专利摘要

本发明公开了一种基于到达时间差和到达频率差的移动目标定位方法，其设定存在1个用于发射信号的移动目标、1个用于接收信号且作为参考传感器的移动传感器、多个仅用于接收信号的移动传感器；然后计算移动目标到每个仅用于接收信号的移动传感器的传输距离与移动目标到参考传感器的传输距离的距离差及距离差变化率；接着计算移动目标的位置和速度的初始值；之后确定移动目标的定位问题，进而求解得到移动目标的位置的精确估计值；最后利用位置的精确估计值对移动目标的速度的估计值进行优化，得到速度的精确估计值；优点是能够对移动目标的位置和速度进行精确估计，且计算复杂度低、运行时间短。

权利要求

1.一种基于到达时间差和到达频率差的移动目标定位方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：在无线传感器网络环境中建立一个平面坐标系作为参考坐标系，并设定无线传感器网络环境中存在1个用于发射信号的移动目标、1个用于接收信号且作为参考传感器的移动传感器、N个仅用于接收信号的移动传感器；将移动目标在参考坐标系中的坐标位置记为x，将移动目标在参考坐标系中的移动速度记为将参考传感器在参考坐标系中的坐标位置记为s0，将参考传感器在参考坐标系中的移动速度记为将N个移动传感器在参考坐标系中的坐标位置对应记为s1,...,sN，将N个移动传感器在参考坐标系中的移动速度对应记为其中，N≥3，s1表示第1个移动传感器在参考坐标系中的坐标位置，sN表示第N个移动传感器在参考坐标系中的坐标位置，表示第1个移动传感器在参考坐标系中的移动速度，表示第N个移动传感器在参考坐标系中的移动速度；

步骤二：在无线传感器网络环境中，移动目标发射出的信号由参考传感器及N个仅用于接收信号的移动传感器接收；首先，测量移动目标发射出的信号到达参考传感器的传输时间以及移动目标发射出的信号到达N个移动传感器的传输时间；计算移动目标发射出的信号到达每个移动传感器的传输时间与移动目标发射出的信号到达参考传感器的传输时间的时间差，将移动目标发射出的信号到达第i个移动传感器的传输时间与移动目标发射出的信号到达参考传感器的传输时间的时间差记为ti；其次，测量每个移动传感器接收到的信号的多普勒频率以及参考传感器接收到的信号的多普勒频率；计算每个移动传感器接收到的信号的多普勒频率与参考传感器接收到的信号的多普勒频率的频率差，将第i个移动传感器接收到的信号的多普勒频率与参考传感器接收到的信号的多普勒频率的频率差记为fi；最后，计算移动目标发射出的信号到达每个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差，将移动目标发射出的信号到达第i个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差记为di，di＝c×ti；计算移动目标发射出的信号到达每个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差变化率，将移动目标发射出的信号到达第i个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差变化率记为其中，i为正整数，1≤i≤N，c表示光速，f0表示载波的频率；

步骤三：计算x和各自的初始值，对应记为和其中，上标“T”为转置符号，(ATW0A)-1表示(ATW0A)的逆，r0和均为引入的中间变量，r0和均为一个数值，r0＝||x-s0||，a1＝[(s1-s0)T 01×k d1 0]，ai＝[(si-s0)T 01×k di 0]，aN＝[(sN-s0)T 01×k dN 0]，01×k表示元素值全为0的维数为1×k的行向量，k为正整数，k≥2，d1表示移动目标发射出的信号到达第1个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差，si表示第i个移动传感器在参考坐标系中的坐标位置，dN表示移动目标发射出的信号到第N个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到参考传感器接收到信号的信号传输距离的距离差，表示移动目标发射出的信号到达第1个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差变化率，表示第i个移动传感器在参考坐标系中的移动速度，表示移动目标发射出的信号到达到第N个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差变化率，为Qα的逆，Qα＝diag(Qt,Qf)，diag(Qt,Qf)表示Qt和Qf为对角线元素，Qt表示到达时间差的测量噪声的协方差矩阵，Qf表示到达频率差的测量噪声的协方差矩阵，符号“|| ||”为求欧几里德范数符号；

