[發(fā)明專利]一種移動(dòng)信號源定位方法

在審

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• 申請日: 2020-11-19
• 公開（公告）號: CN112540342A
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李莉萍;王浩
• 申請（專利權(quán)）人: 安徽大學(xué)
• 主分類號: G01S5/02
• 分類號: G01S5/02
• 代理公司: 合肥國和專利代理事務(wù)所(普通合伙) 34131
• 代理人: 張祥騫

本發(fā)明涉及一種移動(dòng)信號源定位方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比解決了移動(dòng)信號源定位效率低、精度差的缺陷。本發(fā)明包括以下步驟：移動(dòng)信號源數(shù)據(jù)的獲取；移動(dòng)信號源的粗估計(jì)；移動(dòng)信號源定位結(jié)果的獲得。本發(fā)明在中、高噪聲條件下不僅具有更好的魯棒性，也降低了均方根誤差(RMSE)，提高了移動(dòng)信號源定位的精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體來說是一種移動(dòng)信號源定位方法。

背景技術(shù)

在過去的幾十年里，無源定位被廣泛應(yīng)用于無線通信、無人機(jī)、監(jiān)視、導(dǎo)航和雷達(dá)等諸多領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過考慮到達(dá)時(shí)間(TOA)、到達(dá)時(shí)差(TDOA)、到達(dá)頻率差(FDOA)和到達(dá)角(AOA)來實(shí)現(xiàn)被動(dòng)定位。對于一個(gè)固定的信號源，可以利用信號源與一組傳感器之間的TDOA來估計(jì)其位置。當(dāng)信號源處于移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，TDOA和FDOA被組合以獲得更精確的源位置和速度的估計(jì)值。

Ho提出了著名的兩步加權(quán)最小二乘(WLS)方法,他們通過引入兩個(gè)冗余變量，將TDOA和FDOA方程轉(zhuǎn)化為一組線性方程。第一步計(jì)算源位置和速度的初始解；第二步進(jìn)行修正。該方法不需要迭代，不存在局部收斂問題，能在低噪聲條件下達(dá)到克拉美羅下限(CRLB)。Noroozi等人改進(jìn)了Ho算法的第二步，在構(gòu)建線性方程時(shí)，直接將源的位置和速度作為變量。還有利用泰勒級數(shù)展開來線性化TDOA和FDOA方程，但它需要一個(gè)合適的初始解，收斂的結(jié)果可能不準(zhǔn)確。同時(shí)，Qusio-Newton方法作為主定位算法被利用在基于約束總最小二乘(CTLS)算法中。

現(xiàn)有技術(shù)中還有嘗試應(yīng)用拉格朗日方法來解決定位問題，將約束方程轉(zhuǎn)化為一個(gè)或兩個(gè)拉格朗日乘子，將包含n個(gè)變量和k個(gè)約束條件的約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為包含(n+k)個(gè)變量的無約束優(yōu)化問題；雙迭代算法通過固定位置或速度迭代計(jì)算源的速度或位置，其定位精度依賴于初始估計(jì)；迭代約束加權(quán)最小二乘(ICWLS)將定位問題轉(zhuǎn)化為約束加權(quán)最小二乘(CWLS)問題，但由于其非凸特性，很難獲得全局最優(yōu)解。同時(shí)，為提高定位精度，半定規(guī)劃算法(SDP)被應(yīng)用進(jìn)來，首先定位問題將被轉(zhuǎn)化為最大似然估計(jì)(MLE)問題或CWLS問題，然后利用半定松弛(SDR)方法將MLE和CWLS問題轉(zhuǎn)化為SDP問題。SDP雖然具有較高的精度，但也需要很高的計(jì)算復(fù)雜度。

目前大多數(shù)的源定位算法是基于TDOA和FDOA測量值。但是FDOA測量值的采集需要一定的觀測時(shí)間，這會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)相對多普勒壓縮，因此，為了進(jìn)一步提高定位精度，在移動(dòng)源定位問題中必須考慮差分多普勒率測量值。Hu提出了一種利用TDOA、FDOA和差分多普勒率測量值的梯度定位算法。然而，在低信噪比(SNR)的情況下，其第二步的迭代過程會(huì)導(dǎo)致局部收斂甚至發(fā)散。此外，閉式解具有不依賴于初始估計(jì)和可接受的計(jì)算復(fù)雜度等優(yōu)點(diǎn)，一直是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。Liu等人提出了一種基于TDOA、FDOA和差分多普勒率的閉式算法，其靈感來自于WLS的基本思想，通過引入三個(gè)冗余變量將定位方程進(jìn)行線性化，并利用最小二乘法得到信號源位置和速度的粗略估計(jì)；然后，利用冗余變量與信號源的關(guān)系，構(gòu)建一個(gè)新的WLS問題從而得到最終的估計(jì)結(jié)果。但是，Hu和Liu的算法都忽略了約束項(xiàng)對初始解精度的影響，在低信噪比的情況下，他們的算法難以獲得良好的初始值，從而影響最終解的精度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中移動(dòng)信號源定位效率低、精度差的缺陷，提供一種移動(dòng)信號源定位方法來解決上述問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種移動(dòng)信號源定位方法，包括以下步驟：

11)移動(dòng)信號源數(shù)據(jù)的獲取：通過信號接收傳感器對移動(dòng)信號源的信號進(jìn)行測量，獲取信號接收傳感器接收信號時(shí)產(chǎn)生的到達(dá)時(shí)差TDOA、到達(dá)頻差FDOA和差分多普勒速率；

12)移動(dòng)信號源的粗估計(jì)：通過引入冗余變量將測量方程線性化，利用拉格朗日乘子技術(shù)將約束應(yīng)用到代價(jià)函數(shù)上，對代價(jià)函數(shù)求解獲得移動(dòng)信號源的位置和速度的粗略估計(jì)；