二维最优布站方法技术

本发明专利技术提供一种二维最优布站方法，用于提高N+1混合基站定位系统的定位精度，包括以下步骤：S1、确定参考站的通信范围，并判断目标是否处于参考站的通信范围内，依据判断结果建立约束条件；S2、确定TDOA值和AOA值的噪声分布，计算目标的位置的FIM行列式；S3、将不同约束条件下的FIM行列式表示为最优化问题，求解最优化问题获得二维最优布站方法。本发明专利技术通过改变布站方法，在原有的硬件设施和定位算法下，得到了定位精度更高的目标位置的计算值，为后续针对目标采取措施做好准备。针对目标采取措施做好准备。针对目标采取措施做好准备。

【技术实现步骤摘要】
二维最优布站方法


[0001]本专利技术涉及无源定位
，具体提供一种针对N+1混合基站定位系统的二维最优布站方法，N+1个基站都用于测定到达时间差，即TDOA，其中参考站还用于测定到达角，即AOA。

技术介绍

[0002]在导航、航空、航天等涉及无源定位技术的领域中，对目标的侦察和定位十分重要，对目标的定位精度是评价定位系统性能的常见指标。N+1混合基站定位系统相对于单一形式的TDOA或AOA定位，其定位精度上限更高，但受限于硬件设施，有时在充分利用测量值的条件下，定位精度仍达不到需求。
[0003]布站方法影响着目标定位的精度，实现最优布站方法可以进一步提高定位精度。为此，本专利技术根据参考站的通信范围和基站的数量，提出了一种基于N+1混合基站定位系统的二维最优布站方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术为解决上述问题，提供了一种二维最优布站方法，用于求解不同基站数量和不同通信约束情况下，目标定位精度最高的布站方法。
[0005]本专利技术提供的二维最优布站方法，具体用于提高N+1混合基站定位系统的定位精度，其中，N表示N个监测站，N为大于0的正整数；1表示一个参考站，N+1个基站都用于测定到达时间差，即TDOA，仅参考站用于测定到达角，即AOA，包括以下步骤：
[0006]S1、确定参考站的通信范围，并判断目标是否处于参考站的通信范围内，依据判断结果建立约束条件；
[0007]S2、确定TDOA值和AOA值的噪声分布，计算目标的位置的FIM行列式；
>[0008]S3、将不同约束条件下的FIM行列式表示为最优化问题，求解最优化问题获得二维最优布站方法。
[0009]优选的，当目标处于参考站的通信范围内，即r0<L时，N个监测站的角位置不受约束，引入约束条件：λ0＝0
°
；其中，L表示参考站通信范围，r0表示目标与参考站的间距。
[0010]优选的，当目标处于参考站的通信范围外，即r0>L时，N个监测站的角位置受目标与参考站的间距r0限制，此时引入约束条件：
[0011]λ0＝0
°
，|λ
i
|≤λ
m i＝1,...,N；
[0012]其中，λ
i
表示第i个基站相对目标的角位置，λ
m
＝arcsin(L/r0)<90
°
表示N个监测站的最大角位置。
[0013]优选的，TDOA值和AOA值的噪声分布分别服从方差为和的零均值高斯分布。
[0014]优选的，目标位置的FIM矩阵如下：
[0015][0016]其中，和分别表示TDOA测量值和AOA测量值相对目标位置的雅可比矩阵，
‑
1表示矩阵的逆，T表示转置符号，Q
m
是协方差矩阵，blkdiag表示块对角矩阵，I
N
和1
N
分别表示N维的单位矩阵和N维的全1矩阵；
[0017]代入各项参数，FIM矩阵表示为：
[0018][0019]其中，其中，A
13
＝A
23
＝A
31
＝A
32
＝0，
[0020]由FIM矩阵得到FIM行列式的展开式如下：
[0021][0022]其中，det表示求方阵的行列式的函数。
[0023]优选的，对FIM行列式的展开式引入数学约束优选的，对FIM行列式的展开式引入数学约束得到化简式如下：
[0024][0025]优选的，按照D最优性准则求解FIM行列式，取FIM行列式最大值对应的角位置的解为二维最优布站方法。
[0026]优选的，目标处于参考站的通信范围内，式(1)化简表示为最优化问题，如下：
[0027][0028]s.t.λ0＝0
°
；
[0029]求解该最优化问题，得到目标处于参考站的通信范围内的二维最优布站方法。
[0030]优选的，目标处于参考站的通信范围外，式(1)化简表示为最优化问题，如下：
