基于TDOA和FDOA的三维无线传感网络目标源定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于TDOA和FDOA的三维无线传感网络目标源定位方法，其基于锚节点收集的一系列带噪TDOA和FDOA测量值的测量模型，得到测量值噪声的近似表达式，基于两步法的思想框架，第一阶段结合偏差减小算法思想将目标定位问题表示为约束最小化问题，并运用拉格朗日乘子法最小化辅助函数有效求得全局最优解，这样避免了陷入局部收敛导致较大定位误差的问题，同时在例如UWB定位或者目标跟踪等偏差主导性能的情况下也更为有效，第二阶段充分利用了干扰参数和目标源位置、速度间的关系进一步提高了定位精度，并且受测量值噪声功率的影响较小。响较小。响较小。

【技术实现步骤摘要】
基于TDOA和FDOA的三维无线传感网络目标源定位方法


[0001]本专利技术涉及无线传感网络定位领域，尤其是涉及一种在不考虑传感器位置及速度误差情况下基于TDOA(到达时间差)和FDOA(到达频率差)的三维无线传感网络目标源定位方法。

技术介绍

[0002]无线传感网络(Wireless Sensor Network，WSN)是一种分布式传感网络，一般由大量的传感器所组成，这些传感器分布在监察区域，协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息。为了保持较低的执行成本，只有部分传感器装备有全球定位系统(GPS)，这部分传感器称之为锚节点，而剩下的传感器则利用锚节点的已知位置，通过使用某种无线定位方案确定其位置，这些剩下的传感器称之为目标节点(或目标源)。
[0003]在很多实际应用中，传感器所收集的数据只有携带对应的位置信息才是有意义的，因此，传感器位置估计是WSN关键技术之一。无线定位方案通常依赖于距离测量值，通过使用不同的硬件设备，距离测量值可以从不同的发射信号特征中提取，例如，到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、到达角度(AOA)、接收信号强度(RSS)。现有方法大多采用单一测量值，如Y.Sun等人在IEEE Transactions On Signal Processing(电气和电子工程师协会(IEEE)信号处理汇刊)发表的成果中基于AOA模型采用了偏差减小算法。为了进一步提升定位精度，越来越多的系统开始采用混合测量值，因为从混合测量值中可以提取出更多的信息。K.C.HO等人在IEEE Transactions On Signal Processing(电气和电子工程师协会(IEEE)信号处理汇刊)发表的成果中基于TDOA以及FDOA模型，提出了加权最小二乘方法(WMLS)，采用它们的近似表达式建立伪线性方程组，并通过两步加权最小二乘的方法得到了定位问题的闭式解表达式，但是，实验表明随着测量值噪声功率的增强，该方法的定位性能急剧恶化。Y.Sun等人在IEEE Transactions On Signal Processing(电气和电子工程师协会(IEEE)信号处理汇刊)发表的成果中使用迭代最大似然法和半定松弛解作为初始值，提出了局部化问题的约束特征空间技术，根据所施加的约束，开发了两种解决方案，然而，实验表明该方法的定位性能还有提升的空间。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于TDOA和FDOA的三维无线传感网络目标源定位方法，其利用混合测量值提升定位精度，且受测量值噪声功率的影响较小。
[0005]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于TDOA和FDOA的三维无线传感网络目标源定位方法，其特征在于包括以下步骤：
[0006]步骤1：在无线传感网络环境中，建立一个空间直角坐标系作为参考坐标系，并设定存在M个锚节点和一个移动的目标源，将第i个锚节点在参考坐标系中的坐标位置和速度对应记为s
