期望通过更多的测量信息得到对待定位点坐标的更准确估计。高通股份有限公司所提出的专利申请“用于确定GPS地面混合定位系统代数解的方法和装置”(申请号:00818807.6，公开号:100343690C)中，公开了一种利用待定位点的高度辅助信息、地面测量等附加约束得到待定位点的坐标估计，虽然该方法在一定程度上避免了迭代算法的对定位点坐标计算时不收敛和奇异性的情况，但该方法仍然存在的不足是，对附加信息的要求较高，当附加约束的测量可靠性不高时对定位结果的影响较大。伊纳维斯公司所提出的专利申请“定位方法和装置”(申请号:01806202.4，公开号:100442078C)中，公开了一种根据测距信息利用三角测量关系进行定位方程的解算的方法。该方法虽然计算简单，可以得到定位点的解析解，利用信号处理的相关算法减小了测距噪声，但该方法仍然存在的不足是，不能达到对测距噪声的完全抑制，距离测距噪声对其定位结果的影响比较敏感，并且忽略了各种测距信息之间噪声的相异性，造成定位精度大幅下降。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有的技术的不足，提出了一种基于线性组合的凸优化算法，实现高精度和高效率的定位技术。实现本发明的基本思想是，通过构造虚拟基准点，并将待定位点表示为虚拟基准点的线性组合。利用该线性组合系数，可以把待定位点与物理基准点之间的距离转化为虚拟基准点与物理基准点之间的距离的线性组合，利用线性组合系数和虚拟基准点坐标计算得到待定位点坐标。由于虚拟基准点生成不存在噪声，故而其与物理基准点之间的距离是精确的。基于上述虚拟基准点的构造与线性组合策略，使得测距定位问题转化为求解虚拟基准点的线性组合系数。本发明的具体实施步骤如下:(I)初始化参数:用户根据经验和实际测距通信环境，设置定位系统的虚拟基准点个数、距离置信参数、测距噪声水平三个初始化参数；⑵测距:定位系统的测距通信装置测量待定位点到物理基准点之间的距离，根据测距信息统计物理基准点个数；
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(3)判断是否满足定位要求:判断物理基准点个数是否大于等于k+Ι，其中k为物理基准点的坐标维数，如果是，则执行步骤(4)，否则，结束定位；(4)筛选物理基准点:对通信物理基准点进行筛�。玫轿锢砘嫉慵希�(5)计算可行域:利用物理基准点坐标、物理基准点与待定位点对应的测量距离，计算待定位点的可行域；(6)生成虚拟基准点:6a)在可行域内采用精确坐标生成方法，生成候选虚拟基准点集合；6b)对候选虚拟基准点集合进行筛�。玫叫槟饣嫉慵希�(7)构建距离矩阵:7a)按照下式计算各个虚拟基准点到各个物理基准点的距离:Dij = I I B1-Vj I 12其中，Dij表示第i个物理基准点到第j个虚拟基准点之间的距离，Bi表示第i个物理基准点对应的坐标值，Vj表示第j个虚拟基准点对应的坐标值，11.112表示计算物理基准点与虚拟基准点坐标之间的距离；7b)将所有距离元素Dij排列在距离矩阵D的第i行第j列，获得NXM维的距离矩阵D,其中，N表示筛选得到的物理基准点个数,M表示筛选得到的虚拟基准点个数；(8)按照下式求解最优组合系数:
权利要求
1.一种基于线性组合的凸优化测距定位方法，包括如下步骤: (1)初始化参数: 用户根据经验和实际测距通信环境，设置定位系统的虚拟基准点个数、距离置信参数、测距噪声水平三个初始化参数； (2)测距: 定位系统的测距通信装置测量待定位点到物理基准点之间的距离，根据测距信息统计物理基准点个数； (3)判断是否满足定位要求: 判断物理基准点个数是否大于等于k+Ι，其中k为物理基准点的坐标维数，如果是，则执行步骤(4)，否则，结束定位； (4)筛选物理基准点: 对通信物理基准点进行筛�。