步骤四：确定移动目标的定位问题，描述为：约束条件为y2TEy2-2eTy2+||s0||2＝0，移动目标的定位问题实质为一加权最小二乘问题；其中，表示使(Gy2-h)TW-1(Gy2-h)最小化，W-1表示W的逆，g1＝[(s1-s0)T 01×k d1]，gi＝[(si-s0)T 01×k di]，gN＝[(sN-s0)T 01×k dN]，W＝BQαB，0N×N表示元素值全为0的维数为N×N的方阵，B1＝diag(r1,...,rN)，diag(r1,...,rN)表示r1,...,rN为对角线元素，表示为对角线元素，r1、rN、均为引入的中间变量，r1、rN、均为一个数值，r1＝||x-s1||，rN＝||x-sN||，Ik表示维数为k×k的单位矩阵，0k×1表示元素值全为0的维数为k×1的列向量，0k×k表示元素值全为0的维数为k×k的方阵，e＝[s0T,01×k,0]T；

步骤五：利用二分法求解移动目标的定位问题，求解得到x的最终估计值和的估计值，对应记为和

步骤六：对进行更新优化，得到的最终估计值，记为其中，表示Qf的逆，表示的逆，

2.根据权利要求1所述的基于到达时间差和到达频率差的移动目标定位方法，其特征在于所述的步骤五的具体过程为：

步骤A1、将λ定义为拉格朗日乘子，将关于λ的函数记为φ(λ)，φ(λ)描述为：

φ(λ)＝(GTW-1G+λE)-1(GTW-1h-λe)；

步骤A2、求解矩阵的所有特征值，并将值最大的特征值记为u1，将值最小的特征值记为u0；然后令其中，和均为引入的中间变量，

步骤A3、令然后将和分别代入φ(λ)＝(GTW-1G+λE)-1(GTW-1h-λe)中，对应得到和其中，为引入的中间变量；

步骤A4、判断是否成立，若成立，则令然后执行A5；否则，令然后执行A5；其中，和中的“＝”为赋值符号；

步骤A5、判断是否成立，若成立，则执行步骤A6；否则，返回执行步骤A3；其中，符号“| |”为取绝对值符号，ε表示精度阈值；

步骤A6、将作为λ的最优值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种目标定位技术，尤其是涉及一种基于到达时间差和到达频率差的移动目标定位方法，其定位内容为移动目标的位置和速度。

背景技术

近年来，无线传感器网络定位技术在诸多领域得到了广泛的应用，并因其广泛的应用而备受关注，无线定位在人们的生活中发挥了重要作用，可以便捷快速地实现地理测量、导航、应急救援、目标跟踪等。在很多实际应用中，未知目标并不是静止的，即未知目标为一移动目标，精确地估计移动目标的位置同时也估计移动目标的速度是非常重要的，因此，对无线传感器网络中高精度的移动目标定位方法的研究十分有必要。

目前，实现对移动目标定位的基本方法有很多，使用较多的是结合基于到达时间差(Time Difference of Arrival)的时间测量方法和基于到达频率差(FrequencyDifference of Arrival)的多普勒频率偏移测量方法。该移动目标定位方法的优点是时间测量方法的复杂度低，可实现高精度的位置估计；多普勒频率偏移测量方法涉及到移动目标的位置和速度，可进一步提高位置的估计精度，也可实现高精度的速度估计。因此，大多数移动目标定位方法的研究都是基于到达时间差测量和到达频率差测量进行的。

