[发明专利]一种基于到达时间差的近远场统一定位方法

说明书

本发明涉及一种基于到达时间差的近远场统一定位方法，通过使用更改的极坐标（MPR）表示形式重新表示目标位置，建立近远场统一的定位模型。根据转化后的定位模型，将近远场统一定位问题数学描述为非凸的约束优化问题，并通过凸松弛技术将其松弛为混合半正定/二阶锥规划问题，从而近似求解了该非凸约束优化问题。通过混合半正定/二阶锥规划问题的解，在近场时最终获得目标位置估计、在远场时获得目标方位角和俯仰角估计。本发明的优点是，不需已知目标处于近场或远场的先验信息，并且能够获得原非凸约束优化问题的近似全局最优解。

技术领域

本发明属于目标定位方法，具体涉及一种基于到达时间差的近远场统一定位方法。

背景技术

目标定位是对用户提供位置信息，这些信息对目标跟踪与导航、紧急安全以及国防安全等至关重要。

根据从目标到传感器阵列的距离远近可将定位问题分为近场定位和远场定位。在近场定位中，目标与传感器之间的距离与传感器基线的比值较小，目标信号到达传感器阵列时波阵面为曲面，从而可以获得唯一的目标位置估计。在远场环境中，目标与传感器阵列之间的距离与传感器基线比值较大，信号源信号到达传感器阵列的波阵面可以认为是平面，因而，唯一能够确定的有效信息只有目标发射信号的到达方向角 (Direction ofArrival, DOA)。由于近场和远场目标信号到达传感器阵列的信号形式不同，近场和远场目标定位需采用不同的测量模型，因此对近场和远场目标的定位通常也需采用不同的方法。然而，在很多非合作目标定位中，目标处于近场或远场的先验信息并不已知。若采用错误的模型实施定位将造成巨大的定位误差。

为解决近远场定位中模型不匹配的问题，本文提出一种基于到达时间差（TDOA）的近远场统一定位方法，即在不需要已知近远场先验信息的条件，采用近远场统一的定位模型，实施近远场统一的定位方法，在目标处于近场时给出目标的具体位置估计，而在目标处于远场时给出DOA估计。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种基于到达时间差的近远场统一定位方法，通过建立近远场统一的定位模型，建立关于目标位置参数的优化问题，并采用半正定松弛技术，获得该优化问题的近似最优解。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于到达时间差的近远场统一定位方法，包括以下步骤：

S1:在无线传感器网络中建立一个平面坐标系或空间坐标系作为参考坐标系；设定无线传感器网络中存在一个用于发射测量信号的目标源和 个用于接收测量信号的传感器，且设定个传感器的时钟同步；设第0个传感器为参考传感器，并将其在参考坐标系中的坐标位置记为，将其余个传感器在参考坐标系中的坐标位置对应记为，将目标源在参考坐标系中的坐标位置记为；

S2:将测得目标源与第个传感器和目标源与参考传感器之间的到达时间差测量值记为；计算与第个传感器和目标源与参考传感器之间的距离差测量值，；

S3:将测量的距离差测量值以模型方式进行描述，将的模型表示为：；将所有距离差测量值和噪声分别写成向量形式，，；假设服从均值为0，协方差矩阵为Q的高斯分布；通过模型变换，将转化为；将目标位置表示为，将代入中，可得；

S4:根据，可得如下约束优化问题：

其中min表示“最小化”， 表示“受约束于”， ，，，

；

S5:令，上述问题可以等价转化为：

其中，，；

S6:将上述优化问题松弛为所示凸的混合半正定/二阶锥规划问题：;