通訊專業課程設計一
太原科技大學
課程設計（**）
設計(**)題目：無nlos環境下的tdoa定位演算法
姓名熊曉倩
學號 201115030127
班級通訊111501
學院電子資訊工程學院
指導教師鄭秀萍
2023年 1 月 2 日
太原科技大學課程設計（**）任務書
學院（直屬系）：電子資訊工程學院時間： 2023年12月17日
無nlos環境下的tdoa定位演算法
摘要 無線定位服務是一種有著廣闊市場前景的移動增值業務，基本原理是利用現有蜂窩網路，通過對各種位置特徵引數，包括到達時間(toa)、到達時間差(tdoa)、到達方向(doa)的測量和估計，來實現移動使用者的定位。本**對無線通訊網路中基於tdoa的無線定位技術進行了研究【1】。
本文分析了國內外相關研究現狀，給出了移動臺定位的幾種基本方法，並給出了tdoa定位的雙曲線數學模型，分析了基於tdoa定位的標準卡爾曼濾波演算法，在標準卡爾曼濾波器的基礎上，又提出了兩種新的定位方法，並對這三種演算法進行了計算機**。**結果表明，在假定雜訊標準差為3m的情況下，這兩種方法效能穩定，與原路徑偏離最小，相對於標準卡爾曼濾波演算法精度更高,相對於以前的演算法在保證收斂效能的前提下有更快的收斂速度。
標準卡爾曼濾波演算法具有良好的跟蹤效能，它可以利用當前的觀測量和以前的觀測資料，根據線性最小方差原理，求出最優估計，卡爾曼濾波器還可估計出ms的移動速度【2】。
關鍵詞：tdoa、標準卡爾曼濾波、測量值丟棄法
目錄摘要 i
第1章緒論 1
1.1 tdoa定位演算法的分類 1
1.2 tdoa定位法的優缺點 1
1.3 本文主要研究工作 1
第2章移動臺定位的基本方法 2
2.1 移動臺定位的兩種方 2
2.1.1基於網路的定位 2
2.1.2基於移動臺的定位 2
2.2 移動臺定位技術 2
2.2.1 基於場強測量的定位方法 2
2.2.2 基於傳播時間測量的定位方法 3
2.2.3 基於到達角度測量的定位方法 4
2.3 影響移動臺定位精度的主要原因 4
第3章tdoa定位演算法分析 6
3.1 tdoa定位的數學模型 6
3.1.1 tdoa的最小二乘(ls)表示 6
3.1.2 tdoa定位雙曲線模型 7
第4章 tdoa定位演算法——標準卡爾曼濾波法 9
4.1標準卡爾曼濾波法簡介 9
4.1.1 標準卡爾曼濾波法的基本原理 9
4.2 整體偏移法基本原理 10
4.3 測量值丟棄法基本原理 10
第5章**分析 12
5.1 **結果 12
5.2 **結果分析 13
第6章結論 14
參考文獻 15
附錄 16
1.1 tdoa定位演算法的分類
tdoa定位演算法有基於cdma流動網路的定位演算法、chan演算法、taylor演算法等。針對cdma流動網路導頻測距訊號，提出了一種基於cdma流動網路的tdoa定位演算法。採用導頻時延差作為定位引數，建立了tdoa定位的數學模型，給出了高斯雜訊條件下的定位解算方法；針對移動通道中非視距傳播時延服從指數分布的特性，採用nlos協方差估計修正方法減小nlos對定位精度的影響【3】。
chan演算法採用二重最小二乘演算法給出了定位方程組的非迭代閉式解,在tdoa測量誤差比較小時,具有最優估計效能,但隨著tdoa測量誤差的增加,該演算法效能迅速下降。taylor演算法是求解非線性方程的有效方法,具有精度高的特點。但是它要求迭代運算的初始值必須接近真值。
在實際中較難選擇到滿足條件的初始點【4】。
1.2 tdoa定位演算法的優缺點
tdoa系統簡單，節省投資。天線為監測天線 ，沒有複雜的測向天線陣，公升級擴充套件方便監測系統僅需增加同步裝置和數字訊號處理裝置，環境相容性好對周圍環境的要求寬鬆，具有一定得抗多徑能力。定位精度高，基線長度不受限制，使用長基線避免天線間互耦影響，使定位精度提高；不存在相位模糊問題，訊號頻寬越寬，時間測量精度越高。
尤其適用於寬頻低功率譜訊號。
1.3 本文主要研究工作
1.對基於tdoa定位演算法進行分析研究，得出其在雜訊加大的條件下，移動臺定位精度降低的原因： 多徑傳播、非視距(nlos)傳播、多址干擾、基站覆蓋。
2.研究目前效能較好且比較成熟的基於tdoa定位演算法的標準卡爾曼濾波演算法，在此基礎上，提出兩種新的定位方法——整體偏移法、測量值丟棄法，並對這兩種方法進行**研究，與標準卡爾曼濾波演算法進行比較，**結果表明：整體偏移法和測量值丟棄法明顯提高了定位精度。
目標移動臺或者多個已知座標位置的固定基站傳送定位訊號，通過對定位訊號的測量，獲得相應定位引數的估計後，利用適當的處理方法來獲得移動臺在空間的位置，這就是移動臺定位技術的基本原理。
根據進行定位估計位置的不同，可以將移動臺的定位方案分為基於網路的定位和基於移動臺的定位。
2.1.1 基於網路的定位
