用於在有各種多路徑延遲的情況下穩健且高效的基於TDOA的位置估計的系統和方法與流程

2024-01-29 09:12:15 1

本發明的實施例涉及確定移動電子設備的位置的領域。

背景技術：

在iot（物聯網）和許多其它位置相關應用中，要求基礎設施能夠估計一個或多個無線對象或目標節點的位置。在典型的位置估計系統中，存在多個參考節點或網關（其位置是已知的）以及一個或多個目標節點或微粒（mote）（其位置是要估計的）。

為了估計目標節點的位置，需要通過由目標節點進行的無線電發射和由參考節點進行的接收或者相反方向來測量表徵目標節點相對於參考節點的位置測定信息的某些度量（諸如距離或角度）。

本文將為了簡單起見而大部分考慮其中目標節點進行無線電發射（其被網關（參考節點）接收到，分組的到達時間（toa）被加時間戳）的情況。然而，必須理解的是本發明還以適當的修改適用於其中多個網關發送同時的分組或者在確定的時間序列中的分組（其被目標節點接收到，該目標節點基於所述分組的toa的知識來確定其自己的位置）的情況。

並且，以下描述對其中在2維平面中確定移動節點的位置的本發明的示例進行描述。雖然很重要，但本申請並非限制性的，並且本發明也包括其中在3維空間中對移動節點進行定位的變體。

如對於本領域技術人員而言已知的，如果所有網關是同步的，但目標節點不是，則可以使用tdoa（到達時間差）方法來計算位置。可以通過gps或其它同步機制來使網關同步。tdoa方法一般地涉及到確定同一分組發射到兩個不同網關的到達時間之間的差，該到達時間之間的差通過已知傳播速度而與從發射節點到兩個網關的距離的差有關。

同樣如對於本領域技術人員而言已知的，多路徑延遲的存在可以對toa和tdoa的測量結果引入嚴重的變化和偏置，這導致位置準確度的嚴重劣化。在室內或室外的實際環境中，最有可能的是某些或所有網關可能遭受一定水平的多路徑傳輸延遲。網關中的某些可能遭受比其它網關更嚴重的多路徑延遲擴展也是相當可能的。類似於其它信道相關現象，到達時間上的多路徑誘發的偏置難以建模和估計。

定位估計系統一般地可以分成兩類，即基於測距和距離無關方法。tdoa基於測距的定位被廣泛地用來實現良好的位置準確度。所有網關被假設為是同步的，無論是通過gps還是其它同步化機制，然而，目標節點不需要被同步到網關。目標節點發射分組，所述分組被網關接收到並加時間戳以便每個接收網關或天線獲得toa值。

如對於本領域技術人員而言已知的，需要來自三個不同接收網關的至少兩個tdoa以便產生目標節點的位置的唯一估計。在某些情況下，可存在兩個可能的估計，並且可能需要來自第四網關的另外的toa以便獲得目標節點的最終估計。當可用網關的數目大於三個時，問題變成超定問題。存在專注於用以處理該問題的不同方法的許多學術研究論文以及專利，包括最大似然算法、最小均方差算法、加權最小均方差算法、最小中值誤差算法等。還存在關於從沒有多路徑延遲的其它網關識別具有多路徑延遲的網關的某些研究。在本發明中提出的系統和方法落入多路徑延遲網關被識別並被去除的情況下的組合「最小中值誤差」和「最小均方差」算法的一般範疇。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種用以實現穩健的位置估計和對多路徑的免疫性的系統和方法。本發明還包括一種用以從位置算法中識別並去除具有最嚴重延遲擴展的網關以實現甚至更好的準確度的方法。

本發明提出了一種用以根據最小中值誤差準則來計算位置估計的新型系統和程序。其還介紹了一種用以針對每個網關計算toa變化的技術和用以識別並去除具有最嚴重多路徑延遲擴展的網關的方案，使得只有沒有或具有較不嚴重的多路徑延遲擴展的網關在位置計算中被用來實現改善的準確度。

本發明還提出了一種用於將toa與rssi（接收信號強度指示）和snr（信噪比）元數據融合以相比於純基於toa方法而言改善位置準確度的有效方案。具體地，通過檢查對應rssi和snr元數據來判斷每個toa測量結果的可靠性。toa測量結果將在對應rssi和snr在某個閾值值以上時被用於tdoa計算。

