混合视距和非视距环境中基于到达时间的目标定位方法技术

本发明专利技术公开了一种混合视距和非视距环境中基于到达时间的目标定位方法，其根据目标节点与锚节点之间的链路类型建立不同的距离测量模型；通过两个不同的距离测量模型的近似表达式，并采用最坏情况下的鲁棒最小二乘方法，得到最小化问题，进而转化为目标函数；通过在目标函数中引入辅助变量，转化为非凸问题；利用凸松弛技术对非凸问题中的约束条件进行松弛，并引入权值和惩罚项，得到凸优化问题；对凸优化问题进行求解，得到目标节点的位置估计值；优点是其定位精度高。

Target location method based on time of arrival in mixed LOS and non Los environments

【技术实现步骤摘要】
混合视距和非视距环境中基于到达时间的目标定位方法
本专利技术涉及一种目标定位方法，尤其是涉及一种混合视距和非视距环境中基于到达时间的目标定位方法。
技术介绍
近年来，无线传感器网络中的目标定位技术在导航、通信和目标跟踪等领域中已得到了广泛应用。随着技术的发展与社会的进步，高精度的目标定位技术在各个领域展现出了广泛的应用前景。因此，对无线传感器网络中高精度的目标定位方法的研究十分有必要。根据接收信号的特征参数和应用环境的不同，人们提出了各种目标定位方法，分别有到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、到达角度(AOA)、接收信号强度(RSS)以及各种定位技术的混合定位等方法。这些传统的目标定位方法一般是假设信号源与传感器之间的传播是视距(LOS)传播，且视距链路分布已知，然而在复杂的城市或室内等恶劣的环境中常存在障碍物的阻碍，直接使用这些目标定位方法会导致定位精度非常低。因此，需要寻找一种适用于视距(LOS)和非视距(NLOS)环境的高性能目标定位方法。为了解决上述问题，人们提出了多种适用于视距(LOS)和非视距(NLOS)环境的目标定位方法。如：ZhangS提出了一种鲁棒二阶锥松弛(SOCP)方法，该方法对非视距误差不敏感，需要知道非视距误差的上限。又如：TomicS通过将定位问题转换为广义信任区域子问题(GTRS)框架，虽然问题仍然是非凸的，但是通过二分法可以解决这类问题，具有较低的复杂度。上述两种定位方法的复杂度都有一定程度的降低，但定位性能有较大损失。
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混合视距和非视距环境中基于到达时间的目标定位方法，其定位精度高。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种混合视距和非视距环境中基于到达时间的目标定位方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：设定无线传感器网络中存在一个未知的目标节点和N个已知的锚节点，并设定无线传感器网络中的视距链路和非视距链路的分布情况已知；为无线传感器网络建立一个平面坐标系作为参考坐标系，将目标节点在参考坐标系中的坐标位置记为x，将第i个锚节点在参考坐标系中的坐标位置记为si；其中，N为正整数，N≥3，i为正整数，i的初始值为1，1≤i≤N；步骤二：令ΩLOS表示无线传感器网络中的所有视距链路对应的锚节点的序号构成的集合，令ΩNLOS表示无线传感器网络中的所有非视距链路对应的锚节点的序号构成的集合；然后建立目标节点与每个锚节点之间的距离测量模型，如果目标节点与第i个锚节点之间为视距传播，即目标节点与第i个锚节点之间的链路为视距链路，则i∈ΩLOS，将目标节点与第i个锚节点之间的距离测量模型描述为：di＝||x-si||+ni；如果目标节点与第i个锚节点之间为非视距传播，即目标节点与第i个锚节点之间的链路为非视距链路，则i∈ΩNLOS，将目标节点与第i个锚节点之间的距离测量模型描述为：di＝||x-si||+bi+ni；其中，di表示目标节点与第i个锚节点之间的距离测量值，符号“||||”为范数符号，||x-si||表示目标节点与第i个锚节点之间的真实距离，ni表示服从均值为0且方差为σi2的高斯分布的测量噪声，bi表示目标节点与第i个锚节点之间的非视距链路中的非视距偏差，bi在[0,ρ]范围内服从均匀分布，ρ表示无线传感器网络中的非视距链路中的非视距误差最大值，在di＝||x-si||+bi+ni中bi＞＞ni且bi≤ρ；步骤三：对针对i∈ΩLOS时的等式di＝||x-si||+ni两边进行平方，得到并对针对i∈ΩNLOS时的等式di＝||x-si||+bi+ni两边进行平方，得到然后将针对i∈ΩLOS时的中的高阶项舍去，整理后得到ni的近似表达式为同样将针对i∈ΩNLOS时的中的高阶项舍去，整理后得到ni的近似表达式为再根据针对i∈ΩLOS时的和针对i∈ΩNLOS时的并采用最坏情况下的鲁棒最小二乘方法，得到最小化问题，描述为：其中，min()为最小值函数，max()为最大值函数；步骤四：针对i∈ΩNLOS时令f(bi)在[0,ρ]范围内单调递减；然后将转化为接着将转化为max(|f(0)|,|f(ρ)|)，进而将转化为目标函数，描述为：其中，f(bi)为引入的中间变量，符号“||”为取绝对值符号，f(0)表示取bi＝0时f(bi)的值，f(ρ)表示取bi＝ρ时f(bi)的值，步骤五：在目标函数中引入辅助变量t，将目标函数转化为然后在中引入辅助变量h和r，并令h中的第i个元素hi＝||x-si||2，r中的第i个元素ri＝||x-si||，将转化为非凸问题，描述为：接着利用凸松弛技术对非凸问题中的约束条件hi＝||x-si||2进行松弛，对应得到其中进而将非凸问题转化为其中，ti表示t中的第i个元素，“s.t.”表示“受约束于……”，为的转置，I2表示维数为2×2的单位矩阵，z为常数变量；步骤六：在中引入一组权值ω，转化为针对i∈ΩNLOS时根据di＝||x-si||+bi+ni、bi＞＞ni，且bi为正，得到然后根据hi＝||x-si||2和得到针对i∈ΩLOS时根据di＝||x-si||+ni，得到在ni＞0时成立，而在ni＜0时不成立；再在中引入惩罚项u，u中的第i个元素ui≥0，得到并根据和ui≥0，得到进而得到凸优化问题，描述为：其中，ωi表示ω中的第i个元素，步骤七：对凸优化问题进行求解，得到x的值。所述的步骤七中，使用CVX工具箱对凸优化问题进行求解。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1)本专利技术方法根据混合视距和非视距环境中的距离测量模型，采用最坏情况下的鲁棒最小二乘方法建立一个最小化的定位问题，并将这个非凸的定位问题转化为凸的定位问题即凸优化问题，而凸的定位问题易于求解。2)本专利技术方法根据混合视距和非视距环境中视距链路和非视距链路的分布情况，在非凸问题中引入一组权值，降低了非视距链路对目标定位结果的影响，从而提高了目标定位精度。3)本专利技术方法的凸优化问题中引入有惩罚项，使得目标函数更逼近原非凸定位问题，提高了目标定位精度。附图说明图1为本专利技术方法的总体实现框图；图2为在非视距链路有4条的情况下，本专利技术方法、现有的鲁棒加权最小二乘(R-WLS)方法、现有的鲁棒二阶锥(R-SOCP)方法的RMSE随噪声标准差的变化曲线；图3为在噪声标准差为0.6米的情况下，本专利技术方法、现有的鲁棒加权最小二乘(R-WLS)方法、现有的鲁棒二阶锥(R-SOCP)方法的RMSE随非视距(NLOS)链路数量的变化曲线；图4为在非视距链路有4条且噪声标准差为0.6米的情况下，本专利技术方法、现有的鲁棒加权最小二乘(R-WLS)方法、现有的鲁棒二阶锥(R-SOCP)方法的累计分布函数(CDF)随估计误差的变化曲线。具体实施方式以下结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术提出的一种混合视距和非视距环境中基于到达时间的目标定位方法，其总体实现框图如图1所示，其包括以下步骤：...

