一种非同步无线网络中的稳健最小二乘定位方法技术

本发明专利技术公开了一种非同步无线网络中的稳健最小二乘定位方法，其先获取未知目标源发射的测量信号经传播到达传感器网络中各个传感器再经中转处理后转发返回到未知目标源时的基于往返到达时间的测量信号等效传输距离测量值；然后根据每个传感器对应的测量信号等效传输距离测量值，获取每个传感器相对应的等效距离测量模型；接着根据重新描述后的距离测量模型建立稳健最小二乘问题；之后通过引入优化变量及利用二阶锥松弛技术，将稳健最小二乘问题松弛为二阶锥规划问题；最后利用内点法技术对二阶锥规划问题求解，得到未知目标源的坐标估计值；优点是能够有效地抑制时钟漂移与中转时间对定位精度的影响，定位精度高，并且有较高的高精度定位稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种目标定位方法，尤其是涉及一种非同步无线网络中的稳健最小二乘定位方法。
技术介绍
目标定位在军事领域诸如精确军事打击中有着不可或缺的作用，现代社会移动互联时代随着基于位置的服务等商业化市场应用的巨大发展，也使高效精确的目标定位研究获得越来越多的关注；同时，目标定位技术在军事侦察、交通监视、家庭自动化、工农业控制、生物医疗、抢险救灾等领域都有广阔的应用前景，因此，研究目标定位方法具有十分重要的意义。而作为GPS等定位系统的良好补充，无线网络中的目标定位是一个经典的研究课题。在目标定位中，基于到达时间的测量值的定位方法占了很大一部分，然而，这种定位方法实现目标定位的前提是假定整个定位网络在时间上完全同步，没有考虑定位网络的非同步性对定位效果的影响，而实际上，由于硬件条件等各种因素，实际网络通常是非同步的，或者说，不可能完全同步，因此这种定位方法难以应用于实际网络。现有的其他常用基于到达时间定位方法也要求精确已知网络的初始传输时间，但这种要求比较难实现或者说代价比较大。为解决基于到达时间的测量值的定位方法存在的技术问题，非同步无线网络中的定位方法应运而生。在非同步无线网络中的定位方法中，由于传感器时钟存在时钟偏差和时钟漂移，因此在完全未知时钟偏差与时钟漂移的情况下将它们与目标位置联合估计的问题是难以求解的。为了克服这个问题，人们提出了一些方案，比较主流的有：一种是基于到达时间差(TDOA)的定位；另一种是基于往返到达时间(TW-TOA)的定位，图1给出了典型的基于往返到达时间(TW-TOA)的定位环境的示意图。在基于到达时间差的定位方法中，时钟偏差被移除，最终只需对时钟漂移和目标位置进行联合估计，但需要注意的是，这种方法仍然需要定位网络中的传感器在时间上同步；在基于往返到达时间的定位方法中，它不需要定位网络中的任何节点间同步，但需要考虑的是测量中的中转时间对定位结果的影响，如有学者提出的总可行域方法与最小二乘方法，这两种方法都首先对中转时间进行估计，最终通过对时钟漂移和目标源位置的联合估计求得目标位置估计值，但其中对中转时间估计的误差会对定位的性能产生较大的影响。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种非同步无线网络中的稳健最小二乘定位方法，其定位基于往返到达时间，且定位精度高。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种非同步无线网络中的稳健最小二乘定位方法，其特征在于包括以下步骤：①在非同步无线网络环境中建立一个二维坐标系或三维坐标系作为参考坐标系，并假设在非同步无线网络环境中存在一个未知目标源和N个位置已知的传感器，且未知目标源在参考坐标系中的坐标为x，N个传感器在参考坐标系中的坐标对应为s1,s2,...,sN，其中，N≥n+1，n表示参考坐标系的维数，s1表示第1个传感器在参考坐标系中的坐标，s2表示第2个传感器在参考坐标系中的坐标，sN表示第N个传感器在参考坐标系中的坐标；②在非同步无线网络环境中，由未知目标源发射测量信号，测量信号经传播到达每个传感器再经中转处理后转发返回到未知目标源，首先确定未知目标源发射的测量信号经传播到达每个传感器再经中转处理后转发返回到未知目标源时的时间点与未知目标源发射测量信号时的时间点的时间差，未知目标源发射的测量信号经传播到达第i个传感器再经中转处理后转发返回到未知目标源时的时间点与未知目标源发射测量信号时的时间点的时间差为2ti，单位为秒，则其中，1≤i≤N，w表示未知目标源的时钟漂移，si表示第i个传感器在参考坐标系中的坐标，c为光速，Ti表示第i个传感器中转处理未知目标源发射的测量信号所需的中转时间，表示未知目标源发射的测量信号经传播到达第i个传感器再经中转处理后转发返回到未知目标源的整条传输路径上的方差为的高斯分布噪声，符号“‖‖”为欧几里德2范数；然后计算未知目标源发射的测量信号经传播到达每个传感器再经中转处理后转发返回到未知目标源时的基于往返到达时间的测量信号等效传输距离测量值，未知目标源发射的测量信号经传播到达第i个传感器再经中转处理后转发返回到未知目标源时的基于往返到达时间的测量信号等效传输距离测量值为2di，单位为米，则di=c×ti=c×(w×(||x-si||c+Ti2)+n~i2)=w(||x-si||+dTi2)+ni2,]]>其中，dTi=c×Ti,]]>表示Ti对di的影响，ni表示di中的噪声，ni服从高斯分布，且ni的方差为σi2=c2×σ~i2.]]