无线定位中的非视距识别问题研究

作     者：韩双雪 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙大洋

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：无线定位 非视距(NLOS)误差 VHDRNLOS 非视距识别 

摘      要：随着科技发展的进步,定位技术在智能导航、虚拟现实、目标追踪等多领域有着广泛的应用,这无疑对无线定位技术的高准确性,高实时性提出更高的要求。然而,由于室内空间结构和实体构成复杂且室内环境中常存在障碍物的阻碍,当接收基站与发射机站之间的直线路径被建筑物或者障碍物遮挡后,信号只能通过衍射、反射或者折射才能被接收端接收,这就导致发射端和接收端的直达路径被影响,产生非视距(NLOS,Non-Line-of-Sight)传播问题。该过程导致测距误差增大,从而严重影响定位精度。因此,研究同时适用于视距(LOS,Line-of-Sight)和非视距环境下的高性能目标定位方法具有十分重要的意义。本文以“当多边定位中存在的非视距误差时,如何来识别非视距误差以及消除非视距误差给定位精度带来的影响为科学问题,以“固定锚点的虚拟高维坐标为驱动,对无线定位中的非视距识别技术进行阐述与研究,具体研究内容如下:对传统非视距定位模型进行了阐述,基于此,虚拟高维非视距识别模型(VHDR,Virtual High-dimensional NLOS Recognition Model)应运而生。该模型扩展了传统N维空间下的固定锚点坐标到N+1维空间下,并将N+1维坐标的值作为非视距误差的度量。这种方法使得模型可以识别非视距信号,并实现精准的定位。与传统模型不同的是,该模型不需要额外的测量设备,只需要锚点的测量信息即可实现非视距的识别和定位精度的提高。这使得该模型突破了传统模型的模型壁垒,并在非视距定位领域得到了广泛的应用和发展。针对虚拟高维非视距识别模型,本文分别采用Taylor迭代算法以及约束非线性方程算法来实现非视距的识别以及定位精度优化。虚拟高维非视距识别的Taylor迭代算法(VHDR-Taylor,Taylor algorithm based on Virtual High-dimensional NLOS Recognition Model),在Taylor级数展开的基础上,利用初始迭代值进行估计,然后根据上一次迭代所得位置估计该次迭代误差的局部最小二乘解,并根据递归条件门限对目标节点的位置进行更新,算法的递归条件门限以最小二乘方法求解出的位置偏差为基准来不断修正待定位目标节点位置的估计,达到门限后终止迭代;单一非视距识别实验以及多个非视距识别实验的对比仿真实验以及其分析表明:VHDR-Taylor方法在单一非视距与多个非视距的仿真实验中可实现非视距的识别以及定位精度优化,在两种定位场景下定位精度均至少提高7cm。对于虚拟高维非视距识别模型的约束非线性方程方法(VHDR-Non Es Cs,Nonlinear Equations with Constraints algorithm based on Virtual High-dimensional NLOS Recognition Model),以非线性方程作为优化问题,在线性和非线性条件的双重约束下,采用极值优化加全局优化的方式进行模型求解,直至求出最优解;通过将VHDR-Non Es Cs方法分别于单一非视距以及多个非视距仿真环境下进行不同定位场景下与其他算法的对比实验,可以得出结论:无论是在单一非视距还在多个非视距的仿真环境下,VHDR-Non Es Cs方法与多边定位算法相比,定位误差的提升均大于8cm。VHDR-Non Es Cs方法与SR-WLS和Chan算法相比,在单一非视距和多个非视距仿真环境下的定位误差的提升均大于10cm;最后,对两个求解虚拟高维非视距识别模型的方法进行定位精度以及性能进行仿真分析,可以得到如下结论:VHDR-Non Es Cs方法有着更好的鲁棒性以及稳定性;而Taylor算法在足够多锚点的情况下有着更好的精度,两者的定位精度对比以往算法均有质的提升。