此外，本發明提出了一種用以緩解來自多路徑延遲擴展的toa中的偏置的新型方法。本發明提出了一種用以補償源自於一個或兩個toa中的偏置的tdoa中的偏置的新型方法。

本發明還提出了一種用以適應性地選擇或組合根據最小中值誤差方法和加權最小均方差方法的位置估計以在各種多路徑信道條件下實現改善的準確度的新型技術。

本發明提出了一種用以利用擴展的最小中值誤差算法且通過有效地識別並去除具有最顯著多路徑延遲擴展的網關、使得只有不具有多路徑或者具有最小多路徑延遲的網關被用於位置估計來實現穩健且準確的位置估計的系統和方法。

附圖說明

●圖1a以示意性的簡化方式圖示出定位過程，多個同步網關通過其接收由移動節點發射的定位分組，並藉助於解算器來確定所述移動節點的位置，所述解算器處理分組以及其它元數據（諸如rssi和snr）在每個網關處的到達時間。

●圖1b為了完整起見而圖示出其中網關向移動節點發射同時的、我們的時間相關的定位分組的補充情況，所述移動節點基於所述分組的toa來確定其自己的位置。

●圖2a和2b用流程圖來表示本發明方法的可能實施方式。

具體實施方式

參考圖1a，我們將假設總共n個網關120a-g接收到由目標節點110發射的定位分組135和針對每個網關處的每次接收的測量結果m，該測量結果m包括信號的到達時間（toa），並且優選地還包括用於接收分組的接收信號強度（rssi）和/或信噪比（snr）的指示。雖然toa是時間的測量結果，但是基於飛行時間乘以已知傳播速度等於飛行距離的事實，我們在這裡在不失一般性的情況下將其視為距離。

假設網關120a-g靠公共的時間參考運行，所述公共的時間參考是通過交換適當的同步化消息140或者通過參考外部時間參考（例如從地理定位衛星接收到的信號）而獲得的。如上所述，提供同步化參考的多個方法在本領域中是已知的，並且本發明包含其中的全部。明確地意圖在於本發明可以基於線性調頻脈衝調製信號的同步測距交換，如以本申請人的名義通過wo2014124785公開的。

包括toa值以及rssi和snr的測量結果m被饋送到解算器單元160，該解算器單元160將其用來確定移動點的位置。解算器單元在本示例中被表示為不同於網關12a-g，但是其也可以是一個或多個網關的部分，而不脫離本發明的範圍。

使用多個天線和多個發射以便通過多樣性來實現改善的準確度是相當常見的。這對於在本發明中提出的具有較嚴重多路徑延遲的網關的識別和去除而言也是重要的。然而，為了進一步簡化表達，以下數學處理僅考慮其中每個網關具有單個接收天線且目標節點僅發射一個分組的情況。可以容易地將其擴展至多天線和多發射的情況。基於此，我們可以如下概述定位任務。

表示具有已知位置的第i個網關，是在網關處測量的分組到達時間。首先，選擇具有最小toa的網關作為參考網關，表示為。

令表示網關與參考網關之間的到達時間差。tdoa是如下從toa測量結果獲得的，

。

優選地，本發明方法的第一步驟是toa濾波和去除，其中，具有其對應rssi和/或snr在確定閾值值以下的toa將被視為不可靠（可能具有更大的誤差）估計，並且將不會被包括為用於tdoa計算。

令為目標節點的位置；我們然後具有以下等式：

。

針對位置估計，的殘餘誤差被定義為：

。

最小均方解是點，其使所有（二次）殘餘誤差項的和或如下面定義的成本函數最小化

。

然而，最小平方解在有離群值樣本的情況下具有不良性能，其對應於其中某些網關具有比其餘網關更嚴重得多的多路徑延遲擴展的情況。

根據本發明的一方面，用擴展最小中值（elm）誤差法的變體來估計移動節點110的位置以改善在有離群值的情況下的穩健性。

具體地，所有tdoa殘餘誤差項將被按照升序排序。不同於尋找使中值點tdoa殘餘誤差最小化的解的常規最小中值法，本方法尋找使從經排序的列表中的第一項至中值點的tdoa殘餘誤差的和最小化的解。