通過移動臺傳來的訊號計算出移動臺位置的定位稱為基於網路的定位，也稱為上行鏈路定位系統。這種定位方案是依據由多個基站同時檢測移動臺發射的訊號，對這些訊號進行精確的到達時間(toa)的測量，並把這些資訊送到乙個定位服務中心進行處理，以得到移動臺的估計位置。基於網路的定位技術包括基於到達時間(toa)定位技術、基於到達時間差(tdoa)定位技術、基於到達角(aoa)的技術等【5】。
2.1.2 基於移動臺的定位
移動臺利用來自基站的訊號計算出自己的位置的定位稱為基於移動臺的定位，也稱為下行鏈路定位系統。，再根據演算法對移動臺自己進行定位估計。基於移動臺定位的系統對每個基站的資料庫進行維護，把諸如基站位置和相鄰頻率的分配表等資訊傳送給移動臺，構成乙個定位系統。
移動臺定位技術包括全球定位系統(gps)、基於到達時間的定位技術(toa)以及起源蜂窩小區(coo)。
2.2 移動臺定位技術
各種無線電定位系統中，都是通過檢測某種訊號的特徵測量值實現對移動臺的定位估計，採用的基本定位方法和技術都是相同或相似的。從幾何角度來看，確定目標在二維平面內的位置可以由兩條或多條曲線相交得到。為方便敘述，本文後面章節將待定位的目標稱為移動臺，將參與定位的蜂窩網路基站稱為基站。
在蜂窩網路中為移動臺提供的地面二維定位服務，通常可供選擇的基本定位方法有以下幾種【6】。
2.2.1基於場強測量的定位方法
基於場強測量的定位方法，首先要測量出網路覆蓋範圍內不同位置上場強的分布，並儲存在資料庫中，定位時只需要將接收機所測量到的場強與資料庫中的資料進行匹配，根據匹配的結果就能確定出移動臺的大致位置。這種定位方法對環境的變化很敏感，而且該方法在多徑衰落通道條件下的定位精度不高。因此，該方法沒有得到廣泛的重視和應用。
2.2.2 基於傳播時間測量的定位方法
電磁波以恆速()傳播，顯然電磁波傳播的距離與傳播的時間成正比。所以我們只需要測量基站與移動臺之間訊號的傳播時間，就可以得到它們之間的距離。如果基站位置己知，就可以得到移動臺的估計位置。
基於傳播時間測量的定位方法包括toa(time of arrival)定位、tdoa(time difference of arrival)位和toa+tdoa定位。
所謂toa定位就是測量出兩個(或多個)基站與移動臺之間的訊號傳播時間，從而得到兩個(或多個)基站到移動臺距離的估計值，以基站為圓心，到移動臺的距離為半徑畫圓，多個圓的交點就是移動臺的估計位置。當出現多個圓不交於同一點時，可以採用一定的方法消除奇異解而得到乙個準確的估計位置。其定位原理如圖2.
1(1)所示，圖中b1、b2、b3代表基站，ms代表移動臺的位置估計，r1、r2、r3分別表示基站b1、b2、b3到移動臺ms的距離估計【7】。
圖2.1 各種定位方法原理圖
tdoa定位法是通過測量電波從移動臺(ms)傳播到兩個基站(bs)的傳播時間差(也可以測量出兩個不同基站訊號到達移動臺的傳播時間差)來確定移動臺的位置的，由該傳播時間差對應的距離差可以得到一條以這兩個基站為焦點的雙曲線。如果能測量到兩組tdoa值，那麼便可以得到兩條雙曲線，這兩支雙曲線的交點即為移動臺的估計位置，其定位原理如圖2.1(2)所示。
toa定位有其侷限性：第一，它要求發射機和接收機之間有精確的時間同步；第二，發射訊號必須用時間標識加以區分，使接收方能辨別出該訊號是何時發出的。這兩點都不太容易實現，尤其是很難保證精確的時間同步。
相比而言，tdoa測量較好地解決了這些問題。它測量兩個基站同時發出的訊號到達乙個移動臺的時間差，因此對時間同步的要求比toa要低，實現起來更容易，而且精度更高。
該定位方法的原理如圖2.1(3)所示。這裡所說的訊號到達角度，從原理上講，既可以是基站訊號到達移動臺的角度，也可以是移動臺訊號到達基站的角度。
但實際上由於接收機通常需要通過天線陣列來測量訊號的到達角度，而天線陣列技術目前還不能整合到手機上，因此通常都是由基站來完成訊號到達角度的測量，從而得到一根從接收機到發射機的徑向連線。當兩個基站均獲得了訊號到達角度測量值後，便可以獲得移動臺的估計位置。
在蜂窩網路中，非視距(nlos)傳播、多徑效應和多址干擾等因素降低了定位精度，如何克服這些因素的影響是無線定位研究的關鍵。
1、多徑傳播。多徑傳播是移動臺定位主要誤差源，各種定位法均會由於多徑傳播引起時間測量誤差。窄帶系統中各多徑分量重疊將造成相關峰位置偏差，寬頻系統能夠在一定程度上實現對各多徑分量分離，據此可以改善定位精度。
但是若反射分量大於直達分量、干擾影響等均會引起精度降低。目前已提出一些抗多徑傳播的有效方法，如高階譜估計、最小均方估計及擴充套件的卡爾曼濾波(ekf)等。
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