一种基于三维投影的多移动基站协同无源定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于三维投影的多移动基站协同无源定位方法，包括步骤如下：通过三个无人机搭载空中基站实现应急通信网络覆盖；采用LS算法，利用已知位置对目标进行初始高程位置定位，将初始位置设为虚拟移动建站，然后对目标进行再次定位，利用VDOP搜索目标最佳的高程位置信息；使用投影转换方法建立程差和方位角的联合无源定位模型。采用加权最小二乘法对地面目标进行初始水平位置估计，再利用初始解分量之间的相关性，通过第二次WLS算法重新建立方程，对初始水平位置估计进行修正，得到目标的最佳水平位置信息。本发明专利技术的能对固定基站大面积摧毁情况下应急、减少移动基站使用数量、降低位置估计复杂度、提高定位精度。提高定位精度。提高定位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维投影的多移动基站协同无源定位方法


[0001]本专利技术涉及无源定位方法，尤其涉及一种基于三维投影的多移动基站协同无源定位方法。

技术介绍

[0002]按照探测目标的方式，目标定位技术可以分为有源探测定位和无源探测定位，其中有源探测定位技术主要通过雷达主动发射的电磁波对目标进行定位，其优点是定位速度快、定位精度高且不受天气与季节的影响，但是由于此类设备向外发射的电磁波一般为固定的电磁波频段，容易暴露自身位置而遭受打击，且由于发射功率较大而导致能耗较大。无源探测定位技术则是在不主动向外发射电磁波信号的情况下，利用已知的观测点接收目标辐射源的电磁波信号，然后提取目标定位的相关数据，从而实现目标位置估计。
[0003]基于波达方向(Direction of Arrival，DOA)的定位技术是最早提出的无源定位方法，它利用高精度测向设备对目标辐射源信号的DOA进行检查，然后将测得的多个方位角的测向线交点作为目标位置的估计值。DOA定位技术简单易行，但是随着待测目标与基站之间距离的增大，较小的测角误差也会导致较大的定位误差。为了提高定位精度，WANG Y等(MA S,CHEN C L P.TOA
‑
Based Passive Localization in Quasi
‑
Synchronous Networks[J].IEEE Communications Letters,2014,18(4):592
‑
595)提出了基于信号到达时间(Time of Arrival，TOA)的定位技术，该技术主要利用目标辐射源发射的电磁波信号到达观测点的时延，将其转换为距离信息进行目标定位。但是，基于TOA的无源定位技术需要观测点与辐射源目标之间高精准的时间同步，这种要求在实际定位场景下很难实现。
[0004]现有的基于多基站协同的TDOA/DOA无源定位方法均基于固定基站，当城市复杂建筑及重特大自然灾害发生时，一般会造成固定基站大面积损毁，从而基于固定基站的定位方法也就无法满足应急场景下的目标定位要求。
[0005]将TDOA和DOA进行融合可以避免单纯TDOA或DOA方法的不足，以较少的基站需求获得更高精度的定位性能。为了提升定位精度，ZHU Hongwei等(SONG Qiang,et al.System errors estimation of DOA and TDOA jointed locating system using sequential least squares[C]//Proceedings of 2011IEEE CIE International Conference on Radar.Chengdu:IEEE,2011:1025
‑
1028.)提出了一种基于顺序最小二乘法(Sequential Least Squares,SLS)的联合TDOA/DOA无源定位算法，将定位问题转化为SLS优化模型后再使用泰勒展开法进行定位。但是，为了能够有较精确的定位性能，这种算法需要累积一定的观测值进行定位。为了能够对目标辐射源进行实时定位，HO K C等(XU Wenwei.An accurate algebraic solution for moving source location using TDOA and FDOA measurements[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2004,52(9):2453
‑
2463.)提出了基于加权最小二乘法(Weighted Least Square，WLS)的联合TDOA/DOA无源定位算法，它是在经典Chan算法的基础上加入了方位角信息进行定位，但是，当目标辐射源和基站的距离较远时，定位精度较低。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种能对固定基站大面积摧毁情况下应急、减少移动基站使用数量、降低位置估计复杂度、提高定位精度的基于三维投影的多移动基站协同无源定位方法。