现有的一种迭代约束加权最小二乘方法，其结合了基于到达时间差的时间测量方法和基于到达频率差的多普勒频率偏移测量方法，该迭代约束加权最小二乘方法能在迭代收敛时求得全局最优解，但是该方法并不能保证每一次估计都能收敛，即存在迭代发散的情况，该方法在迭代发散时使用了现有的半正定松弛方法进行补救，即使用现有的半正定松弛方法求得未知目标的位置和速度估计值。然而，当无线传感器网络中噪声较大时，该迭代约束加权最小二乘方法迭代发散的可能性变大，因此使用半正定松弛方法的次数变多，而半正定松弛方法的复杂度较高，运算时间长，从而导致该迭代约束加权最小二乘方法的计算复杂度高，求解该迭代约束加权最小二乘方法所需运行时间长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于到达时间差和到达频率差的移动目标定位方法，其在移动目标分布在移动传感器外部以及无线传感器网络中噪声比较大的情况下，也能够对移动目标的位置和速度进行精确估计，能解得全局最优解，避免了局部收敛和发散的问题，且计算复杂度低、运行时间短。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于到达时间差和到达频率差的移动目标定位方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：在无线传感器网络环境中建立一个平面坐标系作为参考坐标系，并设定无线传感器网络环境中存在1个用于发射信号的移动目标、1个用于接收信号且作为参考传感器的移动传感器、N个仅用于接收信号的移动传感器；将移动目标在参考坐标系中的坐标位置记为x，将移动目标在参考坐标系中的移动速度记为 将参考传感器在参考坐标系中的坐标位置记为s0，将参考传感器在参考坐标系中的移动速度记为 将N个移动传感器在参考坐标系中的坐标位置对应记为s1,...,sN，将N个移动传感器在参考坐标系中的移动速度对应记为 其中，N≥3，s1表示第1个移动传感器在参考坐标系中的坐标位置，sN表示第N个移动传感器在参考坐标系中的坐标位置， 表示第1个移动传感器在参考坐标系中的移动速度， 表示第N个移动传感器在参考坐标系中的移动速度；

步骤二：在无线传感器网络环境中，移动目标发射出的信号由参考传感器及N个仅用于接收信号的移动传感器接收；首先，测量移动目标发射出的信号到达参考传感器的传输时间以及移动目标发射出的信号到达N个移动传感器的传输时间；计算移动目标发射出的信号到达每个移动传感器的传输时间与移动目标发射出的信号到达参考传感器的传输时间的时间差，将移动目标发射出的信号到达第i个移动传感器的传输时间与移动目标发射出的信号到达参考传感器的传输时间的时间差记为ti；其次，测量每个移动传感器接收到的信号的多普勒频率以及参考传感器接收到的信号的多普勒频率；计算每个移动传感器接收到的信号的多普勒频率与参考传感器接收到的信号的多普勒频率的频率差，将第i个移动传感器接收到的信号的多普勒频率与参考传感器接收到的信号的多普勒频率的频率差记为fi；最后，计算移动目标发射出的信号到达每个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差，将移动目标发射出的信号到达第i个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差记为di，di＝c×ti；计算移动目标发射出的信号到达每个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差变化率，将移动目标发射出的信号到达第i个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差变化率记为 其中，i为正整数，1≤i≤N，c表示光速，f0表示载波的频率，f0的值已知；

步骤三：计算x和 各自的初始值，对应记为 和 其中，上标“T”为转置符号，(ATW0A)-1表示(ATW0A)的逆，r0和 均为引入的中间变量，r0和 均为一个数值，r0＝||x-s0||， 01×k表示元素值全为0的维数为1×k的行向量，k为正整数，k≥2，d1表示移动目标发射出的信号到达第1个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差，si表示第i个移动传感器在参考坐标系中的坐标位置，dN表示移动目标发射出的信号到第N个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到参考传感器接收到信号的信号传输距离的距离差， 表示移动目标发射出的信号到达第1个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差变化率， 表示第i个移动传感器在参考坐标系中的移动速度， 表示移动目标发射出的信号到达到第N个移动传感器的信号传输距离与移动目标发射出的信号到达参考传感器的信号传输距离的距离差变化率， 为Qα的逆，Qα＝diag(Qt,Qf)，diag(Qt,Qf)表示Qt和Qf为对角线元素，Qt表示到达时间差的测量噪声的协方差矩阵，Qf表示到达频率差的测量噪声的协方差矩阵， 符号“|| ||”为求欧几里德范数符号；

