一種基于多信標(biāo)到達(dá)時間差改進(jìn)型定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于到達(dá)時間差的新型被動目標(biāo)定位方法，尤其涉及一種基于多 信標(biāo)到達(dá)時間差改進(jìn)型定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于被動目標(biāo)到達(dá)傳感器的時間差能夠有效確定目標(biāo)位置，它是被動目標(biāo)探測系 統(tǒng)測定目標(biāo)位置的關(guān)鍵技術(shù)之一。其基本原理是通過對多個傳感器進(jìn)行合理的空間布局， 以接收目標(biāo)發(fā)出的信號進(jìn)行分析，計算出各傳感器相對于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的時間差來確定目標(biāo)的 方位和距離?；诘竭_(dá)時間差目標(biāo)定位方法問題的實(shí)質(zhì)是在獲取目標(biāo)到達(dá)不同傳感器的時 間差數(shù)據(jù)之后，通過求取一組非線性方程得到目標(biāo)位置，具有很大的挑戰(zhàn)性。
[0003] 傳統(tǒng)求解該非線性方程組的一種方法是通過泰勒級數(shù)展開法在局部鄰域進(jìn)行線 性化，并通過迭代方式求解。該方法的缺陷是算法精度依賴于目標(biāo)的初始位置估計，其解的 收斂性不能得到保證，同時該算法的計算量偏大（相比于閉式算法）。相對于迭代算法，另 一種算法是閉式算法。通過將非線性方程組轉(zhuǎn)化為一類帶測量誤差的偽線性方程，并利用 最小均方誤差估計、最小二乘等算法使定位誤差達(dá)到最小。該類算法典型的代表是Chan算 法，該算法具有算法計算量小、無需迭代計算、簡單準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，但該方法存在定位模糊的 缺點(diǎn)，即用Chan算法求解非線性方程組存在雙解或無解的可能。
[0004] 經(jīng)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，Chan算法解的模糊性可以通過以下方法來解決：（1)增加目標(biāo) 測向、能量、多普勒頻率差等輔助信息；（2)增加空間中傳感器的數(shù)量；(3)增加定位系統(tǒng)的 信標(biāo)數(shù)等方法。其中第三種方法不僅能夠消除Chan算法解的模糊性，而且還能提高目標(biāo)定 位精度，因此該類方法對提高時差定位系統(tǒng)的工作效能具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于多信標(biāo)到達(dá)時間差改進(jìn)型 定位方法。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：一種基于多信標(biāo)到達(dá)時間差改 進(jìn)型定位方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟（1)從多信標(biāo)到達(dá)時間差定位場景中獲取傳感器的位置信息；
[0008] 步驟（2)將目標(biāo)位置和多個信標(biāo)與目標(biāo)之間的距離看成未知量，根據(jù)多信標(biāo)到達(dá) 時間差的非線性測量方程組推導(dǎo)相應(yīng)的偽線性方程組；
[0009] 步驟（3)根據(jù)加權(quán)最小二乘算法，估計目標(biāo)位置和多個信標(biāo)與目標(biāo)之間的距離； [0010] 步驟（4)根據(jù)目標(biāo)位置與多個信標(biāo)、目標(biāo)之間距離的耦合關(guān)系，對目標(biāo)位置估計 進(jìn)行更新。
[0011] 所述步驟（1)中，所述傳感器的位置信息指傳感器的平面坐標(biāo)，并可推廣至三維 坐標(biāo)；假設(shè)定位系統(tǒng)由N個普通傳感器和Μ個參考傳感器組成，其中第η個普通傳感器位于 (xn, yn)，η = 1，2,…，Ν，第m個參考傳感器的位置坐標(biāo)為（xb,m，yb, m)，m = 1，2,…，Μ。
[0012] 步驟⑵具體為，假設(shè)目標(biāo)位置為（xs，ys)，目標(biāo)到第η個普通傳感器和第m個參 考傳感器的距離記為九和d 設(shè)目標(biāo)信號的傳播速度為c，目標(biāo)信號到第η個普通傳感器 和第m個參考傳感器的時間差為τηηι，其中τηηι= (dn-db,m)/c;第η個普通傳感器和第m個 參考傳感器的距離差記為dnm，dnm= dn_dbim;將目標(biāo)位置（xs，ys)和所有信標(biāo)與目標(biāo)之間的 距離dM，dM，…，db，M看成未知量，經(jīng)推導(dǎo)，得到多個信標(biāo)到達(dá)時間差的偽線性方程組：