[0007]技术方案：本专利技术的多移动基站协同无源定位方法，包括步骤如下：
[0008]S1，当固定基站大面积损毁后，通过无人机搭载空中基站实现应急通信网络覆盖；采用LS算法，利用已知位置信息对目标进行初始高程位置定位，将得到的初始位置设为虚拟移动建站，然后对目标进行再次高程位置定位，将得到的定位结果设置为新的虚拟移动基站以代替旧的虚拟移动基站进行迭代得到解集，利用VDOP搜索目标最佳的高程位置信息；
[0009]S2，利用投影转换方法将三维空间内的移动基站投影到地平面进行二维平面定位；利用三个移动基站接收到的地面目标的电磁波信号以及移动基站间传输的数据，建立程差和方位角的联合无源定位模型；
[0010]S3，采用加权最小二乘法对地面目标进行初始水平位置估计，再利用初始解分量之间的相关性，通过第二次WLS算法重新建立方程，对初始水平位置信息估计进行修正，得到目标的最佳高程位置信息和最佳水平位置信息；结合估计的最佳高程位置信息和最佳水平位置信息，得到目标的最终估计位置。
[0011]进一步，步骤S1中，设在t时刻，三维空间内移动基站的位置坐标已知，第i个移动基站的位置坐标表示为u
i
(t)＝[x
i
(t),y
i
(t),z
i
(t)]，获得的地面目标的方位角、俯角分别表示为θ
i
(t)、地面目标的位置坐标未知，表示为s(t)＝[x(t),y(t),z(t)]；
[0012]t
‑
1时刻的测距方程表达式如下：
[0013]Τ(t
‑
1)＝[A(t
‑
1)
T A(t
‑
1)]‑
1 A(t
‑
1)
T b(t
‑
1)
[0014]将t
‑
1时刻获得初次定位目标设置为t时刻虚拟移动基站的位置坐标，表达式如下：
[0015]u
v
(t)＝[x
v
(t),y
v
(t),z
v
(t)]＝[x(t
‑
1),y(t
‑
1),z(t
‑
1)][0016]将虚拟移动基站u
v
(t)＝[x
v
(t),y
v
(t),z
v
(t)]代入测距方程的矩阵A(t)T(t)＝b(t)中，得到：
[0017]A
′
(t)T
′
(t)＝b
′
(t)
[0018][0019]T
′
(t)＝[r(t),x(t),y(t),z(t)]T
[0020][0021]则有：
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于三维投影的多移动基站协同无源定位方法，其特征在于，包括步骤如下：S1，当固定基站大面积损毁后，通过无人机搭载空中基站实现应急通信网络覆盖；采用LS算法，利用已知位置信息对目标进行初始高程位置定位，将得到的初始位置设为虚拟移动建站，然后对目标进行再次高程位置定位，将得到的定位结果设置为新的虚拟移动基站以代替旧的虚拟移动基站进行迭代得到解集，利用VDOP搜索目标最佳的高程位置信息；S2，利用投影转换方法将三维空间内的移动基站投影到地平面进行二维平面定位；利用三个移动基站接收到的地面目标的电磁波信号以及移动基站间传输的数据，建立程差和方位角的联合无源定位模型；S3，采用加权最小二乘法对地面目标进行初始水平位置估计，再利用初始解分量之间的相关性，通过第二次WLS算法重新建立方程，对初始水平位置信息估计进行修正，得到目标的最佳高程位置信息和最佳水平位置信息；结合估计的最佳高程位置信息和最佳水平位置信息，得到目标的最终估计位置。2.根据权利要求1所述基于三维投影的多移动基站协同无源定位方法，其特征在于，步骤S1中，设在t时刻，三维空间内移动基站的位置坐标已知，第i个移动基站的位置坐标表示为u
i
(t)＝[x
i
(t),y
i
(t),z
i
(t)]，获得的地面目标的方位角、俯角分别表示为θ
i
(t)、i＝1,2,3；地面目标的位置坐标未知，表示为s(t)＝[x(t),y(t),z(t)]；t
‑
1时刻的测距方程表达式如下：Τ(t
‑
1)＝[A(t
‑
1)
T
A(t
‑
1)]
‑1A(t
‑
1)
T
b(t
‑
1)将t
‑
1时刻获得初次定位目标设置为t时刻虚拟移动基站的位置坐标，表达式如下：u
v
(t)＝[x
v
(t),y
v
(t),z
v
(t)]＝[x(t
‑
1),y(t
‑
1),z(t
‑
1)]将虚拟移动基站u
v
(t)＝[x
v
(t),y
v
(t),z
v
(t)]代入测距方程的矩阵A(t)T(t)＝b(t)中，得到：A
′
(t)T
′
(t)＝b
′
(t)T
′
(t)＝[r(t),x(t),y(t),z(t)]
T
则有：Τ
′
(t)＝[A
′
(t)
T
A
′
(t)]
‑1A
′
(t)
...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑迪，谷天园，谢亚琴，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：