[發明專利]基于到達時間差和到達頻率差的移動目標定位方法

有效

• 申請號: 201811322365.0
• 申請日: 2018-11-08
• 公開（公告）號: CN109581281B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 王剛;張杰
• 申請（專利權）人: 寧波大學
• 主分類號: G01S5/00
• 分類號: G01S5/00
• 代理公司: 寧波奧圣專利代理事務所(普通合伙) 33226
• 代理人: 周玨

1.一種基于到達時間差和到達頻率差的移動目標定位方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一：在無線傳感器網絡環境中建立一個平面坐標系作為參考坐標系，并設定無線傳感器網絡環境中存在1個用于發射信號的移動目標、1個用于接收信號且作為參考傳感器的移動傳感器、N個僅用于接收信號的移動傳感器；將移動目標在參考坐標系中的坐標位置記為x，將移動目標在參考坐標系中的移動速度記為將參考傳感器在參考坐標系中的坐標位置記為s₀，將參考傳感器在參考坐標系中的移動速度記為將N個移動傳感器在參考坐標系中的坐標位置對應記為s₁,...,s_N，將N個移動傳感器在參考坐標系中的移動速度對應記為其中，N≥3，s₁表示第1個移動傳感器在參考坐標系中的坐標位置，s_N表示第N個移動傳感器在參考坐標系中的坐標位置，表示第1個移動傳感器在參考坐標系中的移動速度，表示第N個移動傳感器在參考坐標系中的移動速度；

步驟二：在無線傳感器網絡環境中，移動目標發射出的信號由參考傳感器及N個僅用于接收信號的移動傳感器接收；首先，測量移動目標發射出的信號到達參考傳感器的傳輸時間以及移動目標發射出的信號到達N個移動傳感器的傳輸時間；計算移動目標發射出的信號到達每個移動傳感器的傳輸時間與移動目標發射出的信號到達參考傳感器的傳輸時間的時間差，將移動目標發射出的信號到達第i個移動傳感器的傳輸時間與移動目標發射出的信號到達參考傳感器的傳輸時間的時間差記為t_i；其次，測量每個移動傳感器接收到的信號的多普勒頻率以及參考傳感器接收到的信號的多普勒頻率；計算每個移動傳感器接收到的信號的多普勒頻率與參考傳感器接收到的信號的多普勒頻率的頻率差，將第i個移動傳感器接收到的信號的多普勒頻率與參考傳感器接收到的信號的多普勒頻率的頻率差記為f_i；最后，計算移動目標發射出的信號到達每個移動傳感器的信號傳輸距離與移動目標發射出的信號到達參考傳感器的信號傳輸距離的距離差，將移動目標發射出的信號到達第i個移動傳感器的信號傳輸距離與移動目標發射出的信號到達參考傳感器的信號傳輸距離的距離差記為d_i，d_i＝c×t_i；計算移動目標發射出的信號到達每個移動傳感器的信號傳輸距離與移動目標發射出的信號到達參考傳感器的信號傳輸距離的距離差變化率，將移動目標發射出的信號到達第i個移動傳感器的信號傳輸距離與移動目標發射出的信號到達參考傳感器的信號傳輸距離的距離差變化率記為其中，i為正整數，1≤i≤N，c表示光速，f₀表示載波的頻率；

步驟三：計算x和各自的初始值，對應記為和其中，上標“T”為轉置符號，(A^TW₀A)^-1表示(A^TW₀A)的逆，r₀和均為引入的中間變量，r₀和均為一個數值，r₀＝||x-s₀||，a₁＝[(s₁-s₀)^T 0_1×k d₁ 0]，a_i＝[(s_i-s₀)^T 0_1×k d_i 0]，a_N＝[(s_N-s₀)^T 0_1×k d_N 0]，0_1×k表示元素值全為0的維數為1×k的行向量，k為正整數，k≥2，d₁表示移動目標發射出的信號到達第1個移動傳感器的信號傳輸距離與移動目標發射出的信號到達參考傳感器的信號傳輸距離的距離差，s_i表示第i個移動傳感器在參考坐標系中的坐標位置，d_N表示移動目標發射出的信號到第N個移動傳感器的信號傳輸距離與移動目標發射出的信號到參考傳感器接收到信號的信號傳輸距離的距離差，表示移動目標發射出的信號到達第1個移動傳感器的信號傳輸距離與移動目標發射出的信號到達參考傳感器的信號傳輸距離的距離差變化率，表示第i個移動傳感器在參考坐標系中的移動速度，表示移動目標發射出的信號到達到第N個移動傳感器的信號傳輸距離與移動目標發射出的信號到達參考傳感器的信號傳輸距離的距離差變化率，為Q_α的逆，Q_α＝diag(Q_t,Q_f)，diag(Q_t,Q_f)表示Q_t和Q_f為對角線元素，Q_t表示到達時間差的測量噪聲的協方差矩陣，Q_f表示到達頻率差的測量噪聲的協方差矩陣，符號“|| ||”為求歐幾里德范數符號；

步驟四：確定移動目標的定位問題，描述為：約束條件為y₂^TEy₂-2e^Ty₂+||s₀||²＝0，移動目標的定位問題實質為一加權最小二乘問題；其中，表示使(Gy₂-h)^TW^-1(Gy₂-h)最小化，W^-1表示W的逆，g₁＝[(s₁-s₀)^T 0_1×k d₁]，g_i＝[(s_i-s₀)^T 0_1×k d_i]，g_N＝[(s_N-s₀)^T 0_1×k d_N]，W＝BQ_αB，0_N×N表示元素值全為0的維數為N×N的方陣，B₁＝diag(r₁,...,r_N)，diag(r₁,...,r_N)表示r₁,...,r_N為對角線元素，表示為對角線元素，r₁、r_N、均為引入的中間變量，r₁、r_N、均為一個數值，r₁＝||x-s₁||，r_N＝||x-s_N||，I_k表示維數為k×k的單位矩陣，0_k×1表示元素值全為0的維數為k×1的列向量，0_k×k表示元素值全為0的維數為k×k的方陣，e＝[s₀^T,0_1×k,0]^T；

步驟五：利用二分法求解移動目標的定位問題，求解得到x的最終估計值和的估計值，對應記為和

步驟六：對進行更新優化，得到的最終估計值，記為其中，表示Q_f的逆，表示的逆，

2.根據權利要求1所述的基于到達時間差和到達頻率差的移動目標定位方法，其特征在于所述的步驟五的具體過程為：

步驟A1、將λ定義為拉格朗日乘子，將關于λ的函數記為φ(λ)，φ(λ)描述為：

φ(λ)＝(G^TW^-1G+λE)^-1(G^TW^-1h-λe)；

步驟A2、求解矩陣的所有特征值，并將值最大的特征值記為u₁，將值最小的特征值記為u₀；然后令其中，和均為引入的中間變量，

步驟A3、令然后將和分別代入φ(λ)＝(G^TW^-1G+λE)^-1(G^TW^-1h-λe)中，對應得到和其中，為引入的中間變量；

步驟A4、判斷是否成立，若成立，則令然后執行A5；否則，令然后執行A5；其中，和中的“＝”為賦值符號；

步驟A5、判斷是否成立，若成立，則執行步驟A6；否則，返回執行步驟A3；其中，符號“| |”為取絕對值符號，ε表示精度閾值；

步驟A6、將作為λ的最優值。