In this paper, we propose a two-stage weighted projection method (TS-WPM) for time-difference-of-arrival (TDOA)-based localization, providing provable improvements in positioning accuracy, particularly under high geometric dilution of precision (GDOP) and low signal-to-noise ratio (SNR) conditions. TS-WPM employs a two-stage iterative refinement approach that dynamically updates both range and position estimates, effectively mitigating residual errors while maintaining computational efficiency. Additionally, we extend TS-WPM to support cooperative localization by leveraging two-way time-of-arrival (TW-TOA) measurements, which enhances positioning accuracy in scenarios with limited anchor availability. To analyze TS-WPM, we derive its error covariance matrix and mean squared error (MSE), establishing conditions for its optimality and robustness. To facilitate rigorous evaluation, we develop a 3rd Generation Partnership Project (3GPP)-compliant analytical framework, incorporating 5G New Radio (NR) physical layer aspects as well as large-scale and small-scale fading. As part of this, we derive a generalized Cram\'er-Rao lower bound (CRLB) for multipath propagation and introduce a novel non-line-of-sight (NLOS) bias model that accounts for propagation conditions and SNR variations. Our evaluations demonstrate that TS-WPM achieves near-CRLB performance and consistently outperforms state-of-the-art weighted nonlinear least squares (WNLS) in high GDOP and low SNR scenarios. Moreover, cooperative localization with TS-WPM significantly enhances accuracy, especially when an insufficient number of anchors (such as 2) are visible. Finally, we analyze the computational complexity of TS-WPM, showing its balanced trade-off between accuracy and efficiency, making it a scalable solution for real-time localization in next-generation networks.


翻译:本文提出一种基于到达时间差(TDOA)的两阶段加权投影方法(TS-WPM),该方法在定位精度方面可证明地实现提升,尤其在高几何精度衰减因子(GDOP)与低信噪比(SNR)条件下表现显著。TS-WPM采用两阶段迭代优化策略,动态更新距离与位置估计值,在保持计算效率的同时有效抑制残差误差。此外,我们将TS-WPM扩展至协同定位场景,通过利用双向到达时间(TW-TOA)测量值,在锚节点可用性受限的情况下提升定位精度。为分析TS-WPM性能,我们推导了其误差协方差矩阵与均方误差(MSE),确立了其最优性与鲁棒性的适用条件。为建立严谨的评估体系,我们开发了符合第三代合作伙伴计划(3GPP)标准的分析框架,该框架融合了5G新空口(NR)物理层特性以及大尺度与小尺度衰落效应。在此框架下,我们推导了适用于多径传播的广义克拉美-罗下界(CRLB),并提出了一种创新的非视距(NLOS)偏差模型,该模型能够反映传播条件与SNR的动态变化。评估结果表明,TS-WPM在高GDOP与低SNR场景下能够实现接近CRLB的性能,且持续优于当前最先进的加权非线性最小二乘法(WNLS)。此外,基于TS-WPM的协同定位显著提升了定位精度,尤其在可见锚节点数量不足(例如仅2个)时效果尤为明显。最后,我们分析了TS-WPM的计算复杂度,证明其在精度与效率之间取得了良好平衡,使其成为下一代网络中实时定位的可扩展解决方案。

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