i
和将目标源在参考坐标系中的坐标位置和速度对应记为u和s
i
＝[x
i
，y
i
，z
i
]T
，u＝[x，y，z]T
，
[0007]其中，M表示在无线传感网络环境中存在的锚节点的数量，M≥4，i为正整数，1≤i≤M，x
i
、y
i
、z
i
分别对应表示s
i
的第1个位置坐标分量、第2个位置坐标分量、第3个位置坐标分量，分别对应表示的第1个速度坐标分量、第2个速度坐标分量、第3个速度坐标分量，x、y、z分别对应表示u的第1个位置坐标分量、第2个位置坐标分量、第3个位置坐标分量，分别对应表示的第1个速度坐标分量、第2个速度坐标分量、第3个速度坐标分量，上标“T”表示向量或矩阵的转置；
[0008]步骤2：在无线传感网络环境中，由目标源发射测量信号，每个锚节点接收到测量信号后获得TDOA测量值和FDOA测量值，将第i个锚节点获得的TDOA测量值的测量模型描述为：将第i个锚节点获得的FDOA测量值的测量模型描述为：然后在将第1个锚节点指定为参考锚节点的前提下，将第i个锚节点获得的TDOA测量值的测量模型等效为距离差测量模型，描述为：并将第i个锚节点获得的FDOA测量值的测量模型等效为速度差测量模型，描述为：
[0009]其中，表示目标源到第i个锚节点的真实距离，c表示信号传播速度，表示测量信号到达第i个锚节点所产生的真实时间，表示目标源相对于第i个锚节点的真实速度，的真实速度，表示测量信号到达第i个锚节点所产生的真实频率，r
i1
表示目标源到第i个锚节点的实际测量距离与目标源到第1个锚节点的实际测量距离的差值，表示目标源到第i个锚节点的真实距离与目标源到第1个锚节点的真实距离的差值，表示测量信号到达第i个锚节点所产生的真实时间与测量信号到达第1个锚节点所产生的真实时间的时间差，表示第1个锚节点到目标源的真实距离，表示目标源相对于第i个锚节点的实际测量速度与目标源相对于第1个锚节点的实际测量速度的差值，表示目标源相对于第i个锚节点的真实速度与目标源相对于第1个锚节点的真实速度的差值，的真实速度的差值，表示测量信号到达第i个锚节点所产生的真实频率与测量信号到达第1个锚节点所产生的真实频率的频率差，f0表示振动频率，表示第1个锚节点相对于目标源的真实速度，n
i1
表示r
i1
的噪声向量，设定n
i1
服从高斯分布表示n
i1
的功率，表示的噪声向量，设定服从高斯分布表示的功率，符号“||||”为求欧几里得范数符号；
[0010]步骤3：在高信噪比条件下，对距离差测量模型进行代数运算变换以及近似变换，得到第一步距离差测量模型，描述为：得到第一步距离差测量模型，描述为：并对速度差测量模型进行代数运算变换以及近似变换，得到第一步速度差测量模型，描述为：
然后联合第一步距离差测量模型和第一步速度差测量模型，构建第一步联合测量模型，描述为：
[0011]其中，s1表示第1个锚节点在参考坐标系中的坐标位置，表示第1个锚节点在参考坐标系中的速度，考坐标系中的速度，[h
t
]i
表示h
t
的第i个分量，[h
f
]i
表示h
f
的第i个分量，的第i个分量，表示的第i个分量，表示的第i个分量，0表示维数为3
×
1的零向量，为辅助变量，u
o
表示目标源在参考坐标系中的真实坐标位置，表示目标源在参考坐标系中的真实速度，目标源在参考坐标系中的真实速度，目标源在参考坐标系中的真实速度，表示第2个锚节点到目标源的真实距离，表示第3个锚节点到目标源的真实距离，表示第M个锚节点到目标源的真实距离，表示目标源相对于第2个锚节点的真实速度，表示目标源相对于第3个锚节点的真实速度，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于TDOA和FDOA的三维无线传感网络目标源定位方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：在无线传感网络环境中，建立一个空间直角坐标系作为参考坐标系，并设定存在M个锚节点和一个移动的目标源，将第i个锚节点在参考坐标系中的坐标位置和速度对应记为s