玫轿锢砘嫉慵希� (5)计算可行域: 利用物理基准点坐标、物理基准点与待定位点对应的测量距离，计算待定位点的可行域； (6)生成虚拟基准点: 6a)在可行域内采用精确坐标生成方法，生成候选虚拟基准点集合； 6b)对候选虚拟基准点集合进行筛选,得到虚拟基准点集合； (7)构建距离矩阵: 7a)按照下式计算各个虚拟基准点到各个物理基准点的距离: DiJ = I I B1-Vj I I 2 其中，Dij表示第i个物理基准点到第j个虚拟基准点之间的距离，Bi表示第i个物理基准点对应的坐标值，Vj表示第j个虚拟基准点对应的坐标值，11.112表示计算物理基准点与虚拟基准点坐标之间的距离； 7b)将所有距离元素Du排列在距离矩阵D的第i行第j列，获得NXM维的距离矩阵D,其中，N表示筛选得到的物理基准点个数,M表示筛选得到的虚拟基准点个数； (8)按照下式求解最优组合系数:
2.根据权利要求1所述的基于线性组合的凸优化测距定位方法，其特征在于，步骤(I)中所述的虚拟基准点个数在二维定位中取为4 20,距离置信参数的范围为I 5,测距噪声水平O 0.2。
3.根据权利要求1所述的基于线性组合的凸优化测距定位方法，其特征在于，步骤(2)中所述的物理基准点表示坐标已知的卫星和通信基站。
4.根据权利要求1所述的基于线性组合的凸优化测距定位方法，其特征在于，步骤(4)中所述的筛选是指，从所有的通信物理基准点集合中选取(k+Ι) L个与待定位点距离较近的物理基准点，得到物理基准点集合，其中k为物理基准点的坐标维数，L为所有通信物理基准点的个数。
5.据权利要求1所述的基于线性组合的凸优化测距定位方法，其特征在于，步骤(4)中所述的坐标维数k表示大于等于2的有限整数，当k = 2，3时分别应于二维平面和三维空间。
6.据权利要求1所述的基于线性组合的凸优化测距定位方法，其特征在于，步骤(5)中所述的待定位点的可行域计算方法是，以每一个物理基准点坐标为圆心，以φ(1±α β)为半径，生成N个圆环，各个圆环的交集即为虚拟基准点的可行域，其中，屯表示待定位点与第i个物理基准点的测量距离，α表示初始化的距离置信参数，β是初始化的测距噪声，N表示筛选得到的物理基准点集合的个数。
7.根据权利要求1所述的基于线性组合的凸优化测距定位方法，其特征在于，步骤6a)中所述的精确坐标生成方法是指，在可行域的限制范围内，用伪随机数产生坐标。
8.根据权利要求1所述的基于线性组合的凸优化测距定位方法，其特征在于，步骤6a)中所述的精确坐标生成方法是指，在可行域的限制范围内，用非随机数产生坐标。
9.根据权利要求1所述的基于线性组合的凸优化测距定位方法，其特征在于，步骤6b)中所述虚拟基准点的筛选方法是指，在候选虚拟基准点集合中选取其凸包。
10.根据权利要求1所述的基于线性组合的凸优化测距定位方法，其特征在于，步骤6b)中所述对虚拟基准点的筛选是指，在候选虚拟基准点集合中随机选取其任意子集合作为虚拟基准点集合。
全文摘要
本发明公开了一种基于线性组合的凸优化测距定位方法，主要解决了现有技术中在距离测量存在误差情况下定位精度与定位效率低的问题。本发明的具体步骤是1.初始化参数；2.测量待定位节点与物理基准点的距离；3.估计待定位点的可行域；4.在可行域内生成虚拟基准点集，并计算距离矩阵；5.使用加权最小二乘方法求解定位优化问题，得到待定位点在虚拟基准点集上的线性组合系数；6.根据组合系数与虚拟基准点坐标值得到待定位点坐标。本发明不需要其他测量信息，仅根据距离测量结果可以同时达到较高定位精度和定位效率。
文档编号G01S5/14GK103149551SQ20131005425
公开日2013年6月12日 申请日期2013年1月31日 优先权日2013年1月31日
发明者齐飞, 王昶, 石光明, 任京波, 林杰, 李甫 申请人:西安电子科技大学
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