[發(fā)明專利]基于BFGS擬牛頓法的信號源定位方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310054238.8
• 申請日: 2013-01-31
• 公開（公告）號: CN103135094A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發(fā)明（設計）人: 李贊;任妘梅;郝本建;高瑞;杜軍朝;劉慧;吳海游;季雷;馬幗嶸;胡易谷
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01S5/04
• 分類號: G01S5/04
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 田文英;王品華

技術領域

本發(fā)明屬于通信技術領域，更進一步涉及無線通信技術和信號處理技術領域中基于信號的到達時間差(Time?Difference?ofArrival，TDOA)與到達增益比的(Gain?Ratios?of?Arrival，GROA)的BFGS(Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno)擬牛頓法信號源定位方法。本發(fā)明可用于無線傳感器網(wǎng)絡或蜂窩網(wǎng)中，實現(xiàn)對目標信號源的定位。

背景技術

隨著通信技術與信息技術的迅速發(fā)展，信號源定位技術作為信號處理領域的重要研究內容，已在電磁頻譜監(jiān)測、雷達、傳感器網(wǎng)絡、無線通信等領域得到廣泛應用，研究高精度與實時性的定位方法具有重要的意義?；诘竭_時間差的定位方法以其定位精度高、算法計算復雜性低、易于實現(xiàn)等諸多的優(yōu)勢而受到越來越多的重視。

西安電子科技大學提出的專利申請“基于監(jiān)測節(jié)點圓周分布的TDOA定位方法”(申請?zhí)枺?01010598701.1，公開號：102026370A)中公開了一種基于監(jiān)測節(jié)點呈圓周分布的TDOA定位方法。該方法根據(jù)已知的到達時間差的測量值和監(jiān)測節(jié)點位置坐標，利用Chan算法多次計算得到多個目標節(jié)點的坐標，將圓周半徑的0.2倍作為門限值，對于門限內定位坐標進行統(tǒng)計平均，將統(tǒng)計平均的得到的坐標作為泰勒算法的初始值。該定位方法對于監(jiān)測節(jié)點呈圓周分布且目標節(jié)點處于距離圓心0.2倍的半徑范圍內的情況下定位精度有所提高。但是，該方法仍然存在的不足是，在實際環(huán)境中的實用性不強，在實際環(huán)境中監(jiān)測節(jié)點是隨機布設的，大多數(shù)情況下很難滿足監(jiān)測節(jié)點按圓周分布且目標節(jié)點處于距離圓心0.2倍的半徑范圍內的要求。算法中所涉及的Chan定位算法是一種基于到達時間差的定位法，該方法由于具有較高的定位精度而得到了廣泛的應用。Chan定位算法采用了兩步加權最小二乘算法，但為了使定位方程組線性化，在第一步加權最小二乘中引入了輔助變量，并假定輔助變量與信號源的位置是無關的(實際上兩者之間是有關的)，這一假設使得求解過程引入了中間誤差；在第二步利用加權最小二乘法時，所得的定位結果具有模糊性。

朱亞坤、馮立杰發(fā)表的“基于牛頓迭代搜索法的多節(jié)點協(xié)同振源定位研究”(傳感器技術學報，2009年9月，第24卷，第9期)文章公開一種定位方法。該方法首先用最小二乘法的定位結果作為基本牛頓法的初始值，然后通過基本牛頓法來求解非線性定位方程組獲得目標源的位置，定位精度有所提高。但是，該方法仍然存在的不足是，該方法對于可能存在海塞矩陣奇異的情況而不能確定后繼點。當海塞矩陣非奇異時，也未必能保證海塞矩陣是正定的，由此導致算法失效。當海塞矩陣滿足正定時，雖然算法有效，但是，需要計算海塞矩陣的逆使的計算量較大，尤其是當矩陣的階數(shù)較高時，計算量的增加更為明顯。

中國科學院計算機技術研究所提出的專利申請“一種無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點定位方法”(申請?zhí)枺?00810103124.7，公開號：101251592A)中公開了一種無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點定位方法。該定位方法首先為無線傳感器網(wǎng)絡各局部構建局部相對坐標，然后將各個局部相對坐標進行融合，得到所有節(jié)點的全局相對坐標，并使用位置信息已知的信標節(jié)點，把全局坐標轉換為全局絕對坐標，獲得全局絕對初始坐標后，進行節(jié)點定位迭代求精而獲得定位目標的位置，定位精度有所提高。該方法仍然存在的不足是，該定位方法中，獲得DFP擬牛頓法初始坐標值的過程比較復雜，并且DFP擬牛頓法并不是當前變尺度擬牛頓法中數(shù)值穩(wěn)定性最好的一個方法。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術的不足，提出一種基于BFGS擬牛頓法的信號源定位方法，減小了定位的計算量，提高了定位精度。

實現(xiàn)本發(fā)明的技術思路是，針對已有的定位方法中存在對監(jiān)測節(jié)點分布的限制、引入中間誤差、模糊解及計算量較大的問題，對空間監(jiān)測節(jié)點的布設不設任何限制，建立定位誤差方程組時，直接利用了輔助變量與目標源位置的關系，在獲得定位誤差方程的解時，采用了BFGS擬牛頓法，用最小二乘法得到的估計值作為BFGS擬牛頓的迭代初始值，將定位誤差方程的解與參考監(jiān)測節(jié)點位置坐標值之和作為未知目標源的位置。

本發(fā)明的具體實現(xiàn)步驟包括如下：

(1)獲得測量值：

1a)在空間分布的無線傳感器節(jié)點中任選一個作為參考監(jiān)測節(jié)點，其余的無線傳感器節(jié)點作為輔助監(jiān)測節(jié)點；

1b)將參考監(jiān)測節(jié)點與輔助監(jiān)測節(jié)點接收信號的互相關函數(shù)最大值所對應的相關運算滯后時間作為到達時間差的測量值；

1c)按照下式計算到達增益比的測量值；

g＝R(ξ)/(V(ξ)-U(ξ))