非视距环境下的GPS_TDOA最速下降混合定位算法

文章编号1005-0388（2002）06-0633-04一种TDOA /AOA 混合定位算法及其性能分析!邓平李莉范平志（西南交通大学移动通信研究所，四川成都610031）摘要在蜂窝移动通信系统中，智能天线阵列的应用使得服务基站（BS ）能提供较准确的移动台（MS ）电波到达角（AOA ）测量值，从而可以用于对移动台的定位估计。

文中对文献［1］的电波到达时间差（TDOA ）定位算法进行了改进，提出了一种既能继承原算法的优良性能，又可充分利用AOA 测量值信息提高定位性能的TDOA /AOA 混合定位算法，该算法还具有解析表达式解。

仿真结果表明，只要AOA 测量值达到一定精度，该算法就能取得比文献［1］的单纯TDOA 定位算法更好的性能。

关键词到达时间差，到达角，移动台，加权最小二乘算法中图分类号TN929.53文献标识码AA hybrid TDOA /AOA location algorithm andits performance analysisDENG PingLI LiFAN Ping-zhi（Institute of Mobile Communication ，Southwest Jiaotong Uniuersity ，Chengdu Sichuan 610031，China ）Abstract In ceiiuiar mobiie communication systems ，due to the appiication of smart array an-tenna ，it is possibie for serving base station （BS ）to deiiver accurate angie of arrivai （AOA ）measurement of mobiie station （MS ）radio wave.In this paper ，a time difference of arrivai （TDOA ）iocation aigorithm in reference ［1］is extended to a TDOA /AOA hybrid iocation aigo-rithm which can not oniy inherit the good performance of the originai aigorithm ，but aiso im-prove the iocation accuracy by making fuii use of the AOA measurement.The new aigorithm ai-so has a ciosed-form soiution which has been derived in this paper.Simuiation shows that ，if a reasonabie precision of the AOA measurement is achieved ，much better iocation performance can be obtained ，compared with the singie TDOA iocation aigorithm in reference ［1］.Key wordsTDOA ，AOA ，MS ，WLS aigorithm1引言在蜂窝网络中提供对移动台（MS ）的定位服务即将成为各种蜂窝网络必须具备的基本功能［2］。

时间到达差算法
时间到达差算法（TDOA）是一种通过比较信号到达时间差来计算距离的方法。

该算法的基本原理是利用多个信号源同时发送信号，通过测量不同信号源信号到达时间差，结合已知信号传播速度，计算出目标点的位置。

TDOA算法具有较高的定位精度和抗干扰能力，因此在许多领域都有广泛的应用，如无线通信、声呐、地震学和卫星导航等。

在无线通信领域中，TDOA算法常用于移动终端定位、无线传感器网络定位和室内定位等场景。

TDOA算法的实现需要精确的时间同步，因为不同信号源信号到达时间差的测量精度直接影响到最终定位精度。

同时，TDOA算法还需要根据实际情况选择合适的信号源数量和分布方式，以及优化算法参数等。

总的来说，时间到达差算法是一种可靠的定位技术，具有广泛的应用前景和重要的研究价值。

如需更多信息，建议阅读TDOA算法相关论文或科普类文章。

室内定位几种算法概述一.室内定位目的和意义随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。

但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好地利用。

因此，专家学者提出了许多室内定位技术解决方案，如A-GPS定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技术、超宽带技术、无线局域网络、光跟踪定位技术，以及图像分析、信标定位、计算机视觉定位技术等等。

这些室内定位技术从总体上可归纳为几类，即GNSS技术(如伪卫星等)，无线定位技术(无线通信信号、射频无线标签、超声波、光跟踪、无线传感器定位技术等)，其它定位技术(计算机视觉、航位推算等)，以及GNSS和无线定位组合的定位技术(A-GPS或A-GNSS)。

