[发明专利]一种TDOA条件下最优联合时间同步与定位的定位方法

说明书

本发明提出了一种TDOA条件下最优联合时间同步与定位的定位方法，用于解决现有移动端定位技术中存在的定位精度低的技术问题。实现步骤为：设定系统参数；建立联合时间同步与定位到达时间差TDOA的观测模型；基于联合时间同步与定位到达时间值TDOA的观测模型，建立双约束的移动端位置估计目标函数；求解双约束的移动端位置估计目标函数，得到待估向量y的全局最优解，并从中读出移动端位置向量p的全局最优解。本发明避免了定位误差的传递，获得了定位非凸问题的全局最优解，提高了定位精度，可用于视距场景下依靠多个蜂窝基站对移动端定位估计。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种TDOA条件下最优联合时间同步与定位的定位方法，可用于视距场景下依靠多个蜂窝基站对移动端定位估计。

背景技术

目前定位技术在无线通信、地质勘测、智能交通、抢险救援等方面扮演着举足轻重的角色，研究精确的定位方法具有实际的意义。定位按照是否采用测距方式分为基于测距的定位方法和非基于测距的定位方法两大类。基于测距的定位方法主要使用到达时间差TDOA测距法，到达时间测距法，接收信号强度测距法，以及到达角度测距法实现测距。目前基于TDOA的测距方法都是假设移动端与基站是在精确同步的情况下进行的，但是在实际环境中，往往存在时钟偏差，因此很难做到精确同步，并且这种方法会得到一系列的关于移动端位置的定位方程，这些方程具有高度的非线性和非凸性，很难求解出全局最优解，只能做到局部收敛，从而对定位精度产生严重的影响。例如：授权公告号为CN 102811419 B，名称为“一种基于迭代的最小二乘定位方法”的中国专利，公开了一种基于迭代的最小二乘定位方法，实现步骤为：首先对蜂窝基站数据进行分组；再利用球面相交(SSI)技术进行单次SSI-LS估计，得到中间估计值；利用中间估计值计算残差，得到相应的权值，并归一化加权，得到移动站的位置初始估计值；将初始估计值代入残差Taylor法，通过迭代得到最终位置估计值。虽然该技术能提升抗NLOS能力，能够实现在蜂窝通信系统中可靠的移动站定位，但是由于忽略了中间变量与待估参数的相关性，使得局部收敛，未获得全局最优解，定位精度受到影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种TDOA条件下最优联合时间同步与定位的定位方法，用于解决现有基于测距的定位方法中存在的定位精度低的技术问题。

本发明的技术思路是：针对现有基于测距的定位方法无法获得全局最优解的情况，利用时间观测差值建立联合时间同步与定位的TDOA模型，利用中间变量将非线性模型方程线性化，建立双约束的移动端位置估计目标函数，通过解目标函数，得到非凸定位问题下移动端位置向量的全局最优解。

根据上述技术思路，实现本发明目的采用的技术方案包括如下步骤：

(1)设定系统参数：

参与移动端定位且位置已知的蜂窝基站数量为m，移动端数量为1，基站与移动端均位于n维坐标系；移动端在外部时钟为0时发送信号给m个基站，选定坐标零点处的第1个基站作为参考基站，相对于外部参考时钟的时钟相偏为τ₁，接收到移动端信号的外部参考时钟为T₁，观测噪声为ΔT₁；其余各个蜂窝基站的位置向量为p_i，各个基站相对于外部参考时钟的时钟相偏为τ_i，各个基站接收到移动端信号的外部参考时钟为T_i，观测噪声为ΔT_i；待定位的移动端的位置向量为p，移动端相对于外部参考时钟的时钟相偏为τ，其中，m≥4，i＝2,3…m，p_i∈Rⁿ，p∈Rⁿ，τ₁∈R，τ_i∈R，τ∈R，T₁∈R，T_i∈R，R为实数域，位置向量p的单位为米，时钟相偏τ的单位为秒；

(2)建立联合时间同步与定位到达时间差TDOA的观测模型：