[发明专利]一种时钟偏差和时钟漂移条件下的运动目标定位方法

说明书

本发明公开了一种时钟偏差和时钟漂移条件下的运动目标定位方法，其构建包含源节点的位置和速度、时钟偏差和时钟漂移四个未知量的加权最小二乘WLS问题，然后采用半正定松弛方法将非凸的加权最小二乘WLS问题转化为凸的半正定规划问题，再利用内点法求解凸的半正定规划问题，以得到全局最优解；优点是其在时钟偏差和时钟漂移同时存在且未知的情况下，从加权最小二乘估计模型估计理论和凸优化理论的角度出发，在实现源节点的位置和速度估计的同时，实现时钟偏差和时钟漂移的联合估计，且定位精度高、计算复杂度低，适用于复杂部署环境。

技术领域

本发明涉及一种目标定位技术，尤其是涉及一种时钟偏差和时钟漂移条件下的运动目标定位方法。

背景技术

近年来，随着无线传感器网络技术的快速发展，其目标定位技术在军事、工业和民用领域得到了广泛的应用。现有的目标定位技术中，根据信号测量方式的不同，可以分为到达时间(time-of-arrival，TOA)、到达频率(frequency-of-arrival，FOA)、到达时间差(time-difference-of-arrival，TDOA)、到达频率差(frequency-difference-of-arrival，FDOA)、到达角度(angle-of-arrival，AOA)和接收信号强度(received-signal-strength，RSS)等。一般来看，基于TOA的目标定位方法和基于TDOA的目标定位方法能够达到较高的定位精度。如果定位目标与传感器节点之间存在相对运动，则可以通过引入FOA或者FDOA的观测信号，能够在估计定位目标运动速度的基础上，进一步提升定位目标的定位精度。

在无线传感器网络中，源节点(即定位目标)和传感器节点之间时钟的精确同步是进行基于TOA的目标定位的必要条件，这也是基于TOA的目标定位实用化过程中遇到的挑战之一。在使用无线电波作为载体进行定位时，10纳秒的时钟偏差将会带来3米的误差(无线电波在空气中的传播速度为3×10⁸m/s)。在文献“Second-order cone relaxation forTOA-based source localization with unknown start transmission time(未知起始传输时间条件下的二阶锥松弛TOA定位方法)”(IEEE Trans.Veh.Technol.,vol.63,no.6,pp.2973-2977,2014)中，Wang等作者提出了一种联合估计时钟偏差和源节点位置的二阶锥松弛方法，实验结果表明，该方法比现有的最小-最大算法(min-max algorithm，MMA)具有更好的估计性能，然而，该方法仅针对源节点和传感器节点是静态的应用场景。对于定位目标与传感器节点之间存在相对运动的定位场景，在文献“Passive source localizationusing importance sampling based on TOA and FOA measurements(基于TOA和FOA观测信号的重要性采样无源定位方法)”(Frontiers of Information TechnologyElectronicEngineering,vol.18,no.8,pp.1167-1179,2017)中，Liu等作者提出了一种基于TOA和FOA观测信号的蒙特卡罗重要性采样(Monte Carlo Importance Sampling)定位方法，该方法能够同时估计源节点的位置和速度，同时在低噪声区间达到克拉美-罗界(Cramer-Raolower bound，CRLB)，但是该方法并未考虑时钟的同步问题。在已公告的中国发明专利“抑制传感器位置速度先验误差的加权多维标度TOA和FOA多源协同定位方法”(专利号：ZL202010335968.5)中，王鼎等人提出了一种抑制传感器位置速度先验误差的加权多维标度TOA和FOA多源协同定位方法，该方法利用线性最小二乘(Linear Least Squares，LLS)估计优化模型获得各个辐射源的位置向量和速度向量的估计值，虽然该方法考虑了多个源节点的定位问题，但是同样存在未考虑时钟同步的缺陷。综合现有的文献来看，利用TOA和FOA观测信号进行源节点的位置和速度估计时，对于同时存在时钟偏差和时钟漂移的场景，尚未有可行的解决方案。

发明内容