[发明专利]一种环境自适应的多目标直接定位方法

说明书

技术领域

本发明属于无线定位技术领域，特别涉及一种利用无线通信设施进行无线定位的方法。

背景技术

无线定位技术在搜索救援、智能交通、物流管理、地质勘探和国土开发、航海/航空导航等诸多领域都有广泛应用。如今在军事行动和日常生活的各个领域，具有空间位置特性的地理信息发挥着越来越重要的作用，高精度的无线定位技术也越来越受到广泛关注。

在众多无线定位系统中，最著名的是把无线电发射源设置在各种轨道卫星上的定位系统，例如美国的全球定位系统（GPS）、欧洲的伽利略（Galileo）系统、俄罗斯的GLONASS系统以及我国的“北斗”定位系统等，凭借着广域覆盖的巨大优势，将无线电定位技术发展到一个新的高度。尽管卫星定位技术已经在国民经济各个方面得到广泛应用，但是在应用领域由于受到各种接收误差的影响，需要通过其它辅助手段（例如建立差分基准站）才能达到所需的定位精度要求；同时在接收信号受到物理遮挡的情况下常常无法完成导航任务。因此，利用现有和即将建设的庞大的民用无线通信设施进行无线定位，不仅可以弥补卫星定位系统的不足，而且可以作为无线通信高附加值的服务。尤其是在美国联邦通信委员会颁布了E911（Emergency call 911）强制性定位要求后，加上巨大市场利润的驱动，国内外出现了研究移动通信系统终端定位技术的热潮。

受卫星定位系统的影响，当前利用民用通信设施的定位方法绝大多数采用两步定位模式（如图2所示），即首先估计接收信号的一个或多个特征参数（如信号强度（RSS）、信号到达时间（TOA）、信号到达时间差（TDOA）和信号到达角度（AOA）等），再根据这些参数估计出移动终端的位置。此类定位模式的定位精度取决于第一步参数估计的精度和第二步位置解算算法的性能。在两步定位模式下，众多研究一直试图从提高参数估计精度和增强定位算法性能两个角度提出改进方案，以达到改善最终定位性能的目的。但不同于卫星定位系统，无线通信网络不是专门为定位设计的系统，其特征参数测量和估计是在完成通信功能的同时进行的，而且在信号格式上一般也没有为定位目的专门设计的定位信息域，难以保证特征参数测量精度，其误差不仅影响定位参数的估计精度，而且会传递到第二步位置解算阶段，引起更大误差。尽管已有大量关于参数估计的论文发表，但因为实际环境的复杂性和随机性，目前还没有在所有环境下都能进行高精度参数估计的一般方法。而且涉及到多目标定位时，存在着数据关联难题。

直接定位方法（Direct Position Determination，DPD）是无线定位领域近几年发展起来的一种定位新模式（如图3所示），该方法突破了传统两步定位方法的局限，将特征参数检测和定位融为一体，直接利用信号波形进行定位，无需专门的参数估计过程。目前最著名的直接定位方法是Weiss等人提出的格点搜索直接定位方法，可称为GDPD方法（Weiss, A. J. and A. Amar, “Direct position determination of multiple radio signals,” EURASIP Journal on Applied Signal Processing, vol.2005, no.1, 37-49, 2005.）。该方法依据最小二乘原则建立目标函数，通过求解该函数的最小值即可得到移动终端的位置估计。由于这是一个多维优化问题，直接求解计算复杂度很高。为了方便计算，Weiss等人将定位区域划分成若干个格点，将每个格点作为移动终端可能的潜在位置，分别计算每个格点的目标函数值，其极值所对应位置即为所求位置。由于这种直接定位方法不像两步定位方法可以利用清晰的几何关系，其计算量要远高于传统两步定位方法，尤其不适用于实时性要求较高的场合。而且该方法需要预先已知目标个数，这在实际中往往较难得到。

近年来，压缩感知理论成为信号处理领域的研究热点，其独特的思想也开始在无线定位领域中得到应用。但现有基于压缩感知的定位工作绝大部分针对两步定位模式，目前仅专利申请书（申请号为CN2011104003679）中提出利用格点处信号构成冗余字典，实现稀疏基的直接定位，可称为SDPD方法。但该方法忽略了实际信道时变特性的影响，因此在实际环境中该方法的定位精度会有显著下降。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，利用两步字典学习技术，提出一种环境自适应的多目标直接定位方法，不仅从根本上解决时变因素对直接定位方法的影响，而且能够根据环境的动态改变自适应地做出调整，达到提高DPD定位精度，促进直接定位模式的实用化的目的。