[發(fā)明專利]一種針對(duì)TDOA定位的傳感器選擇方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010210613.3
• 申請(qǐng)日: 2020-03-23
• 公開（公告）號(hào): CN111505576B
• 公開（公告）日: 2022-01-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 戴子超;王剛;屈龍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 寧波大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S5/06
• 分類號(hào): G01S5/06
• 代理公司: 寧波奧圣專利代理有限公司 33226
• 代理人: 周玨

1.一種針對(duì)TDOA定位的傳感器選擇方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一：在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中建立一個(gè)平面坐標(biāo)系或空間坐標(biāo)系作為參考坐標(biāo)系；設(shè)定無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)用于發(fā)射測(cè)量信號(hào)的目標(biāo)源和N個(gè)用于接收測(cè)量信號(hào)的接收傳感器，將目標(biāo)源在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置記為u，將N個(gè)接收傳感器在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置的真實(shí)值對(duì)應(yīng)記為s₁,…,s_N；其中，N＞1，s₁表示第1個(gè)接收傳感器在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置的真實(shí)值，s_N表示第N個(gè)接收傳感器在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置的真實(shí)值；

步驟二：設(shè)定從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中選取1個(gè)接收傳感器作為參照傳感器，并設(shè)定從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中選取K-1個(gè)接收傳感器作為非參照傳感器用于定位；引入一個(gè)向量變量用于表示N個(gè)接收傳感器的狀態(tài)，其中，N＞K＞1，的維數(shù)為N×1，符號(hào)“[]”為向量表示符號(hào)，上標(biāo)“T”表示矩陣或向量的轉(zhuǎn)置，1≤i≤N，對(duì)應(yīng)表示第1個(gè)接收傳感器的狀態(tài)、第2個(gè)接收傳感器的狀態(tài)、……、第i個(gè)接收傳感器的狀態(tài)、……、第N個(gè)接收傳感器的狀態(tài)，若第i個(gè)接收傳感器被選取作為參照傳感器則令若第i個(gè)接收傳感器被選取作為非參照傳感器則令若第i個(gè)接收傳感器未被選取用于定位則令

步驟三：根據(jù)獲取一個(gè)維數(shù)為N×(K-1)的變量矩陣，記為的獲取過(guò)程為：構(gòu)造一個(gè)以中的所有元素為主對(duì)角線元素的對(duì)角矩陣然后將中參照傳感器的狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的行中的所有元素置為-1，并刪去參照傳感器的狀態(tài)以及未被選取用于定位的接收傳感器的狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的列，至此得到其中，表示構(gòu)造以中的所有元素為主對(duì)角線元素的對(duì)角矩陣；

步驟四：基于TDOA測(cè)量模型，建立目標(biāo)源在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置u的克拉美-羅界與接收傳感器的狀態(tài)之間的關(guān)系，描述為：

然后引入一個(gè)輔助矩陣Q₀，使其滿足Q_roa＝aI_N+Q₀，再根據(jù)和Q_roa＝aI_N+Q₀得到再根據(jù)矩陣求逆引理，將轉(zhuǎn)化為其中，CRLB(u)為目標(biāo)源在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置u的克拉美-羅界，H的維數(shù)為N×k，s₂表示第2個(gè)接收傳感器在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置的真實(shí)值，k表示參考坐標(biāo)系的維數(shù)，符號(hào)“|| ||”為求歐幾里德范數(shù)符號(hào)，Q_roa的維數(shù)為N×N，Q_roa為所有接收傳感器的距離測(cè)量噪聲的協(xié)方差矩陣，符號(hào)“()^-1”為求矩陣的逆，Q₀的維數(shù)為N×N，a為任意一個(gè)滿足Q₀可逆的實(shí)數(shù)，I_N表示維數(shù)為N×N的單位矩陣，w的維數(shù)為N×1，w＝[w₁,w₂,…,w_i,…,w_N]^T，w為用于表示N個(gè)接收傳感器的被選狀態(tài)的一個(gè)向量變量，w₁,w₂,…,w_i,…,w_N對(duì)應(yīng)表示第1個(gè)接收傳感器的被選狀態(tài)、第2個(gè)接收傳感器的被選狀態(tài)、……、第i個(gè)接收傳感器的被選狀態(tài)、……、第N個(gè)接收傳感器的被選狀態(tài)，若第i個(gè)接收傳感器被選取用于定位則令w_i＝1，若第i個(gè)接收傳感器未被選取用于定位則令w_i＝0，diag(w)表示構(gòu)造以w中的所有元素為主對(duì)角線元素的對(duì)角矩陣；

步驟五：建立TDOA測(cè)量模型下的傳感器選擇問(wèn)題，描述為：

其中，min為取最小值函數(shù)，tr()為對(duì)矩陣的主對(duì)角線元素進(jìn)行求和的運(yùn)算函數(shù)，“s.t.”表示“受約束于”，1_N表示維數(shù)為N×1且元素全為1的列向量，“{0,1}”表示一個(gè)元素只有0和1的集合；

步驟六：引入矩陣變量Z和令

然后利用舒爾補(bǔ)性質(zhì)和半正定松弛技術(shù)將傳感器選擇問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)半正定規(guī)劃問(wèn)題，描述為：

其中，Z的維數(shù)為k×k，的維數(shù)為N×N，表示為半正定矩陣，表示為半正定矩陣，表示構(gòu)造一個(gè)向量，該向量的元素為的主對(duì)角線元素；

步驟七：求解半正定規(guī)劃問(wèn)題，得到向量變量w和矩陣變量各自的解，對(duì)應(yīng)記為w^*和然后判斷是否等于1，若等于1，則將w^*中值最大的前K個(gè)元素置為1，而其余元素置為0，將元素重置后得到的向量作為傳感器選擇向量，記為w^g；若不等于1，則對(duì)w^*執(zhí)行高斯隨機(jī)化處理，得到傳感器選擇向量，記為w^g；之后根據(jù)已有知識(shí)“在基于TDOA的定位中，在確定了使用的傳感器后，關(guān)于目標(biāo)源的克拉美-羅界的取值與選擇哪一個(gè)傳感器作為參照傳感器無(wú)關(guān)”，從w^g中任意選擇一個(gè)值為1的元素，將該元素所代表的被選狀態(tài)對(duì)應(yīng)的接收傳感器確定為參照傳感器，并將w^g中除該元素以外的所有值為1的元素所代表的被選狀態(tài)對(duì)應(yīng)的接收傳感器確定為非參照傳感器；最終由確定的參照傳感器和非參照傳感器構(gòu)成可用于TDOA定位的傳感器集合；其中，表示計(jì)算的秩。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對(duì)TDOA定位的傳感器選擇方法，其特征在于所述的步驟七中，對(duì)w^*執(zhí)行高斯隨機(jī)化處理的過(guò)程為：

1)隨機(jī)生成L個(gè)維數(shù)為N×1的高斯向量，且這些高斯向量均服從均值為w^*、協(xié)方差矩陣為的高斯分布；其中，L≥50；

2)將每個(gè)高斯向量中值最大的前K個(gè)元素置為1，其余元素置為0；

3)在步驟2)的基礎(chǔ)上，將每個(gè)高斯向量代入傳感器選擇問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)中，計(jì)算每個(gè)高斯向量相應(yīng)的克拉美-羅界的跡；

4)保留最小的克拉美-羅界的跡相應(yīng)的高斯向量，將該高斯向量作為傳感器選擇問(wèn)題的最終解，即得到傳感器選擇向量w^g。