[发明专利]基于到达时间差和到达频率差的移动目标定位方法

摘要

本发明公开了一种基于到达时间差和到达频率差的移动目标定位方法，其设定存在1个用于发射信号的移动目标、1个用于接收信号且作为参考传感器的移动传感器、多个仅用于接收信号的移动传感器；然后计算移动目标到每个仅用于接收信号的移动传感器的传输距离与移动目标到参考传感器的传输距离的距离差及距离差变化率；接着计算移动目标的位置和速度的初始值；之后确定移动目标的定位问题，进而求解得到移动目标的位置的精确估计值；最后利用位置的精确估计值对移动目标的速度的估计值进行优化，得到速度的精确估计值；优点是能够对移动目标的位置和速度进行精确估计，且计算复杂度低、运行时间短。

主权项

1.一种基于到达时间差和到达频率差的移动目标定位方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：在无线传感器网络环境中建立一个平面坐标系作为参考坐标系，并设定无线传感器网络环境中存在1个用于发射信号的移动目标、1个用于接收信号且作为参考传感器的移动传感器、N个仅用于接收信号的移动传感器；将移动目标在参考坐标系中的坐标位置记为x，将移动目标在参考坐标系中的移动速度记为将参考传感器在参考坐标系中的坐标位置记为s₀，将参考传感器在参考坐标系中的移动速度记为将N个移动传感器在参考坐标系中的坐标位置对应记为s₁,...,s_N，将N个移动传感器在参考坐标系中的移动速度对应记为其中，N≥3，s₁表示第1个移动传感器在参考坐标系中的坐标位置，s_N表示第N个移动传感器在参考坐标系中的坐标位置，表示第1个移动传感器在参考坐标系中的移动速度，表示第N个移动传感器在参考坐标系中的移动速度；步骤二：在无线传感器网络环境中，移动目标发射出的信号由参考传感器及N个仅用于接收信号的移动传感器接收；首先，测量移动目标发射出的信号到达参考传感器的传输时间以及移动目标发射出的信号到达N个移动传感器的传输时间；计算移动目标发射出的信号到达每个移动传感器的传输时间与移动目标发射出的信号到达参考传感器的传输时间的时间差，将移动目标发射出的信号到达第i个移动传感器的传输时间与移动目标发射出的信号到达参考传感器的传输时间的时间差记为t_i；其次，测量每个移动传感器接收到的信号的多普勒频率以及参考传感器接收到的信号的多普勒频率；计算每个移动传感器接收到的信号的多普勒频率与参考传感器接收到的信号的多普勒频率的频率差，将第i个移动传感器接收到的信号的多普勒频率与参考传感器接收到的信号的多普勒频率的频率差记为f_i；最后，计算移动目标发射出的信号到达每个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差，将移动目标发射出的信号到达第i个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差记为d_i，d_i＝c×t_i；计算移动目标发射出的信号到达每个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差变化率，将移动目标发射出的信号到达第i个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差变化率记为其中，i为正整数，1≤i≤N，c表示光速，f₀表示载波的频率；步骤三：计算x和各自的初始值，对应记为和其中，上标“T”为转置符号，(A^TW₀A)^‑1表示(A^TW₀A)的逆，r₀和均为引入的中间变量，r₀和均为一个数值，r₀＝||x‑s₀||，a₁＝[(s₁‑s₀)^T 0_1×k d₁ 0]，a_i＝[(s_i‑s₀)^T 0_1×k d_i 0]，a_N＝[(s_N‑s₀)^T 0_1×k d_N 0]，0_1×k表示元素值全为0的维数为1×k的行向量，k为正整数，k≥2，d₁表示移动目标发射出的信号到达第1个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差，s_i表示第i个移动传感器在参考坐标系中的坐标位置，d_N表示移动目标发射出的信号到第N个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到参考传感器接收到信号的信号传输距离的距离差，表示移动目标发射出的信号到达第1个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差变化率，表示第i个移动传感器在参考坐标系中的移动速度，表示移动目标发射出的信号到达到第N个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差变化率，为Q_α的逆，Q_α＝diag(Q_t,Q_f)，diag(Q_t,Q_f)表示Q_t和Q_f为对角线元素，Q_t表示到达时间差的测量噪声的协方差矩阵，Q_f表示到达频率差的测量噪声的协方差矩阵，符号“|| ||”为求欧几里德范数符号；步骤四：确定移动目标的定位问题，描述为：约束条件为y₂^TEy₂‑2e^Ty₂+||s₀||²＝0，移动目标的定位问题实质为一加权最小二乘问题；其中，表示使(Gy₂‑h)^TW^‑1(Gy₂‑h)最小化，W^‑1表示W的逆，g₁＝[(s₁‑s₀)^T 0_1×k d₁]，g_i＝[(s_i‑s₀)^T 0_1×k d_i]，g_N＝[(s_N‑s₀)^T 0_1×k d_N]，W＝BQ_αB，0_N×N表示元素值全为0的维数为N×N的方阵，B₁＝diag(r₁,...,r_N)，diag(r₁,...,r_N)表示r₁,...,r_N为对角线元素，表示为对角线元素，r₁、r_N、均为引入的中间变量，r₁、r_N、均为一个数值，r₁＝||x‑s₁||，r_N＝||x‑s_N||，I_k表示维数为k×k的单位矩阵，0_k×1表示元素值全为0的维数为k×1的列向量，0_k×k表示元素值全为0的维数为k×k的方阵，e＝[s₀^T,0_1×k,0]^T；步骤五：利用二分法求解移动目标的定位问题，求解得到x的最终估计值和的估计值，对应记为和步骤六：对进行更新优化，得到的最终估计值，记为其中，表示Q_f的逆，表示的逆，