[發(fā)明專利]傳感器位置誤差下基于加權(quán)多維標(biāo)度和多項式求根的TDOA定位方法

有效

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• 申請日: 2020-04-25
• 公開（公告）號: CN111551897B
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王鼎;鄭娜娥;陳松;王盛;任修坤;呂品品;董鵬;張龍;趙華;尹潔昕
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學(xué)
• 主分類號: G01S5/06
• 分類號: G01S5/06
• 代理公司: 鄭州大通專利商標(biāo)代理有限公司 41111
• 代理人: 張立強(qiáng)

本發(fā)明公開傳感器位置先驗觀測誤差存在下基于加權(quán)多維標(biāo)度和多項式求根的TDOA定位方法，首先利用多個傳感器獲得輻射源信號的TDOA觀測量，并利用距離差觀測量構(gòu)造標(biāo)量積矩陣，由此形成了多維標(biāo)度偽線性方程；然后定量分析TDOA觀測誤差和傳感器位置先驗觀測誤差對于偽線性方程的影響，從而確定最優(yōu)加權(quán)矩陣；接著利用增廣未知向量的代數(shù)特征構(gòu)造二次等式約束，并結(jié)合多維標(biāo)度偽線性方程和傳感器位置先驗觀測值構(gòu)造二次等式約束加權(quán)最小二乘優(yōu)化模型；最后利用拉格朗日乘子技術(shù)將該優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成多項式求根問題，并利用牛頓求根法獲得輻射源位置向量和傳感器位置向量的聯(lián)合估計。本發(fā)明能夠提升對輻射源的定位精度，還能夠獲得更精確的傳感器位置信息。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于輻射源定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種傳感器位置先驗觀測誤差存在下基于加權(quán)多維標(biāo)度和多項式求根的TDOA定位方法。

背景技術(shù)

眾所周知，輻射源定位技術(shù)在目標(biāo)監(jiān)測、導(dǎo)航遙測、地震勘測、射電天文、緊急救助、安全管理等諸多工業(yè)和電子信息領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。輻射源定位的基本過程就是從電磁信號中提取出與其位置有關(guān)的參數(shù)(也稱為定位觀測量)，然后再利用這些參數(shù)解算出輻射源位置向量。用于輻射源定位的觀測量涉及到空、時、頻、能量等多域參數(shù)，其中TDOA(可等價為距離差)是應(yīng)用較為頻繁的一類觀測量。TDOA定位技術(shù)是通過多個傳感器采集到的輻射源信號到達(dá)時間差來進(jìn)行定位，輻射源信號到達(dá)兩個不同傳感器的時間差可以確定出1條雙曲面(線)，多條雙曲面(線)相交即可得到輻射源位置坐標(biāo)。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和時間差測量技術(shù)的不斷發(fā)展，TDOA定位技術(shù)已成為最為主流的輻射源定位手段之一。依據(jù)TDOA觀測方程的代數(shù)特征，國內(nèi)外學(xué)者提出了很多性能優(yōu)良的TDOA定位方法，其中包括迭代類方法和閉式解類方法，后者無需迭代運算，能夠有效避免局部收斂和迭代發(fā)散等問題，因而受到了學(xué)者們的廣泛青睞。近年來，在解析類定位方法中，相關(guān)學(xué)者提出了一種基于加權(quán)多維標(biāo)度的TDOA定位方法(Wei H W,Wan Q,Chen Z X,Ye S F.A novel weightedmultidimensional scaling analysis for time-of-arrival-based mobile location[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2008,56(7):3018-3022.)，該方法通過構(gòu)造標(biāo)量積矩陣獲得了關(guān)于輻射源位置向量的偽線性方程，并由此給出了輻射源位置向量的閉式解，能夠取得較好的定位效果。然而，該方法并未利用增廣未知向量所滿足的二次等式約束，因此其定位精度并不是漸近最優(yōu)的。另一方面，在實際定位場景中，往往存在傳感器位置先驗觀測誤差，例如，傳感器隨機(jī)布設(shè)或者傳感器安裝在機(jī)載、艦載等平臺上。文獻(xiàn)(Ho K C,Lu X,Kovavisaruch L.Source localization using TDOA and FDOAmeasurements in the presence of receiver location errors:analysis andsolution[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2007,55(2):684-696.)中的研究結(jié)果表明，傳感器位置先驗觀測誤差會嚴(yán)重惡化定位精度，需要在定位方法中將此類誤差考慮進(jìn)來。文獻(xiàn)(朱國輝,馮大政,聶衛(wèi)科.傳感器位置誤差情況下基于多維標(biāo)度分析的時差定位算法[J].電子學(xué)報,2016,44(1):21-26.)提出的加權(quán)多維標(biāo)度TDOA定位方法考慮了傳感器位置先驗觀測誤差的影響，提高了定位精度，但是該方法同樣未利用增廣未知向量所滿足的二次等式約束，因此其定位精度也不是漸近最優(yōu)的。基于目前的研究現(xiàn)狀，本發(fā)明公開了一種傳感器位置先驗觀測誤差存在下基于加權(quán)多維標(biāo)度和多項式求根的TDOA定位方法，新方法不僅考慮了傳感器位置先驗觀測誤差的影響，還充分利用了增廣未知向量所服從的二次等式約束，并將TDOA定位問題轉(zhuǎn)化成多項式求根問題，通過牛頓求根法獲得了輻射源位置向量和傳感器位置向量的聯(lián)合估計。相比于已有的基于加權(quán)多維標(biāo)度的TDOA定位方法，新方法不僅能夠顯著提升對輻射源的定位精度，還能夠獲得更加精確的傳感器位置信息。

發(fā)明內(nèi)容