一种基于TDOA的快速定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于TDOA的快速定位方法，其主要目的在于解决被测目标在近距、远距多场景下依靠多个信号接收器探测的时间差进行位置求解的问题。本发明专利技术的主要步骤包括：坐标与距离方程的建立、中心距离的求解、目标坐标的求解、建立距离约束和球面关系约束，求解目标坐标的修正解。本发明专利技术可以解决水下航行器被动式探测、定位问题，也可用于无线电定位、超声波定位、室内定位等其他基于TDOA的定位问题。相比于目前普遍采用的Chan算法，解决了近距、远距算法不统一，存在模糊解的问题，精度和稳定性均得到进一步提高。比较于Taylor算法，无需外部初值和递归运算，大大减小运算量，而精度和稳定性不变。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及空间被动定位等应用，尤其是水下导航定位领域，具体地说是涉及一种基于TDOA的快速定位方法。
技术介绍
卫星导航和惯性导航日益成为民用和军用领域的主要导航方式，而卫星导航和惯性导航的局限性也促使越来越多的其他方式的导航技术不断发展。比如水下航行器由于高度隐蔽的特点，不能主动定位，卫星导航没法在水下进行，惯性导航长时间工作会带来误差积累，因此需要一种可靠的，精确的水下导航系统提供水下坐标的定位。基本TDOA(到达时间差)的定位技术是利用声源信号到达各接收器的时间差，计算出声源位置的一种导航方法。由于只需要被动地接收声源信号，计算过程在接收端完成，加上水下声信号传播的高效性，因此十分适合航行器的空间定位和探测。该定位方法从最早的无线电导航，罗兰—C系统，到如今日益发展的室内导航系统在原理上都是如此，都需要解决非线性方程组的求解问题。该领域中，最广为人知的是Chan算法，该算法分为两种情况对远距和近距分别提供了计算方案，且会出现模糊解的情况。Taylor算法是目前最精准的算法，但依赖一个初始值进行迭代，计算量大，一旦初始值误差较大，会出现发散的现象。针对目前主流算法的不足，本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于TDOA的快速定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据已知的各接收器采集的信号yi(t)，i＝0,1,2,3…N，信号传播速度c，各接收器时延协方差矩阵Q，各接收器布放坐标(xi,yi,zi)，i＝0,1,2,3…N，获取由目标位置(x,y,z)发出的声源信号；步骤2：建立关于目标位置的方程组；步骤3：对步骤2中的方程组进行消元，变化求取仅包含未知量中心距离r0的方程组；步骤4：计算中心距离r0；步骤5：根据步骤4得到的中心距离r0计算目标位置粗估计；步骤6：利用步骤4、5计算出的中心距离r0和目标位置粗估计坐标建立包含约束方程的方程组；步骤7：根据步骤6的包含约束方程的方程组...

【技术特征摘要】
1.一种基于TDOA的快速定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据已知的各接收器采集的信号yi(t)，i＝0,1,2,3…N，信号传播速度c，各接收器时延协方差矩阵Q，各接收器布放坐标(xi,yi,zi)，i＝0,1,2,3…N，获取由目标位置(x,y,z)发出的声源信号；步骤2：建立关于目标位置的方程组；步骤3：对步骤2中的方程组进行消元，变化求取仅包含未知量中心距离r0的方程组；步骤4：计算中心距离r0；步骤5：根据步骤4得到的中心距离r0计算目标位置粗估计；步骤6：利用步骤4、5计算出的中心距离r0和目标位置粗估计坐标建立包含约束方程的方程组；步骤7：根据步骤6的包含约束方程的方程组，重新计算得到更新的目标位置。2.根据权利要求1所述的基于TDOA的快速定位方法，其特征在于，所述步骤1具体为：将待测目标作为声源发出声信号x(t)，各接收器接收到N+1个信号，记为yi(t)，i＝0,1,2,3…N表示各接收器的编号，其中0号接收器为参考接收器；将其他各接收器的信号yi(t)，i＝1,2,3…N与参考接收器的信号y0(t)作相关运算，得到N个互相关函数Ri0(τ)，i＝1,2,3…N；对Ri0(τ)进行峰值监测，结合先验知识排除模糊峰干扰，得到各接收器相对于参考接收器接收信号x(t)的时间差τi0，i＝1,2,3…N；进一步可以得到距离差ri0＝cτi0，i＝1,2,3…N。3.根据权利要求1所述的基于TDOA的快速定位方法，其特征在于，所述步骤2具体为：根据空间几何的位置关系，得到关于目标位置的方程组：其中，是目标到参考接收器的距离，即为中心距离；是误差；Ki＝xi2+yi2+zi2，i＝0,1,2,3…N；将上式写成矩阵形式： G a x y z r 0 = h a + Φ ]]>其中，所述步骤3具体为：对所述关于目标位置的方程组进行消元，消去x,y,z，得到以下形式的方程组： 1 0 0 k 1 0 1 0 k 2 0 0 1 k 3 0 0 0 k 4 0 0 0 k 5 . . . . . . . . . . . . 0 0 0 k N x y z r 0 = ha ′ + Φ ′ ]]>其中ha′，Φ′，ki，i＝1,2,3…N由矩阵行变换得到；具体计算公式为： ha ′ = ha 1 ( 3 × 1 ) ′ ha 2 ( ( N - 3 ) × 1 ) ′ , { ha 1 ′ = A - 1 · ha 1 ha 2 ′ = ha 2 - B · ha 1 ′ , h a = ha 1 ( 3 × 1 ) ha 2 ( ( N - 3 ) × 1 ) , ]]> Φ ′ = Φ 1 ( 3 × 1 ) ′ Φ 2 ( ( N - 3 ) × 1 ) ′ , { Φ 1 ′ = A - 1 · Φ 1 Φ 2 ′ = Φ 2 - B · Φ 1 ′ , Φ = Φ 1 ( 3 × 1 ) Φ 2 ( ( ...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晓苏，金博楠，姚逸卿，童金武，吴梅，闫琳宇，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32