【技术保护点】
1.一种混合视距和非视距环境中基于到达时间的目标定位方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤一：设定无线传感器网络中存在一个未知的目标节点和N个已知的锚节点，并设定无线传感器网络中的视距链路和非视距链路的分布情况已知；为无线传感器网络建立一个平面坐标系作为参考坐标系，将目标节点在参考坐标系中的坐标位置记为x，将第i个锚节点在参考坐标系中的坐标位置记为s

【技术特征摘要】
1.一种混合视距和非视距环境中基于到达时间的目标定位方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：设定无线传感器网络中存在一个未知的目标节点和N个已知的锚节点，并设定无线传感器网络中的视距链路和非视距链路的分布情况已知；为无线传感器网络建立一个平面坐标系作为参考坐标系，将目标节点在参考坐标系中的坐标位置记为x，将第i个锚节点在参考坐标系中的坐标位置记为si；其中，N为正整数，N≥3，i为正整数，i的初始值为1，1≤i≤N；
步骤二：令ΩLOS表示无线传感器网络中的所有视距链路对应的锚节点的序号构成的集合，令ΩNLOS表示无线传感器网络中的所有非视距链路对应的锚节点的序号构成的集合；然后建立目标节点与每个锚节点之间的距离测量模型，如果目标节点与第i个锚节点之间为视距传播，即目标节点与第i个锚节点之间的链路为视距链路，则i∈ΩLOS，将目标节点与第i个锚节点之间的距离测量模型描述为：di＝||x-si||+ni；如果目标节点与第i个锚节点之间为非视距传播，即目标节点与第i个锚节点之间的链路为非视距链路，则i∈ΩNLOS，将目标节点与第i个锚节点之间的距离测量模型描述为：di＝||x-si||+bi+ni；其中，di表示目标节点与第i个锚节点之间的距离测量值，符号“||||”为范数符号，||x-si||表示目标节点与第i个锚节点之间的真实距离，ni表示服从均值为0且方差为σi2的高斯分布的测量噪声，bi表示目标节点与第i个锚节点之间的非视距链路中的非视距偏差，bi在[0,ρ]范围内服从均匀分布，ρ表示无线传感器网络中的非视距链路中的非视距误差最大值，在di＝||x-si||+bi+ni中bi＞＞ni且bi≤ρ；
步骤三：对针对i∈ΩLOS时的等式di＝||x-si||+ni两边进行平方，得到并对针对i∈ΩNLOS时的等式di＝||x-si||+bi+ni两边进行平方，得到然后将针对i∈ΩLOS时...

【专利技术属性】
技术研发人员：李有明，王沛鑫，曾宇恩，卢志刚，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33