由于在室内环境下对于不同的建筑物而言，室内布置，材料结构，建筑物尺度的不同导致了信号的路径损耗很大，与此同时，建筑物的内在结构会引起信号的反射，绕射，折射和散射，形成多径现象，使得接收信号的幅度，相位和到达时间发生变化，造成信号的损失，定位的难度大。

虽然室内定位是定位技术的一种，和室外的无线定位技术相比有一定的共性，但是室内环境的复杂性和对定位精度和安全性的特殊要求，使得室内无线定位技术有着不同于普通定位系统的鲜明特点，而且这些特点是户外定位技术所不具备的。

因此，两者区域的标识和划分标准是不同的。

基于室内定位的诸多特点，室内定位技术和定位算法已成为各国科技工作者研究的热点。

如何提高定位精度仍将是今后研究的重点。

二. 室内定位技术的国内外发展趋势室内GPS定位技术GPS是目前应用最为广泛的定位技术。

当GPS接收机在室内工作时，由于信号受建筑物的影响而大大衰减，定位精度也很低，要想达到室外一样直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息是不可能的。

Technology Study技术研究DCW5数字通信世界2020.070 引言无线定位技术一直是通信领域的一个研究重点，常见的定位技术有TOA 、TDOA 、AOA 以及基于智能天线阵列的定位技术等。

其中，TDOA 定位技术以定位精度高、系统复杂度低等优点在很多监测系统中被采用。

TDOA 定位的核心算法之一就是计算时间差，常用的计算时间差的方法多以硬件为主，利用高精度的GPS 时钟模块对同步采样的数据进行互相关计算[1]。

该方案硬件成本高，定位结果容易受到GPS 信号的强弱以及晶振的稳定性等影响。

所以，本文研究了基于参考信号计算时间差的算法，采用该方式的定位可有效降低硬件设计的成本与难度。

1 TDOA 定位模型1.1 双曲线模型TDOA 定位方法中参与定位的设备至少需要3台，本文设计的实验中使用了3台设备进行定位。

TDOA 定位的双曲线模型[2]如图1所示，记待定位的发射源为D ，对应坐标为（X D ，Y D ）。

记参与定位的三台设备为C 1，C 2，C 3，对应的坐标分别为（X C1，X C1），（X C2，X C2），（X C3，X C3）。

记D 到C 1、C 2与C 3的距离分别d D1、d D2、d D3。

由两点距离公式可得式（1）、（2）、（3）。

d D1= （X D -X C1）2+（Y D -Y C1）2（1）d D2=（X D -X C2）2+（Y D -Y C2）2 （2）d D3=（X D -X C3）2+（Y D -Y C3）2 （3）记D 与C 1、C 2的距离差为D 12，D 与C 1、C 3的距离差为D 13，D 与C 2、C 3的距离差为D 23。

根据双曲线定义，可以得到一条以C 1、C 2为焦点，以D 12为焦距的双曲线，如图1中虚线所示。

同理可以得到以C 1与C 3、C 2与C 3为焦点的双曲线，分别如图1中点划线与实线所示。

通过确定多条双曲线的交点，便可确定D点的坐标。

GPS定位系统在进行室内定位时存在固有的定位精度问题，所以必须通过其他定位技术解决室内定位问题，如红外线、802．1l、超声波和RFID等等，这些系统各有优缺点。

其中RFID技术由于其非接触和非视距等优点已成为优选的定位技术，RFID系统可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，其传输范围很大，成本较低，因此备受关注。

RFID定位与跟踪系统主要利用电子标签对物体的唯一标识特性，依据读写器与安装在物体上的标签之间射频通信的信号强度(RSSI)或信号到达时间差(TDOA)来测量物品的空间位置，主要应用于GPS系统难以奏效的室内定位领域。

