基于单次/二次散射路径识别的NLOS环境定位技术研究

摘要

随着无线定位技术的快速发展，人们对定位精确性的要求也越来越高。目前为止，许多研究在视距(LOS, Line-of-Sight)环境下能达到理想的定位精度，但是要在非视距(NLOS, Non-Line-of-Sight)环境下对移动目标实现高精度定位，仍面临着诸多困难。为此，本文将针对如何抑制信号的NLOS传播问题来进行研究，探讨如何利用散射体信息来提高移动台的定位精度。本文的研究主要涉及了其中的单次与二次散射路径检测和识别问题，探索在NLOS环境下如何先对当前散射路径进行检测，然后再利用散射体相关信息来获取更高的定位精度。本文开展的主要工作如下：　　首先，阅读了大量在NLOS环境下利用散射体信息进行定位的相关文献，并对这些文献进行了归纳和总结。在对文献的分析中发现，目前有关NLOS环境下定位的研究，都只考虑了信号经过单次散射后被接收的情况，而直接忽略了二次及以上散射路径。为此，文中对几种NLOS传播模型和对现有的基于统计检测的LOS/NLOS识别算法进行了分析讨论，为后续对单次与二次散射路径进行检测和识别做好准备。文中首先介绍了几种常见的定位技术和定位算法，然后对统计检测理论和有关的性能评价标准也进行了说明，对两种经典的散射模型进行了介绍和仿真，随后分析了两种经典定位算法在不同散射模型下的定位性能。　　其次，针对目前缺少二次散射模型因而难以对二次散射的参数进行统计的问题，基于两种经典散射模型的组合建立了三种二次散射模型。在对散射模型的特征进行分析的基础上，对它们的非视距概率密度函数进行了理论推导然后研究了它们的概率密度分布、均值和均方差等统计特性，并对影响非视距误差分布的两个关键因素进行了研究。随后对高斯化滤波的相关方法进行了研究和仿真，为后续使用信号检测算法做好准备。最后在单次和二次散射模型生成的NLOS环境下对定位性能进行了仿真分析。仿真结果表明，二次散射路径的存在会严重降低定位性能。　　然后，对一种现有的单次与多次散射路径识别算法进行了分析和仿真，随后参考LOS/NLOS传播路径识别算法，提出了一种基于信号检测的单次与二次散射路径识别算法。该算法利用单次与多次散射路径的统计特性差异，建立出信号检测模型，并基于该检测模型对单次/二次散射路径进行了检测。仿真结果表明，本文检测算法在当前检测时间内能有效检测出NLOS环境下的散射路径是属于单次还是二次散射路径，且检测识别性能优于现有的识别算法。　　接着，在对散射路径进行检测后，使用了Chan算法和多天线算法对移动台进行定位，并将定位结果与未进行路径检测而直接定位的结果进行分析比较。仿真结果表明，在对单次与二次散射路径进行检测识别后，只利用单次散射路径进行定位可以获得更好的定位性能，如果能在检测后结合NLOS定位算法进行定位，定位性能可以得到进一步改善。　　最后，对全文的研究工作进行了总结，并给出了后续可以开展研究的内容和方向。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 基于散射模型的定位算法

1.2.2 基于散射体和移动台位置几何关系的定位算法

1.2.3 NLOS传播模型与LOS/NLOS传播路径识别

1.2.4 研究现状小结

1.3 论文研究内容与组织结构

第2章 相关理论基础

2.1 基本无线定位技术

2.1.1 TOA定位技术

2.1.2 TDOA定位技术

2.1.3 AOA定位技术

2.1.4 混合定位法

2.2 经典TDOA定位算法

2.2.1 Chan算法

2.2.2 Taylor 算法

2.3 单次散射模型

2.3.1 ROS圆环散射模型

2.3.2 DOS圆盘散射模型

2.4 信号统计检测理论

2.4.1 统计检测理论基础

2.4.2 广义似然比检验

2.4.3 奈曼-皮尔逊准则

2.5 性能评价标准

2.5.1 平均定位误差(MLE)

2.5.2 均方误差(MSE)和均方根误差(RMSE)

2.5.3 概率累积分布函数(CDF)

2.5.4 虚警概率、漏警概率与识别率

2.6 仿真与分析

2.6.1 单次散射模型的统计特性仿真

2.6.2 定位算法仿真

2.7 本章小结

第3章二次散射模型建模与分析

3.1 二次散射圆环模型建模

3.1.1 二次散射圆环模型概述

3.1.2 二次散射圆环模型的统计特性分析

3.2 二次散射圆盘模型建模

3.2.1 二次散射圆盘模型概述

3.2.2 二次散射圆盘模型的统计特性分析

3.3 二次散射混合模型建模

3.3.1 二次散射混合模型概述

3.3.2 二次散射混合模型的统计特性分析

3.4 二次散射模型统计特性仿真研究

3.4.1 二次散射模型的非视距误差概率密度

3.4.2 二次散射模型的非视距误差均值与均方误差

3.4.3 高斯滤波研究

3.5 二次散射模型NLOS特性研究

3.5.1 散射半径对二次散射模型NLOS特性的影响

3.5.2 视距距离对二次散射模型NLOS特性的影响

3.6 模型定位性能仿真与研究

3.7 本章小结

第4章单次/二次散射路径识别与移动台定位研究

4.1 基于LPMD的单次与二次散射路径识别算法

4.1.1 LPMD模型介绍

4.1.2 LPMD识别算法

4.2 单次与二次散射路径检测识别算法

4.2.1 单次与二次散射路径检测模型

4.2.2 已知先验信息的单次与二次散射路径识别

4.2.3 未知先验信息的单次与二次散射路径识别

4.3 识别算法仿真与性能分析

4.3.1 LPMD算法仿真分析

4.3.2 信号检测识别算法仿真分析

4.3.3 算法性能比较

4.4 基于散射路径识别的移动台定位

4.4.1 基于多天线的NLOS误差消除算法

4.4.2 仿真与分析

4.5 本章小结

结 论

1.研究总结

2.未来研究展望

致谢

参考文献

缩略语表

攻读学位期间发表的论文及研究成果