无线电测距误差的来源
误差来源
NLOS误差(Non Line of Sight)
视距传播是获取准确测量值的重要前提,然而在实际传播环境中,障碍物的遮挡是极其常见的现象,特别是在城市区域等密集多径环境下,当不存在从发射端到接收端的直线传播路径时,发射信号只能通过反射、衍射等传播形式到达接收端,此时定位过程就将面临非视距问题。与LOS相比,NLOS环境下的偏差明显大于LOS情况下的定位误差,这将会导致额外的功率损耗,同时严重制约定位系统的性能。因此,为了获得高精度的目标位置估计,复杂环境中的NLOS误差抑制是研究重点之一。
消除NLOS偏差的方法主要有两类:
- 通过基于NLOS状态鉴别结果来消除NLOS误差所带来的的影响。依据NLOS环境下测距标准差与LOS环境下大得多的原理对LOS和NLOS路径进行判别,并使用误差统计的先验信息对NLOS信号进行修正,将NLOS测量值调整至接近LOS测量值,也可以舍弃NLOS测量值来缓解NLOS误差的影响;
- 利用信号特征或某些参数直接抑制NLOS误差。让全部的LOS和NLOS测量值都参与目标定位,通过增加一些线性约束条件来缓解NLOS误差的影响。
根据不同的应用场景需要,一般可以假定NLOS偏差服从高斯分布、指数分布或瑞利分布。然而,在实际的环境中,NLOS偏差的统计分布往往复杂多变,应用简单的统计分布模型来近似NLOS误差的分布虽然可以一定程度减少误差影响,但这并不完美。目前仍然缺乏有效的算法来消除NLOS偏差。
阴影效应
阴影效应是指无线通信中,在信号源运动的情况下,由于山丘、森林、高层建筑等大型障碍物对传播路径的遮挡形成的在接受区域上的阴影区域。随信号源位置不停的变化,该阴影将会使得接收点场强值变化和不稳定。信源从无线电磁波直射的区域运动到阴影区域时,接收到的无线信号场强值就会发生较大幅度的降低。这将会严重影响定位精度,尤其是对基于RSS的无线电测距技术,更应该重点关注阴影效应对定位精度的影响。
多径传播
多径传播是从发射机发出的信号,沿着两条或者多条路径最终抵达接收端的现象。当电磁波受到障碍物时就会发生反射、折射和散射等现象,然而在电磁波信号传播的过程中会碰到各类障碍物,这将会导致不同的反射、折射和散射,这是一个复杂又难以预测的过程,因此在任意接收机处均可能接收到来自不同传播路径的电磁波,这就是多径传播。因接收机不能鉴别信号直达路径和信号多径传播路径,这将使估计值产生偏差。
其他误差来源
对于TOA测距,信号的时间延迟与目标和基站接收机之间的时钟同步相关,时钟不同步将会对定位性能产生很大的影响。
对于RTT测距,虽然不存在时钟同步的问题,却存在信号的周转时间问题,而在实际的测量过程中,没有办法真正的测量出信号周转时间,这将会对测距精度形成一定影响。
对于AOA测距,角度测量信息的获取需利用具有大量计算复杂的波束形成技术,这将产生巨大的硬件成本消耗。
对于RSS测距,尽管它是无线电测距技术中最受欢迎的方法,但是该技术除了受阴影效应的影响之外,还对信道条件极其敏感,这都将导致测量的不准确。
另外,测量过程中的噪声误差,目标与各基站间的位置关系以及各基站本身的位置布局,都会对无线电测距定位精度的性能产生影响。
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