1．基于测距的RFID定位算法1．1 TOA1)原理: 通过获得发射机发射的信号到达目标再返回发射机的时间,由传播时间得出标签到阅读器的距离。

然后根据三边定位法或多边定位法解出目标标签的位置。

2)优点：定位精度高。

缺点：该算法要求标签和阅读器要同步,其次环境的复杂性会导致多径效应并降低系统的定位精度。

TOA定位算法是基于TOA圆周方程，通过圆与圆之间交线的不同组合，构造出不同的定位方程[1]。

从几何模型上分析，如果移动台s到基站i的信号在视距情况下传播，测得的距离为Di，移动台一定位于以基站i为圆心，Di为半径的圆周上，当有3个基站坐标时，TOA的测量方程为：，（1）i=1,2,3 。

式中，（xi，yi）为第i个基站的坐标，（xs，ys）为移动台s的坐标。

其几何图形如图1所示。

由（1）式得， ()()22111D x xs y ys =-+- （2） ()()22222D x xs y ys =-+- （3） ()()22333D x xs y ys =-+- （4） 由（2）-（3）可得相交线方程为，()()()()212112*22*21*11*11*12*22x x xs y y ys x x y y x x y y D D D D -+-=+-++-⎡⎤⎣⎦ (5) 同理，基站2基站3两圆交点的相交线方程为：()()()()323213*33*32*22*22*23*32x x xs y y ysx x y y x x y y D D D D -+-=+-++-⎡⎤⎣⎦ （6） 虽然可以用相同的方法得到基站1和基站3的相交线方程，但由于第3条交线同样会经过前2条交线的相同点，因此，只需求得3条交线其中2条的方程，便可联立解出交点坐标。

一种在NLOS环境下应用于NB-IoT系统的组合定位算法崔理伟;林基明;符杰林;刘锦玲【摘要】传统非视距(NLOS)误差下无线定位的TDOA算法通常是减弱NLOS误差影响或直接提取LOS测量值,对于窄带物联网(NB-IoT)需要解决LOS与NLOS 传输并存下的定位精度问题.文中采用最小二乘法对NLOS和LOS传播进行鉴别,然后对NLOS下的TDOA值进行优化处理.在此前提下,提出一种组合定位的算法,采用Taylor级数展开法计算LOS传输情况,用CHAN算法计算NLOS传输情况,再通过组合定位得到定位结果.仿真结果表明,改进后算法在NLOS的信道环境下的定位性能明显提高.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2019(042)011【总页数】6页(P1-6)【关键词】OTDOA;TDOA误差鉴别;NLOS误差优化;Taylor级数展开法;CHAN 算法;组合定位【作者】崔理伟;林基明;符杰林;刘锦玲【作者单位】桂林电子科技大学广西无线宽带通信与信号处理重点实验室,广西桂林 541004;桂林电子科技大学广西无线宽带通信与信号处理重点实验室,广西桂林541004;梧州学院,广西梧州 543002;桂林电子科技大学广西无线宽带通信与信号处理重点实验室,广西桂林 541004;桂林电子科技大学广西无线宽带通信与信号处理重点实验室,广西桂林 541004【正文语种】中文【中图分类】TN921-340 引言随着移动物联网的发展与应用，“万物互联”将成为未来物联网的必然趋势，特别是低功耗广域网络（Low Power Wide Area Network，LPWAN）是专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计，必然成为未来5G 部署的重要分支[1]。

对于这种情况，华为、高通联合提出NB-CIoT 技术，而爱立信、中兴、诺基亚等厂商联合提出NB-LTE 技术，最终经过激烈地竞争和讨论，融合形成了NB-IoT 技术。

超宽带UWB定位的三种常用定位算法，包括TDOA定位算法、TOF定位算法、TOA定位算法。

（一）TOF定位算法基于TOF的定位方法与基于TOA的定位方法在本质上是相同的，而TOF测距不依赖基站与标签的时间同步，故没有时钟同步偏差带来的误差，但TOF测距方法的时间取决于时钟精度，时钟偏移会带来误差。

