一种基于多信标到达时间差改进型定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于到达时间差的新型被动目标定位方法，尤其涉及一种基于多 信标到达时间差改进型定位方法。
【背景技术】
[0002] 基于被动目标到达传感器的时间差能够有效确定目标位置，它是被动目标探测系 统测定目标位置的关键技术之一。其基本原理是通过对多个传感器进行合理的空间布局， 以接收目标发出的信号进行分析，计算出各传感器相对于信标节点的时间差来确定目标的 方位和距离。基于到达时间差目标定位方法问题的实质是在获取目标到达不同传感器的时 间差数据之后，通过求取一组非线性方程得到目标位置，具有很大的挑战性。
[0003] 传统求解该非线性方程组的一种方法是通过泰勒级数展开法在局部邻域进行线 性化，并通过迭代方式求解。该方法的缺陷是算法精度依赖于目标的初始位置估计，其解的 收敛性不能得到保证，同时该算法的计算量偏大（相比于闭式算法）。相对于迭代算法，另 一种算法是闭式算法。通过将非线性方程组转化为一类带测量误差的伪线性方程，并利用 最小均方误差估计、最小二乘等算法使定位误差达到最小。该类算法典型的代表是Chan算 法，该算法具有算法计算量小、无需迭代计算、简单准确等优点，但该方法存在定位模糊的 缺点，即用Chan算法求解非线性方程组存在双解或无解的可能。
[0004] 经相关研究发现，Chan算法解的模糊性可以通过以下方法来解决：（1)增加目标 测向、能量、多普勒频率差等辅助信息；（2)增加空间中传感器的数量；(3)增加定位系统的 信标数等方法。其中第三种方法不仅能够消除Chan算法解的模糊性，而且还能提高目标定 位精度，因此该类方法对提高时差定位系统的工作效能具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于多信标到达时间差改进型 定位方法。
[0006] 为了实现上述的目的，本发明采取如下技术方案：一种基于多信标到达时间差改 进型定位方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤（1)从多信标到达时间差定位场景中获取传感器的位置信息；
[0008] 步骤（2)将目标位置和多个信标与目标之间的距离看成未知量，根据多信标到达 时间差的非线性测量方程组推导相应的伪线性方程组；
[0009] 步骤（3)根据加权最小二乘算法，估计目标位置和多个信标与目标之间的距离； [0010] 步骤（4)根据目标位置与多个信标、目标之间距离的耦合关系，对目标位置估计 进行更新。
[0011] 所述步骤（1)中，所述传感器的位置信息指传感器的平面坐标，并可推广至三维 坐标；假设定位系统由N个普通传感器和Μ个参考传感器组成，其中第η个普通传感器位于 (xn, yn)，η = 1，2,…，Ν，第m个参考传感器的位置坐标为（xb,m，yb, m)，m = 1，2,…，Μ。
[0012] 步骤⑵具体为，假设目标位置为（xs，ys)，目标到第η个普通传感器和第m个参 考传感器的距离记为九和d 设目标信号的传播速度为c，目标信号到第η个普通传感器 和第m个参考传感器的时间差为τηηι，其中τηηι= (dn-db,m)/c;第η个普通传感器和第m个 参考传感器的距离差记为dnm，dnm= dn_dbim;将目标位置（xs，ys)和所有信标与目标之间的 距离dM，dM，…，db，M看成未知量，经推导，得到多个信标到达时间差的伪线性方程组：
[0017] z = [xs，ys，dM，…，db,M] T是待估计向量，I + ，dnn= d n_db,n是第 η 个 普通传感器和第m个参考传感器的距离差，ξηηι是观测噪声，δ =cB|+0.5c2| Θ ξ，Β = diag {dj, ···, dN, ···, dj, ···, dN} , ζ - [ ζ n, .··，ζ ni, .··，€ im, ···，€ 丽]o
[0018] 所述步骤（3)具体为，对未知向量z采用加权最小二乘算法进行估计；于是有：
[0020] 其中Σ = Ε[ δ δ T] = C2BQB，Q是观测噪声的协方差阵。
[0021] 所述步骤（4)包括以下子步骤：
[0022] (A)在观测误差较小的条件下，可忽略位置估计偏差，因此￡是均值为z，协方差矩 阵为_'(幻=(0>2 W) 1的随机变量；将z中的元素表示为：
[0023] zl - X s+e" z2 - y s+e2, z3 - d b_!+e3, ···, zm+2 - db,m+em+2，...，zM+2 - db,M+eM+2，其中 ey"em+2(m = 1，…，M)是惫的估计误差；
[0024] ⑶将~和22分别减去xM，…，xb,，y M，…，yb,M，并作平方，可得另外一个方 程组：
[0030] (C)根据加权最小二乘算法，可得z'估计值：
[0034] (D)将第（C)步所得结果映射到最终的目标位置估计：
[0038] 本发明的有益效果是，能够提高针对多信标到达时间差的线性闭式被动目标定位 的精度。利用多个信标以及目标位置与多个信标和目标之间距离的耦合关系，增加定位信 息量，提尚定位精度。
【附图说明】
[0039] 图1是本发明基于多信标到达时间差改进型定位方法的流程图；
[0040] 图2是声源目标和传声器位置标定不意图；
[0041] 图3是不同信噪比下单信标与两信标-耦合目标位置估计均方误差比较结果；
[0042] 图4是不同信噪比下单信标、两信标-耦合、两信标-解耦合声源位置估计均方误 差比较结果。
【具体实施方式】：
[0043] 本发明专利使用多信标到达时间差和目标位置与多个信标和目标之间距离的耦 合关系实现目标定位。基于多信标到达时间差改进型定位方法的原理是：使用多个标定好 的传感器获取目标到达普通传感器和参考传感器时间差数据。将目标位置和多个信标与 目标之间的距离看成未知量，推导伪线性方程组并利用加权最小二乘算法求取目标位置估 计。然后利用目标位置和多个信标与目标之间距离的耦合关系，对目标位置估计进行更新。
[0044] 结合图1，本发明的基于多信标到达时间差改进型定位方法包括以下步骤：
[0045] 步骤1、从多信标到达时间差目标定位场景中获取传感器的位置信息，具体为：假 设定位系统由N个普通传感器和Μ个参考传感器组成，其中第η个普通传感器位于（xn，yn)， η = 1，2,…，N，第m个参考传感器的位置坐标为（x^，yb,J，m = 1，2,…，M，普通传感器和 参考传感器的位置可预先标定。
[0046] 步骤2、将目标位置和多个信标与目标之间的距离看成未知量，根据多信标到达 时间差的非线性测量方程组推导相应的伪线性方程组。具体为：假设目标位置为（xs，ys)， 目标到第η个普通传感器和第m个参考传感器的距离记为九和d 设目标信号的传播 速度为c，目标信号到第η个普通传感器和第m个参考传感器的时间差为τηηι，其中τηηι= (dn_db,m)/c。第η个普通传感器和第m个参考传感器的距离差记为d nm，dnm=dn_db,m。将目 标位置（xs，ys)和所有信