雖然上述方法將使得算法更加穩健且沒有離群值樣本的幹擾，但本發明優選地還包括用以搜索用於elm方法的最佳解的高效方式，如將進一步詳述的。

優選地，本發明還包括用以識別並去除具有最嚴重多路徑延遲的網關的步驟，以進一步改善性能。

位置估計主要是基於從toa對計算的tdoa，優選地在通過檢查對應rssi和snr而將toa從tdoa計算中去除之後，如上所述。

在有利變體中，本發明還包括用以緩解不同網關上的不同多路徑延遲擴展所引入的誤差的步驟。每個tdoa被計算為來自兩個不同網關的一對toa的差。當超過一對toa可用時，例如在多個接收天線或多個分組發射的情況下，將存在關於同一位置處的目標節點產生的一列tdoa。用以處理此多樣性的簡單方法將計算tdoa的整個列表的平均值（或加權平均值），並且將其用作用於位置計算的單個tdoa。

優選地，本發明首先確定被用來計算tdoa的兩個toa中的哪一個具有更大的toa偏差。當存在多個接收天線時，可以計算toa偏差，因為將存在來自單個分組發射的關於同一網關的多個toa。更大的toa偏差最有可能與更大的多路徑延遲擴展有關，因此有更大的偏置。通過知道toa中的哪一個具有更大的偏置，本發明的方法確定對應的tdoa是具有正的還是負的淨偏置。本發明然後按照降序將tdoa的整個列表排序，並且用整個經排序的tdoa列表的一段來獲得被用於位置計算的最終tdoa以實現平均。通過使中心位置移位並改變求平均區段的長度，可以補償或緩解tdoa中的淨正或負多路徑偏置。

本發明還包括用以根據從不同網關遭受的多路徑信道類型而適應性地選擇或組合來自elm和來自典型最小均方差法的結果的步驟。已發現，即使當所有網關都具有相當水平的多路徑延遲時，本發明的算法也比最小平方法顯著更好地工作。

現在將參考圖2a-2b來描述本發明方法的步驟：

圖2a圖示出根據本發明的一方面的用已修改elm算法來確定位置的方法。最初（步驟200），從n個網關的池中選擇3網關集合的組合。具有已知位置的3網關集合允許優選地在去除不可靠toa之後基於足以用於在兩個維度上確定移動節點的位置的其統計偏差來計算兩個獨立的tdoa值（步驟204）。在多天線或多分組發射的情況下，可以獲得兩列tdoa。識別每個tdoa列表中的淨正或負多路徑偏置，並且如前所述地執行用以緩解或補償偏置的操作（步驟208）。此後，產生沒有或具有減小的偏置的兩個tdoa。由此，其為簡單的3網關tdoa位置問題，其中，可以通過如上所述地直接求解兩個雙曲線方程來實現位置估計。一般地，此過程可以提供兩個、一個解或無解（步驟210）。

在3d導航的一般情況下，單獨的三個網關不足以確定位置。本發明的方法通過增加每個所考慮組合中的網關數從而針對每個組合具有可解問題或者通過使用附加信息（例如節點110的位置或測距消息135被發送的時間的部分知識）而仍適用。

如果3網關問題給出兩個解，則可以用多個手段來去除一個網關（步驟220），例如最直截了當的方法是通過檢查用於第四或更多額外網關的tdoa或tdoa殘數，或者通過與先前已知的位置相比較。在某些情況下，toa上的誤差可能如此嚴重，以致於根本不存在有效的解。到目前為止，沒有產生或者產生一個有效的基於3網關的位置估計。

如果存在來自步驟220的有效的3網關解（測試（230）），則算法計算tdoa殘餘誤差的所有組合併將其按照升序排序。

根據經排序的tdoa殘餘誤差列表，本發明計算（步驟240）直到中值點殘餘誤差，其是經排序列表中的第一項（最小殘餘誤差項）到中值點項的和。

並且在步驟240中，本發明的方法計算超中值誤差，其是直到中值點誤差加上經排序列表中的進一步向上的確定數目的項。

並且，在步驟240中，本發明的方法計算平均（所有點）誤差，其是經排序列表中的所有tdoa殘餘誤差的和。此外，該加和可排除具有最重大tdoa殘餘誤差的確定數目的項以排除某些離群值。