为了减少时钟偏移量造成的测距误差，通常采用正反两个方向的测量方法，即远端基站发送测距信息，标签接收测距信息并回复，然后再由标签发起测距信息，远端基站回复，通过求取飞行时间平均值，减少两者之间的时间偏移，从而提高测距精度。

（二）TDOA定位算法基于TDOA的定位方法又称为双曲线定位，其原理是通过测量UWB信号从UWB标签到两个UWB基站之间传播时间的差值，得到UWB标签到两个UWB基站之间的固定距离差。

TDOA算法是对TOA算法的改进，它并不是直接利用信号到达时间，而是利用多个UWB基站接收到信号的时间差来确定移动目标的位置。

因此与TOA相比并不需要加入专门的时间戳来进行时钟同步，定位精度相对有所提高。

（三）TOA定位算法TOA定位算法即“到达时间”，这种方式定位是通过UWB基站和UWB标签之间的多次通信实现的，实际应用中为了更加靠谱，往往不仅仅是利用两次通信来测距，还会有更加复杂的多次通信来提高精度。

对于空间定位，只需要利用SX（球面相交法）便可以得出最后的坐标。

可见，为了一次定位，每个UWB基站和UWB标签之间要进行两次通信，故又将这种定位方式称为“Two-way-ranging”，简称“TWR”。

这种定位的优势在于其实现的便捷性和对硬件的宽容，只需要有几个摆放在不同位置的UWB基站和一个UWB标签便可进行定位，缺点首先自然是定位速度了，其次，由于每次通信的质量无法保证，而一对UWB基站/UWB标签又无法做自我的校准，精度自然也会受到影响。

TDOA即“到达时间差”，这种方式的一次测距是由两个UWB基站和一个UWB标签实现的。

基于TDOA室内定位算法的研究2500字在通信领域中，定位是一个值得研究的方向，其中室内定位是一个新的热门研究方向。

在室内定位中，我们要考虑到各种误差对定位精度的影响，同时还要考虑到为了尽可能地减小误差对定位性能的影响使用的定位算法的复杂度。

定位最想要的结果就是用合适的复杂度尽可能小的定位算法得到定位精度尽可能高的定位结果。

在本文中，我们讨论TDOA的定位方法，同时研究基于TDOA的WLS算法、Chan算法和Taylor算法。

毕业室内定位；定位算法；TDOA；Chan算法；Taylor算法在室内定位领域中，室内定位算法是极为重要的，它关系到定位性能的优劣。

在研究室内定位时，对于误差，我们主要考虑系统误差和非视距（NLOS）误差，系统误差是由定位系统本身造成的，而非视距误差是由障碍物的遮挡造成的。

在进行各种定位算法时，需要克服这两种误差。

各种算法都有优缺点，不同的环境算法的选择不同，各种算法适用于不同的环境。

在室内定位的研究中，基于TDOA定位算法的种类更多一些，本文深入介绍有关TDOA 定位的一些定位算法。

1、TDOA定位在室内定位的过程中，我们利用几个基站BS得到MS的坐标估计值，最常见的方法就是直接测出BS到MS之间的时间，而后得出BS到MS之间的距离量，这就是我们通常所说的TOA定位，但此法需要各个BS和MS之间在时间上必须保持同步，不能有偏差，这就给定位带来一定的麻烦。

为了解决这一问题，提出利用距离差进行定位，这就是TDOA定位，TDOA定位只要保证各个基站保持时间同步就可以进行。

2、基于TDOA定位算法利用TDOA定位的算法有很多，下面我们介绍几种基于TDOA的定位算法。

2.1 WLS算法WLS定位算法是由LS法演进得来的，在室内定位的算法中，LS法是用得最为广泛的定位算法，LS算法不涉及到权重的问题。

但在实际应用中，WLS算法比LS算法用得更为广泛，由于WLS算法的定位精度要高于LS算法，故在很多算法中用到WLS算法。