>③获取每个传感器相对应的距离测量模型，对于第i个传感器，其相对应的距离测量模型的获取过程为：令w＝1+δ，且要求δ满足条件|δ|≤δmax＜＜1，并确定的取值范围为然后联合和w＝1+δ，得到di=(||x-si||+dTi2)+δ(||x-si||+dTi2)+ni2,]]>再联合di=(||x-si||+dTi2)+δ(||x-si||+dTi2)+ni2]]>和w＝1+δ，得到接着根据δ(||x-si||+dTi2)=δ(di1+δ-ni2(1+δ))]]>和|δ|≤δmax＜＜1，得到δ(||x-si||+dTi2)=δ(di1+δ-ni2(1+δ))≈δ(di-ni2),]]>再假设|ni2|<<di,]]>则根据δ(||x-si||+dTi2)≈δ(di-ni2)]]>和，得到δ(||x-si||+dTi2)≈δdi;]]>之后联合di=(||x-si||+dTi2)+δ(||x-si||+dTi2)+ni2]]>和δ(||x-si||+dTi2)≈δdi,]]>得到di≈(||x-si||+dTi2)+δdi+ni2,]]>再对di≈(||x-si||+dTi2)+δdi+ni2]]>的约等号两边减去的中值得到di-ai+bi4≈||x-si||+dTi2-ai+bi4+δdi+ni2;]]>最后令d^i=di-ai+bi4,]]>并令ei=dTi2-ai+bi4+δdi,]]>将di-ai+bi4≈||x-si||+dTi2-ai+bi4+δdi+ni2]]>简化为并将作为第i个传感器相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非同步无线网络中的稳健最小二乘定位方法，其特征在于包括以下步骤：①在非同步无线网络环境中建立一个二维坐标系或三维坐标系作为参考坐标系，并假设在非同步无线网络环境中存在一个未知目标源和N个位置已知的传感器，且未知目标源在参考坐标系中的坐标为x，N个传感器在参考坐标系中的坐标对应为s1,s2,...,sN，其中，N≥n+1，n表示参考坐标系的维数，s1表示第1个传感器在参考坐标系中的坐标，s2表示第2个传感器在参考坐标系中的坐标，sN表示第N个传感器在参考坐标系中的坐标；②在非同步无线网络环境中，由未知目标源发射测量信号，测量信号经传播到达每个传感器再经中转处理后转发返回到未知目标源，首先确定未知目标源发射的测量信号经传播到达每个传感器再经中转处理后转发返回到未知目标源时的时间点与未知目标源发射测量信号时的时间点的时间差，未知目标源发射的测量信号经传播到达第i个传感器再经中转处理后转发返回到未知目标源时的时间点与未知目标源发射测量信号时的时间点的时间差为2ti，单位为秒，则其中，1≤i≤N，w表示未知目标源的时钟漂移，si表示第i个传感器在参考坐标系中的坐标，c为光速，Ti表示第i个传感器中转处理未知目标源发射的测量信号所需的中转时间，表示未知目标源发射的测量信号经传播到达第i个传感器再经中转处理后转发返回到未知目标源的整条传输路径上的方差为的高斯分布噪声，符号“||||”为欧几里德2范数；然后计算未知目标源发射的测量信号经传播到达每个传感器再经中转处理后转发返回到未知目标源时的基于往返到达时间的测量信号等效传输距离测量值，未知目标源发射的测量信号经传播到达第i个传感器再经中转处理后转发返回到未知目标源时的基于往返到达时间的测量信号等效传输距离测量值为2di，单位为米，则di=c×ti=c×(w×(||x-si||c+Ti2)+n~i2)=w(||x-si||+dTi2)+ni2,]]>其中，dTi=c×Ti,]]>表示Ti对di的影响，ni表示di中的噪声，ni服从高斯分布，且ni的方差为σi2=c2×σ~i2.]]