此外，直到中值、超中值和平均殘餘誤差加和被除以加和項的對應數目以分別地獲得平均tdoa殘餘誤差。

稍後將需要3網關解和對應的直到中值、超中值和均方差並將它們存儲在候選列表或另一適當的數據結構中（步驟255）。

針對來自池的3個網關的所有可能組合重複步驟200-250（以判定260終止的環路）。這將創建由所有基於3網關的位置估計組成的候選列表。然後，算法基於tdoa殘餘誤差而從候選列表中估計目標節點的位置。在此步驟的可能實現中，該位置可以是具有最小直到中值誤差或者具有最小超中值誤差或者具有最小平均誤差的解。用以判定3個可能解中的哪一個將是elm位置輸出的程序可以是基於針對3個可能解的總體tdoa殘餘誤差的檢查。

圖2b圖示出較高層級的位置確定的過程。最初（步驟310），針對每個網關計算toa變化。toa變化將被用於如在320和330中的多路徑網關的識別和去除。

稍後（步驟290），系統通過使用例如在圖2a中描述的步驟來確定elm解，並且如前所述地基於tdoa殘餘誤差來選擇最佳elm位置估計。

優選地，本發明的方法還包括在elm下的用以確定多路徑延遲是否存在和哪些網關最受到多路徑延遲的影響的步驟（步驟320）。檢測網關中的多路徑的可能方式是將來自每個網關的toa變化與給定閾值相比較。

被識別為具有過分的多路徑延遲擴展的網關被從活動網關列表去除（步驟330），並且再次地估計elm位置（步驟295）。優選地，算法將在活動網關列表中保持至少最小數目的網關（通常是4個）。

本發明的方法還包括基於針對某些閾值值進行的對應rssi和snr的檢查而從tdoa計算去除不可靠的toa。

本發明還包括用以緩解或補償源自於來自不同網關的toa中的不同多路徑延遲擴展的tdoa中的偏置的方法。

優選地，本發明的方法還包括步驟340，其中，通過檢查來自每個網關的toa變化，進行是否要執行最小均方（lms）確定以改善位置準確度的判定。一般地，lms確定可以在跨所有活動網關的toa變化都具有相當的值、即所有網關具有相當的多路徑延遲擴展時導致良好性能。如果340中的判定是是（yes），則在360中使用所有可用網關來執行lms確定。

優選地，在其中網關天線和微粒的高度明顯不同的情況下，基於2d的方法將由於在2d坐標系中使用在3d坐標系中測量的toa而招致位置誤差。如果微粒的高度通過其它設備是已知的，例如氣壓測量，則本發明包括一種用以補償源自於網關和微粒之間的高度差的toa測量結果偏置的方法。

此外，本發明包括一種用以使用已知網關和微粒的高度信息以及所估計的微粒位置來補償toa測量結果中的偏置以在沒有或具有減小的來自高度差的偏置的情況下實現改善的位置估計的遞歸方法。

最終，算法選擇elm解或lms解或者其組合（步驟365）並輸出最終位置。到目前為止，獲得了基於一個或多個分組進行的目標節點位置的單次估計。在目標節點進行更多連續發射的情況下，可以產生目標節點的位置的更多連續單次elm估計。所有這些單次估計可以被饋送到跟蹤算法，例如卡爾曼濾波器370或另一適當算法，以跟蹤目標節點的移動或如果目標節點正保持在靜態的話改善位置準確度。

模擬已顯示系統可以針對遭受各種多路徑延遲擴展的網關實現穩健且高效的位置估計。在所有網關都具有相同或接近水平的延遲擴展的情況下，算法顯示為是穩定的，並產生至少與常規lms方法相同的準確度。系統解決了2d位置估計問題，但是該思想可以被容易地擴展至處理3d位置估計。

本發明中的系統和方法在有跨不同接收網關的大但不均勻的多路徑延遲擴展的情況下輸送比最小均方法好得多的位置準確度。擴展的最小中值算法以低複雜性實現了良好的性能。與唯一嚴重多路徑延遲的網關識別和去除技術、用以去除不可靠toa的toa與rssi和snr的融合方法以及用以緩解和補償tdoa計算中的多路徑偏置的方法組合，整個系統實現了甚至比簡單的最小中值平方和最小均方法更好的性能。