[发明专利]非同步网络中基于TOA的鲁棒非视距目标自定位方法

说明书

本发明公开了一种非同步网络中基于TOA的鲁棒非视距目标自定位方法，所有锚节点在同一起始传输时间向目标源发送信号，目标源采集各个锚节点发送的信号的到达时间；构建每个锚节点对应的TOA测量模型；指定参考锚节点后将TOA测量模型变换为TDOA测量模型；考虑目标源的时钟偏差、非视距误差的上界，构造最坏情况下的鲁棒最小二乘问题；使用三角不等式得到鲁棒最小二乘问题；将鲁棒最小二乘问题以上镜图的形式进行等价表述；将上镜图的形式放松为初步半正定规划问题；在初步半正定规划问题中添加约束条件得到最终半正定规划问题；求解最终半正定规划问题得到目标源的位置估计值；优点是对目标源和参考路径的非视距误差联合估计，提高了目标定位精度。

技术领域

本发明涉及一种目标自定位方法，尤其是涉及一种非同步网络(即非同步条件下的传感器网络)中基于TOA(Time-of-Arrival，到达时间)的鲁棒非视距目标自定位方法。

背景技术

近年来，各种定位技术在人们的日常生活中发挥了重要作用。目标定位的应用包括导航、目标跟踪、救援、航空航天等。基于到达时间(Time-of-Arrival，TOA)的目标定位方法具有较高的定位精度，在实际环境中十分常用。

非同步条件下的传感器网络中的时间同步问题对目标定位的精度有着不可忽略的影响，近些年来该问题已经得到了学界的广泛研究。近年有学者提出一种有效的分式规划(Fractional Programming，FP)方法用于估计非同步传感器网络中目标源的位置，但在遮挡物较多的环境中无法取得较好的目标定位效果。

信号在传播过程中可能被一些障碍阻挡，这种现象被称为非视距(Non-Line-of-Sight，NLOS)信号传播。非视距信号传播会导致信号的TOA测量值中存在NLOS误差。各种研究表明，NLOS误差通常远大于测量噪声，这种误差对目标定位性能有着显著的负面影响。现有的一些目标定位方法使用NLOS误差的分布或统计信息来提升定位精度，然而，在时变的实际环境中很难获得这种统计信息。在鲁棒二阶锥规划和鲁棒半正定规划方法中，既不需要使用路径状态信息也不需要使用NLOS误差的统计信息，它们只需要实际环境中较易获得的NLOS误差的上界，并且表现出了优于之前非鲁棒方法的性能。然而，上述鲁棒二阶锥规划和鲁棒半正定规划方法研究的目标定位问题是基于传感器网络完全同步这一条件的，并且它们不具备目标源自定位的功能。因此，可以看出非同步传感器网络中存在NLOS误差时的目标源自定位问题是一个全新的研究领域，值得研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种非同步网络中基于TOA的鲁棒非视距目标自定位方法，其对目标源和参考路径的非视距误差联合估计，有效地提高了目标定位精度。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种非同步网络中基于TOA的鲁棒非视距目标自定位方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：选用k维定位场景，并设定非同步传感器网络中存在N+1个锚节点和一个目标源；将编号为i的锚节点在k维定位场景中的坐标位置记为s_i，将目标源在k维定位场景中的坐标位置记为x；其中，k＝2或3，i为正整数，此处0≤i≤N，N≥2，s_i和x均为k维列向量；

步骤2：在非同步传感器网络中，所有锚节点在同一起始传输时间向目标源发送信号，目标源采集各个锚节点发送的信号的到达时间；将目标源采集的各个锚节点发送的信号的到达时间以TOA测量模型进行表示，目标源采集的编号为i的锚节点发送的信号的到达时间的TOA测量模型为：其中，此处0≤i≤N，t_i表示目标源采集的编号为i的锚节点发送的信号的TOA测量值，ω表示目标源的时钟偏差，θ表示目标源的时钟漂移，T₀表示所有锚节点向目标源发送信号的起始传输时间，符号“|| ||”为欧几里德范数符号，c表示光速，w_i表示编号为i的锚节点与目标源之间的信号传播路径上的非负的非视距误差，表示编号为i的锚节点与目标源之间的信号传播路径上的测量噪声，服从均值为零且方差为的高斯分布，