1.非视距条件下基于源信号到达时间差的定位方法,其特征在于,包括以下步骤,步骤一、建立坐标系并对传感器位置、信号源位置进行初始化;
步骤二、利用TDOA测量方法构建距离测量模型,即构建参考路径传感器和其他路径传感器到信号源位置的距离差的测量值;
步骤三、将距离测量模型转化为带约束的加权鲁棒性最小二乘问题;
步骤四、利用S‑Lemma将加权鲁棒性最小二乘问题转化为可修正为半正定松弛的非凸优化问题;
步骤五、利用半正定松弛技术将非凸优化问题转化成凸的半正定规划问题;
步骤六、在凸的半正定规划问题基础上构建不等式约束收紧后的半正定规划问题;
步骤七、利用迭代的方法联合估计信号源位置和路径NLOS误差上界进行求解,得到目标源位置的最优估计值。
2.如权利要求1所述的非视距条件下基于源信号到达时间差的定位方法,其特征在于,所述步骤一具体包括:建立一个k维的定位场景,假设一个无线传感器网络有N+1个传感器和1个未知信号源,k k k第i个传感器位置用si∈R表示,信号源位置用x∈R表示,其中,R表示k维实向量,s0表示参考传感器位置。
3.如权利要求2所述的非视距条件下基于源信号到达时间差的定位方法,其特征在于,所述步骤二具体包括:假设测得传感器位置精确且信号源和传感器之间存在NLOS信号传播,通过TDOA方法测量,描述为:其中,N为其他路径传感器个数,ti表示源信号到达参考路径传感器和第i条路径传感器的时间差,c表示光速,ni表示测量噪声,ei为TDOA测量中的NLOS误差,ω0和ωi分别表示在参考路径和其他i个传感器路径上的非视距误差,且误差值均大于0,‖‖为二范数标识,将等式(1.1)中上式两边同乘光速c,得到参考路径传感器和其他路径传感器到信号源位置的距离差的测量值,描述为:其中,di为参考路径传感器和第i条路径传感器到信号源位置的距离差,此外,定义一个T向量n=[n1,...,nN] 表示不同路径上的测量噪声,并且定义n服从平均值为0,协方差为的高斯分布,其中IN表示N阶单位矩阵,1N表示N阶全1矩阵,T表示向量或矩阵的转置,σ为测量噪声误差的方差,并假设存在一个非视距误差上界ρi使得ωi满足0≤ωi≤ρi;
易得 其长度为2ρi,其中,ρ0为参考路径上的非视距误差上界,然而根据(1.2)式,可知‑ω0≤ei≤ρi‑ω0,其长度为ρi;过大的上界可能会降低定位性能,因此,令 并代入(1.2)式中,得:其中, 和 分别表示更正后的参考路径和第i个传感器路径上的非视距误差,为更正后的参考路径传感器和第i条路径传感器到信号源位置的距离差;
对(1.3)式进行移项处理,得:
两边平方并移项,得
其中,ri为第i个传感器和信号源的距离差,r0为参考路径传感器到信号源的距离差,由于二阶噪声项 远小于一阶噪声项,可忽略不计;
为便于表示问题(1.5),令
代入(1.5)式,有:
若鲁棒性最小二乘问题的权重仅与路径上的未知NLOS误差 有关,会造成在 变化的范围和幅度过大的情况下模型性能降低,定位效果差,因此,增设变量ci作为信号源定位问题的权重,引入主函数,则(1.5)式可描述为:
4.如权利要求3所述的非视距条件下基于源信号到达时间差的定位方法,其特征在于,所述步骤三具体如下:将源信号定位问题转化为加权鲁棒性最小二乘问题,描述为:为进一步简化加权鲁棒性最小二乘问题,令 则满足 (1.7)式可描述为:
5.如权利要求4所述的非视距条件下基于源信号到达时间差的定位方法,其特征在于,所述步骤四具体如下:为利用S‑Lemma将上述RWLS问题直接转化为可修正为SDR的非凸优化问题,(1.9)式可等价转化为:其中, ηi表示第i个约束的松弛程度,min()为最小化函数,max()为最大化函数,s.t表示“受约束于……”,该约束条件表明,对于i=
1,…,N,有:
即
根据S‑Lemma, 使得
用公式(1.12)替换RWLS问题中(1.10)的约束条件,得
6.如权利要求5所述的非视距条件下基于源信号到达时间差的定位方法,其特征在于,所述步骤五具体如下:T
引入辅助变量Y=yy ,利用半正定松弛技术,将其松弛为一个凸的半正定规划问题,以便求解,则(1.13)可转化为:其中y(5)表示y的第5个元素,Y(4,4)表示Y的第四行第四个元素,Y(3,4)表示Y的第三行第四个元素,rank()表示矩阵的秩;
问题(1.14)中只有rank(Y)=1为非凸约束,可以将其舍去,并加入以下约束收紧该问题:其中,Y(3,3)表示Y的第三行第三个元素,Y(2,2)表示Y的第二行第二个元素,y(1:2)表示y的第一个到第二个元素;
则问题(1.14)可描述为:
7.如权利要求6所述的非视距条件下基于源信号到达时间差的定位方法,其特征在于,所述步骤六具体如下:通常,松弛后得到的SDP问题不能生成原始RWLS的全局最优解;为避免局部收敛或发散的情况,引入新的约束来收紧问题(1.16),利用二阶锥约束放宽非凸等式约束ri=||x‑si||到凸不等式约束:||x‑si||≤ri,即:y(3)≥||y(1:2)‑s0|| (1.17)其中y(3)表示y的第三个元素,同理,等式约束ωiri=ωi||x‑si||,可松弛为ωiri≥ωi||x‑si||,即:y(5)‑Y(4,4)≥2||Y(1:2,4)‑s0·y(4)|| (1.18)进一步,基于已知的先验信息,可以得到如下约束: 此外,为了更好地处理非视距误差的影响,防止高估非视距误差,提供更精确的误差范围,令因此描述为:
其中Y(5,5)为Y的第五行第五个元素,将约束条件(1.17),(1.18),(1.19)代入问题(1.16),得:
8.如权利要求1所述的非视距条件下基于源信号到达时间差的定位方法,其特征在于,所述步骤七包括利用迭代的方法,联合估计信号源位置和NLOS误差上界;在规定最大迭代次数下,用每次迭代过程中得到的误差上界更新信号源位置;直至计算所得信号源位置与实际信号源位置距离小于规定值或者迭代次数超过最大迭代次数时终止迭代。