[发明专利]一种联合时延差与角度测量的传感器网络目标定位方法

摘要

本发明提供了一种联合时延差与角度测量的传感器网络目标定位方法，涉及无线传感器网络领域，通过构造联合时延差与角度测量的伪线性定位方程，提出一种利用结构总体最小二乘法的传感器网络目标定位方法，由于结构总体最小二乘算法充分利用观测矩阵A的特殊结构，因此提高了目标的平均估计精度，本发明不需要估计实际的观测噪声方差，不需要计算伪观测方程的噪声分布，简单容易实现；由于联合使用不同种类的测量信息，不但提高传感器网络的定位精度，而且具有更重要的现实意义，本发明具有简单易实现的特点，低信噪比下平均估计精度高，可以广泛应用于传感器网络目标定位相关领域。

主权项

1.一种联合时延差与角度测量的传感器网络目标定位方法，其特征在于包括下述步骤：第一步：计算角度测量矩阵Gk和单位方向向量bk已知传感器网络观测的角度测量值俯仰角和偏向角θ_k，根据公式(1)和公式(2)计算角度测量矩阵G_k和单位方向向量b_k：第二步：构造伪线性观测矩阵A任意选取一个节点为参考节点，由第一步公式(1)可计算角度测量矩阵Gk和单位方向向量bk，其中k分别取1,2，…，N，N表示传感器网络中的传感器数目，根据如下公式构造伪线性观测矩阵A；第三步：构造伪线性测量值h传感器节点位置sk＝[skx,sky,skz]T，表示传感器第k个传感器的三维坐标，时延差测量τk表示目标发射信号到第k个节点的传播时间与目标发射信号到参考节点的传播时间的差值，根据已知的角度测量矩阵Gk、单位方向向量bk、传感器节点位置sk和时延差测量τk，用公式(4)构造与伪线性观测矩阵A对应的伪线性测量值h：式(4)中c表示信号在介质中的传播速度；第四步：利用结构总体最小二乘方法求解目标位置坐标u＝[ux,uy,uz]T由于所有观测值存在噪声，因此构造伪线性观测方程为：(A+E)u＝h+r，其中E为观测误差引起的伪线性观测矩阵A的误差，r为由观测误差引起的伪线性测量值h的误差，并且E、u和r均为未知量，选取误差限ε，ε取小于10‑3的常数，对构造的伪线性观测方程(A+E)u＝h+r，利用结构总体最小二乘方法求解目标位置u；用向量表示扰动矩阵E中的非0元素，利用u＝[u_x,u_y,u_z]^T中的元素定义矩阵使得方程(A+E)u＝h+r左边的项Eu通过向量α表示为Uα＝Eu，再利用结构总体最小二乘方法求解目标位置u即可；所述结构总体最小二乘方法求解的具体实施步骤如下：初始化：令结构误差矩阵E＝0，则α＝0，初始化令u＝(ATA)‑1ATh，并从u构造U满足Uα＝Eu，求出误差r＝(A+E)u‑h，迭代次数n＝0；步骤1：通过公式计算Δα和Δu，其中Δα和Δu分别表示需要对已知变量α和u做出的微小改变量；步骤2：令u←u+Δu，α←α+Δα；步骤3：从向量α构造矩阵E，从向量u构造矩阵U，若||Δα,Δu||2＜ε，则进入步骤5，若迭代次数n大于50，进入步骤4，否则，n←n+1并执行步骤1；步骤4：u＝(ATA)‑1ATh，进入步骤5；步骤5：输出结果u。