[0017] z = [xs，ys，dM，…，db,M] T是待估計向量，I + ，dnn= d n_db,n是第 η 個 普通傳感器和第m個參考傳感器的距離差，ξηηι是觀測噪聲，δ =cB|+0.5c2| Θ ξ，Β = diag {dj, ···, dN, ···, dj, ···, dN} , ζ - [ ζ n, .··，ζ ni, .··，€ im, ···，€ 麗]o
[0018] 所述步驟（3)具體為，對未知向量z采用加權(quán)最小二乘算法進(jìn)行估計；于是有：
[0020] 其中Σ = Ε[ δ δ T] = C2BQB，Q是觀測噪聲的協(xié)方差陣。
[0021] 所述步驟（4)包括以下子步驟：
[0022] (A)在觀測誤差較小的條件下，可忽略位置估計偏差，因此￡是均值為z，協(xié)方差矩 陣為_'(幻=(0>2 W) 1的隨機(jī)變量；將z中的元素表示為：
[0023] zl - X s+e" z2 - y s+e2, z3 - d b_!+e3, ···, zm+2 - db,m+em+2，...，zM+2 - db,M+eM+2，其中 ey"em+2(m = 1，…，M)是憊的估計誤差；
[0024] ⑶將~和22分別減去xM，…，xb,，y M，…，yb,M，并作平方，可得另外一個方 程組：

[0030] (C)根據(jù)加權(quán)最小二乘算法，可得z'估計值：
[0034] (D)將第（C)步所得結(jié)果映射到最終的目標(biāo)位置估計：
[0038] 本發(fā)明的有益效果是，能夠提高針對多信標(biāo)到達(dá)時間差的線性閉式被動目標(biāo)定位 的精度。利用多個信標(biāo)以及目標(biāo)位置與多個信標(biāo)和目標(biāo)之間距離的耦合關(guān)系，增加定位信 息量，提尚定位精度。
【附圖說明】
[0039] 圖1是本發(fā)明基于多信標(biāo)到達(dá)時間差改進(jìn)型定位方法的流程圖；
[0040] 圖2是聲源目標(biāo)和傳聲器位置標(biāo)定不意圖；
[0041] 圖3是不同信噪比下單信標(biāo)與兩信標(biāo)-耦合目標(biāo)位置估計均方誤差比較結(jié)果；
[0042] 圖4是不同信噪比下單信標(biāo)、兩信標(biāo)-耦合、兩信標(biāo)-解耦合聲源位置估計均方誤 差比較結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】：
[0043] 本發(fā)明專利使用多信標(biāo)到達(dá)時間差和目標(biāo)位置與多個信標(biāo)和目標(biāo)之間距離的耦 合關(guān)系實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位?；诙嘈艠?biāo)到達(dá)時間差改進(jìn)型定位方法的原理是：使用多個標(biāo)定好 的傳感器獲取目標(biāo)到達(dá)普通傳感器和參考傳感器時間差數(shù)據(jù)。將目標(biāo)位置和多個信標(biāo)與 目標(biāo)之間的距離看成未知量，推導(dǎo)偽線性方程組并利用加權(quán)最小二乘算法求取目標(biāo)位置估 計。然后利用目標(biāo)位置和多個信標(biāo)與目標(biāo)之間距離的耦合關(guān)系，對目標(biāo)位置估計進(jìn)行更新。
[0044] 結(jié)合圖1，本發(fā)明的基于多信標(biāo)到達(dá)時間差改進(jìn)型定位方法包括以下步驟：
[0045] 步驟1、從多信標(biāo)到達(dá)時間差目標(biāo)定位場景中獲取傳感器的位置信息，具體為：假 設(shè)定位系統(tǒng)由N個普通傳感器和Μ個參考傳感器組成，其中第η個普通傳感器位于（xn，yn)， η = 1，2,…，N，第m個參考傳感器的位置坐標(biāo)為（x^，yb,J，m = 1，2,…，M，普通傳感器和 參考傳感器的位置可預(yù)先標(biāo)定。
[0046] 步驟2、將目標(biāo)位置和多個信標(biāo)與目標(biāo)之間的距離看成未知量，根據(jù)多信標(biāo)到達(dá) 時間差的非線性測量方程組推導(dǎo)相應(yīng)的偽線性方程組。具體為：假設(shè)目標(biāo)位置為（xs，ys)， 目標(biāo)到第η個普通傳感器和第m個參考傳感器的距離記為九和d 設(shè)目標(biāo)信號的傳播 速度為c，目標(biāo)信號到第η個普通傳感器和第m個參考傳感器的時間差為τηηι，其中τηηι= (dn_db,m)/c。第η個普通傳感器和第m個參考傳感器的距離差記為d nm，dnm=dn_db,m。將目 標(biāo)位置（xs，ys)和所有信