>③获取每个传感器相对应的距离测量模型，对于第i个传感器，其相对应的距离测量模型的获取过程为：令w＝1+δ，且要求δ满足条件|δ|≤δmax＜＜1，并确定的取值范围为然后联合di=w(||x-si||+dTi2)+ni2]]>和w＝1+δ，得到di=(||x-si||+dTi2)+δ(||x-si||+dTi2)+ni2,]]>再联合di=(||x-si||+dTi2)+δ(||x-si||+dTi2)+ni2]]>和w＝1+δ，得到δ(||x-si||+dTi2)=δ(di1+δ-ni2(1+δ));]]>接着根据δ(||x-si||+dTi2)=δ(di1+δ-ni2(1+δ))]]>和|δ|≤δmax＜＜1，得到δ(||x-si||+dTi2)=δ(di1+δ-ni2(1+δ))≈δ(di-ni2),]]>再假设则根据δ(||x-si||+dTi2)≈δ(di-ni2)]]>和得到δ(||x-si||+dTi2)≈δdi;]]>之后联合di=(||x-si||+dTi2)+δ(||x-si||+dTi2)+ni2]]>和δ(||x-si||+dTi2)≈δdi,]]>得到di≈(||x-si||+dTi2)+δdi+ni2,]]>再对di≈(||x-si||+dTi2)+δdi+ni2]]>的约等号两边减去的中值得到di-ai+bi4≈||x-si||+dTi2-ai+bi4+δdi+ni2;]]>最后令d^i=di-ai+bi4,]]>并令ei=dTi2-ai+bi4+δdi,]]>将di-ai+bi4≈||x-si||+dTi2-ai+bi4+δdi+ni2]]>简化为并将作为第i个传感器相对应的距离测量模型；其中，δ表示未知目标源相对标准时钟的时钟漂移量，符号“||”为取绝对值符号，符号“＜＜”为远小于符号，δmax表示未知目标源相对标准时钟的时钟漂移量的最大值，ai和bi对应表示取值的上界和下界，|ei|≤ρi,ρi=bi-ai4+δmax×di;]]>④对每个传感器相对应的距离测量模型进行重新描述，对于第...

【技术特征摘要】
1.一种非同步无线网络中的稳健最小二乘定位方法，其特征在于包括以下步骤：
①在非同步无线网络环境中建立一个二维坐标系或三维坐标系作为参考坐标系，并
假设在非同步无线网络环境中存在一个未知目标源和N个位置已知的传感器，且未知目
标源在参考坐标系中的坐标为x，N个传感器在参考坐标系中的坐标对应为s1,s2,...,sN，
其中，N≥n+1，n表示参考坐标系的维数，s1表示第1个传感器在参考坐标系中的坐
标，s2表示第2个传感器在参考坐标系中的坐标，sN表示第N个传感器在参考坐标系
中的坐标；
②在非同步无线网络环境中，由未知目标源发射测量信号，测量信号经传播到达每
个传感器再经中转处理后转发返回到未知目标源，首先确定未知目标源发射的测量信号
经传播到达每个传感器再经中转处理后转发返回到未知目标源时的时间点与未知目标
源发射测量信号时的时间点的时间差，未知目标源发射的测量信号经传播到达第i个传
感器再经中转处理后转发返回到未知目标源时的时间点与未知目标源发射测量信号时
的时间点的时间差为2ti，单位为秒，则其中，1≤i≤N，w表
示未知目标源的时钟漂移，si表示第i个传感器在参考坐标系中的坐标，c为光速，Ti表
示第i个传感器中转处理未知目标源发射的测量信号所需的中转时间，表示未知目标
源发射的测量信号经传播到达第i个传感器再经中转处理后转发返回到未知目标源的整
条传输路径上的方差为的高斯分布噪声，符号“||||”为欧几里德2范数；然后计算未
知目标源发射的测量信号经传播到达每个传感器再经中转处理后转发返回到未知目标
源时的基于往返到达时间的测量信号等效传输距离测量值，未知目标源发射的测量信号
经传播到达第i个传感器再经中转处理后转发返回到未知目标源时的基于往返到达时间
的测量信号等效传输距离测量值为2di，单位为米，则
di=c×ti=c×(w×(||x-si||c+Ti2)+n~i2)=w(||x-si||+dTi2)+ni2,]]>其中，dTi=c×Ti,]]>表示
Ti对di的影响，ni表示di中的噪声，ni服从高斯分布，且ni的方差为σi2=c2×σ~i2.]]>③获取每个传感器相对应的距离测量模型，对于第i个传感器，其相对应的距离测
量模型的获取过程为：令w＝1+δ，且要求δ满足条件|δ|≤δmax＜＜1，并确定的取值范
围为然后联合di=w(||x-si||+dTi2)+ni2]]>和w＝1+δ，得到
di=(||x-si||+dTi2)+δ(||x-si||+dTi2)+ni2,]]>再联合di=(||x-si||+dTi2)+δ(||x-si||+dTi2)+ni2]]>和w＝1+δ，得到δ(||x-si||+dTi2)=δ(di1+δ-ni2(1+δ));]]...

【专利技术属性】
技术研发人员：王刚，高尚超，张圣金，李有明，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33