步骤四：确定移动目标的定位问题，描述为： 约束条件为y2TEy2-2eTy2+||s0||2＝0，移动目标的定位问题实质为一加权最小二乘问题；其中， 表示使(Gy2-h)TW-1(Gy2-h)最小化，W-1表示W的逆， 0N×N表示元素值全为0的维数为N×N的方阵，B1＝diag(r1,...,rN)， diag(r1,...,rN)表示r1,...,rN为对角线元素， 表示 为对角线元素， 均为引入的中间变量， 均为一个数值， 表示维数为k×k的单位矩阵，0k×1表示元素值全为0的维数为k×1的列向量，0k×k表示元素值全为0的维数为k×k的方阵，e＝[s0T,01×k,0]T；

步骤五：利用二分法求解移动目标的定位问题，求解得到x的最终估计值和 的估计值，对应记为 和

步骤六：对 进行更新优化，得到 的最终估计值，记为 其中， 表示Qf的逆， 表示 的逆，

所述的步骤五的具体过程为：

步骤A1、将λ定义为拉格朗日乘子，将关于λ的函数记为φ(λ)，φ(λ)描述为：φ(λ)＝(GTW-1G+λE)-1(GTW-1h-λe)；

步骤A2、求解矩阵 的所有特征值，并将值最大的特征值记为u1，将值最小的特征值记为u0；然后令 其中， 和 均为引入的中间变量，

步骤A3、令 然后将 和 分别代入φ(λ)＝(GTW-1G+λE)-1(GTW-1h-λe)中，对应得到 和 其中， 为引入的中间变量；

步骤A4、判断 是否成立，若成立，则令 然后执行A5；否则，令 然后执行A5；其中， 和 中的“＝”为赋值符号；

步骤A5、判断 是否成立，若成立，则执行步骤A6；否则，返回执行步骤A3；其中，符号“| |”为取绝对值符号，ε表示精度阈值；

步骤A6、将 作为λ的最优值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明方法充分利用了基于到达时间差的测量技术获得移动目标发射出的信号到达每个移动传感器的传输时间与移动目标发射出的信号到达参考传感器的传输时间的时间差，并联合利用了基于到达频率差的测量技术获得每个移动传感器接收到的信号的多普勒频率与参考传感器接收到的信号的多普勒频率的频率差，进而构成了移动目标的定位问题，实质是一个加权最小二乘问题，该加权最小二乘问题能有效被求解，且能求得全局最优解，避免了收敛于局部极小点和避免了发散的问题；求解复杂度低，降低了运算时间。

2)本发明方法将基于到达时间差的测量技术和基于到达频率差的测量技术联合起来构建加权最小二乘问题，进而求解得到移动目标的坐标位置的精确估计值，再利用移动目标的坐标位置的精确估计值进一步更新速度的估计得到精确的速度估计，第一步保证了精确的位置估计值，而位置估计值又为第二步精确的速度估计作保证，故即使在移动目标分布在移动传感器外部以及无线传感器网络中噪声比较大的情况下，本发明方法在确保低复杂度的前提下也能够对移动目标的位置和速度进行精确估计。

附图说明

图1为本发明方法的总体流程框图；

图2为σ2取值分别为10-2,10-1.5,10-1,10-0.5,1,100.5,101时，利用本发明方法及克拉美-罗下界对移动目标的位置进行估计的均方根误差比较图；

图3为σ2取值分别为10-2,10-1.5,10-1,10-0.5,1,100.5,101时，利用本发明方法及克拉美-罗下界对移动目标的速度进行估计的均方根误差比较图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提出的一种基于到达时间差和到达频率差的移动目标定位方法，其总体流程框图如图1所示，其包括以下步骤：

步骤一：在无线传感器网络环境中建立一个平面坐标系作为参考坐标系，并设定无线传感器网络环境中存在1个用于发射信号的移动目标、1个用于接收信号且作为参考传感器的移动传感器、N个仅用于接收信号的移动传感器；将移动目标在参考坐标系中的坐标位置记为x，将移动目标在参考坐标系中的移动速度记为 将参考传感器在参考坐标系中的坐标位置记为s0，将参考传感器在参考坐标系中的移动速度记为 将N个移动传感器在参考坐标系中的坐标位置对应记为s1,...,sN，将N个移动传感器在参考坐标系中的移动速度对应记为 N≥3，在本

基于到达时间差和到达频率差的移动目标定位方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。