i
和将目标源在参考坐标系中的坐标位置和速度对应记为u和s
i
＝[x
i
,y
i
,z
i
]
T
，u＝[x,y,z]
T
，其中，M表示在无线传感网络环境中存在的锚节点的数量，M≥4，i为正整数，1≤i≤M，x
i
、y
i
、z
i
分别对应表示s
i
的第1个位置坐标分量、第2个位置坐标分量、第3个位置坐标分量，分别对应表示的第1个速度坐标分量、第2个速度坐标分量、第3个速度坐标分量，x、y、z分别对应表示u的第1个位置坐标分量、第2个位置坐标分量、第3个位置坐标分量，分别对应表示的第1个速度坐标分量、第2个速度坐标分量、第3个速度坐标分量，上标“T”表示向量或矩阵的转置；步骤2：在无线传感网络环境中，由目标源发射测量信号，每个锚节点接收到测量信号后获得TDOA测量值和FDOA测量值，将第i个锚节点获得的TDOA测量值的测量模型描述为：将第i个锚节点获得的FDOA测量值的测量模型描述为：然后在将第1个锚节点指定为参考锚节点的前提下，将第i个锚节点获得的TDOA测量值的测量模型等效为距离差测量模型，描述为：并将第i个锚节点获得的FDOA测量值的测量模型等效为速度差测量模型，描述为：其中，表示目标源到第i个锚节点的真实距离，c表示信号传播速度，表示测量信号到达第i个锚节点所产生的真实时间，表示目标源相对于第i个锚节点的真实速度，度，表示测量信号到达第i个锚节点所产生的真实频率，r
i1
表示目标源到第i个锚节点的实际测量距离与目标源到第1个锚节点的实际测量距离的差值，表示目标源到第i个锚节点的真实距离与目标源到第1个锚节点的真实距离的差值，第i个锚节点的真实距离与目标源到第1个锚节点的真实距离的差值，表示测量信号到达第i个锚节点所产生的真实时间与测量信号到达第1个锚节点所产生的真实时间的时间差，表示第1个锚节点到目标源的真实距离，表示目标源相对于第i个锚节点的实际测量速度与目标源相对于第1个锚节点的实际测量速度的差值，表示目标源相对于第i个锚节点的真实速度与目标源相对于第1个锚节点的真实速度的差值，标源相对于第i个锚节点的真实速度与目标源相对于第1个锚节点的真实速度的差值，表示测量信号到达第i个锚节点所产生的真实频率与测量信号到达第1个锚节点所产生的真实频率的频率差，f0表示振动频率，表示第1个锚节点相对于目标源的真实速度，n
i1
表示r
i1
的噪声向量，设定n
i1
服从高斯分布服从高斯分布表示n
i1
的功率，表示的噪声向量，设定服从高斯分布服从高斯分布表示的功率，符号“|| ||”为求欧几里得范数符号；
步骤3：在高信噪比条件下，对距离差测量模型进行代数运算变换以及近似变换，得到第一步距离差测量模型，描述为：第一步距离差测量模型，描述为：并对速度差测量模型进行代数运算变换以及近似变换，得到第一步速度差测量模型，描述为：速度差测量模型进行代数运算变换以及近似变换，得到第一步速度差测量模型，描述为：然后联合第一步距离差测量模型和第一步速度差测量模型，构建第一步联合测量模型，描述为：其中，s1表示第1个锚节点在参考坐标系中的坐标位置，表示第1个锚节点在参考坐标系中的速度，系中的速度，[h
t
]
i
表示h
t
的第i个分量，[h
f
]
i
表示h
f
的第i个分量，的第i个分量，表示的第i个分量，表示的第i个分量，0表示维数为3
×
1的零向量，为辅助变量，u
o
表示目标源在参考坐标系中的真实坐标位置，表示目标源在参考坐标系中的真实速度，标源在参考坐标系中的真实速度，标源在参考坐标系中的真实速度，表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：周亚鹏，李有明，俞建定，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：