[0031][0032]s.t.λ0＝0,|λ
i
|≤λ
m i＝1,...,N；
[0033]求解该最优化问题，得到目标处于参考站的通信范围外的二维最优布站方法。
[0034]与现有技术相比，本专利技术能够取得如下有益效果：
[0035]本专利技术通过改变布站方法，在原有的硬件设施和定位算法下，得到了定位精度更高的目标位置的计算值，为后续针对目标采取措施做好准备。
附图说明
[0036]图1是根据本专利技术实施例一提供的N+1混合基站定位系统的数学模型图；
[0037]图2是根据本专利技术实施例一提供的二维最优布站方法的流程图；
[0038]图3是根据本专利技术实施例一提供的r0<L时，二维最优布站的示意图；
[0039]图4是根据本专利技术实施例一提供的r0>L时，二维最优布站的示意图；
[0040]图5是根据本专利技术实施例二提供的r0<L时，1+1混合基站定位系统的FIM行列式取值随角位置λ1变化的曲线图；
[0041]图6是根据本专利技术实施例三提供的时，2+1混合基站定位系统的FIM行列式取值随角位置λ1和λ2变化的曲面图；
[0042]图7是根据本专利技术实施例三提供的时，2+1混合基站定位系统的FIM行列式取值随角位置λ1和λ2变化的曲面图；
[0043]图8是根据本专利技术实施例四提供的r0>L时，2+1混合基站定位系统的FIM行列式取值随角位置λ1和λ2变化的曲面图。
具体实施方式
[0044]在下文中，将参考附图描述本专利技术的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
[0045]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，而不构成对本专利技术的限制。
[0046]基于多TDOA基站和单AOA基站混合的定位系统，提出了一种二维最优布站方法，应用场景为N+1混合基站定位系统，N表示N个监测站，N为大于0的正整数；1表示一个参考站。基站表述为其中表示纬度信息，即此处表示s
i
为三维
信息，当i＝0时，表示参考站；当i≠0时，表示监测站；未知位置的目标表示为参考站S0和任意监测站S
i
都用于测定目标的TDOA值，但只有参考站S0能测定目标的AOA值。其中TDOA和AOA的测量噪声分别服从方差为和的零均值高斯分布，协方差矩阵其中，blkdiag表示块对角矩阵。
[0047]图1示出了根据本专利技术实施例一提供的N+1混合基站定位系统的数学模型。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维最优布站方法，用于提高N+1混合基站定位系统的定位精度，其中，N表示N个监测站，N为大于0的正整数；1表示一个参考站，N+1个基站都用于测定到达时间差，即TDOA，仅所述参考站用于测定到达角，即AOA，包括以下步骤：S1、确定所述参考站的通信范围，并判断目标是否处于所述参考站的通信范围内，依据判断结果建立约束条件；S2、确定TDOA值和AOA值的噪声分布，计算目标位置的FIM行列式；S3、将不同约束条件下的所述FIM行列式表示为最优化问题，求解所述最优化问题获得二维最优布站方法。2.如权利要求1所述的二维最优布站方法，其特征在于，当目标处于所述参考站的通信范围内，即r0<L时，N个所述监测站的角位置不受约束，引入约束条件：λ0＝0
°
；其中，L表示所述参考站通信范围，r0表示目标与所述参考站的间距。3.如权利要求1所述的二维最优布站方法，其特征在于，当目标处于所述参考站的通信范围外，即r0>L时，N个所述监测站的角位置受目标与所述参考站的间距r0限制，此时引入约束条件：λ0＝0
°
，|λ
i
|≤λ
m i＝1,...,N；其中，λ
i
表示第i个基站相对目标的角位置，λ
m
＝arcsin(L/r0)＜90
°
表示N个所述监测站的最大角位置。4.如权利要求1所述的二维最优布站方法，其特征在于，TDOA值和AOA值的噪声分布分别服从方差为和的零均值高斯分布。5.如权利要求1所述的二维最优布站方法，其特征在于，目标位置的FIM矩阵如下：其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王德江，康旭，邵禹，马铭阳，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：