基于多维标度法子空间分析的三阶段到达时间差定位方法技术

一种无线网络和移动计算领域的基于多维标度子空间分析的三阶段到达时间差定位方法，包括三个阶段，第一阶段：获知平面上传感器位置坐标，到达时间差，到达时间差的测量误差的方差和信号传播速度，计算修正的测量标量乘积矩阵，通过特征值分解，计算得到第一估计点和一个距离估计值，并计算得到一个方向向量；第二阶段：在第一估计点的基础上，利用距离估计值和方向向量，计算得到第二估计点对应的参数；第三阶段：以第二估计点所对应的参数为初始值，通过二分法求根过程，得到第三估计点所对应的参数，进一步计算第三估计点，得到坐标的最终估计值，由此确定信号源的位置。本发明专利技术具有适用范围广，定位精度和准确性高的特点。

【技术实现步骤摘要】
基于多维标度法子空间分析的三阶段到达时间差定位方法
本专利技术涉及的是无线网络和移动计算领域，具体是一种基于多维标度子空间分析的三阶段到达时间差定位方法。
技术介绍
在雷达、声纳、移动通信、多媒体、无线传感器网络等应用领域中，常常面临一个重要问题，即依据到达时间差信息，对一个信号源进行定位。所谓到达时间差是指：由信号源发出信号，由分布在空间中、位置已知、而且时间相互同步的传感器接收该信号，并测量信号到达其他传感器的时间，由此计算得到信号源所发出的信号到达各个传感器的时间与到达第一个传感器的时间之差。经过对现有技术的检索发现，He‐WenWei，RongPeng，QunWan，Zhang‐XinChen，&Shang‐FuYe在期刊IEEETransactionsonSignalProcessing的2010年3月第58卷3期发表的论文“MultidimensionalscalinganalysisforpassivemovingtargetlocalizationwithTDOAandFDOAmeasurements”，提出了利用多维标度法分析无源传感器阵列的到达时间差和到达频率差得到信号源位置的方法。但是该方法中当传感器阵列成为线状或近似于线状时，所需要做求逆运算的矩阵将成为秩亏矩阵或高度病态矩阵，强行对其求逆将产生巨大的定位误差。中国专利文献号CN103648164A，公开(公告)日2014.03.19，公开了一种基于到达时间差和Gossip算法的无线传感器网络分布式定位方法。其特点是，一、锚节点获取自身位置坐标；二、实现分布式时间同步；三、锚节点随机唤醒监测未知节点；四、唤醒锚节点保存接收信号时刻和本地坐标；五、所有锚节点是否全部完成信号监测和数据保存；六、锚节点j收到其所有M个相邻锚节点的数据；七、获取锚节点j对于未知节点未知的初始估计值；八、所有锚节点获取未知节点位置初始估计值；九、运行Gossip算法随机选择相邻锚节点交换定位数据；十、算法终止。但是该方法中不同锚节点采集到的未知节点位置估计值有可能不完全一致，如何从所获得的位置信息中计算出最大可能性的位置估计值在申请中并未提及。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出了一种基于多维标度子空间分析的三阶段到达时间差定位方法，通过对测量标量乘积矩阵作子空间分析，分三阶段对信号源位置进行估算，得到信号源较精确的位置。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括以下步骤：步骤1、根据平面上传感器位置坐标、到达时间差(即信号源所发出的信号到达各个传感器的时间与到达第一个传感器的时间之差)得到测量标量乘积矩阵，并通过所述的到达时间差的测量误差的方差对测量标量乘积矩阵进行修正；通过对修正后的测量标量乘积矩阵进行特征值分解处理，计算得到第一估计点，并计算出一个方向向量，和一个距离估计值，具体包括以下步骤：步骤1.1)、生成测量标量乘积矩阵所述的平面上传感器位置坐标为um＝[xm,ym]T，m＝1,...,M，其中：M表示传感器数量且数量大于等于5个，um表示第m个传感器的位置坐标，xm表示第m个传感器的x轴坐标，ym表示第m个传感器的y轴坐标；根据到达时间差与信号传播速度得到到达距离差：当m＝1时当m＝2,...,M时其中：表示已测量到的信号源u0到各个传感器um的到达时间与信号源u0到第1个传感器u1的到达时间之差，c表示信号传播速度；当m＝2,...,M时，根据的测量误差方差与信号传播速度得到的误差方差其中：表示的测量误差方差，c表示信号传播速度；所述的测量标量乘积矩阵为其中：矩阵的第i行、第j列元素为步骤1.2)、对测量标量乘积矩阵进行修正：得到修正后的测量标量乘积矩阵其中：IM表示M×M单位矩阵，1M表示元素全部为1的M维列向量；步骤1.3)、计算第一估计点和距离估计值，具体包括以下步骤：步骤1.3.1)、对B1-σ2IM作特征值分解：B1-σ2IM＝[v1,...,vM]diag(s1,...,sM)[v1,...,vM]T，其中：v1,...,vM∈RM是两两正交、而且模均为1的向量，特征值矩阵diag(s1,...,sM)表示对角元为s1,...,sM的对角矩阵，对特征值s1,...,sM依绝对值进行降序排列，即|s1|≥...≥|sM|；步骤1.3.2)、由特征向量的线性组合得到系数向量：v1,...,vM为RM的一组标准正交基，故RM中的系数向量v可以表示为v1,...,vM的线性组合v＝k1v1+...+k5v5，当m＝1,...,5时，基vm的组合系数而当m≥6时，基vm的组合系数k6,...,kM均为0；步骤1.3.3)、以系数向量v作为加权系数，对位置坐标矩阵的列向量作线性组合，由此计算出第一估计点和该估计点的一个距离估计值步骤1.4)、计算方向向量p：当则否则其中：||·||表示向量的欧几里德范数；步骤2、在第一估计点的基础上，利用所述的距离估计值和方向向量p，计算得到第二估计点对应的中间参数t2：定义a1＝pT(u(1)-u1)，则当Δ>0，n＝1时定义n＝2时定义否则，n＝1时定义n＝2时无定义；步骤3、以第二估计点对应的参数为初始值，通过二分法求根过程，得到第三估计点对应的参数，进一步计算第三估计点，得到坐标的最终估计值，由此确定信号源的位置，具体步骤包括：步骤3.1)、设定第二估计点u(2)对应的参数t2为初始值：定义fmin＝∞，n＝1，步骤3.2)、二分法求根g(t)＝0，找出第三估计点u(3)对应的参数t3，将u(t)的分量记为xu,yu，将p的分量记为lx,ly，即：u(t)＝[xu,yu]T，p＝[lx,ly]T，对m＝1,...,M，令wm＝[xu-xm,yu-ym]T，dm＝||wm||，进一步令B＝ZT·diag(1,1,-1)·Z，f(t)＝tr((B-B1)2)，其中：tr(·)表示矩阵的迹；步骤3.2.1)、计算g(t2)：u(t2)＝u(1)+t2p，当g(t2)>0，则转步骤3.2.2，否则转步骤3.2.6；步骤3.2.2)、计算g(t2-4σ)：u(t2-4σ)＝u(1)+(t2-4σ)p，当g(t2-4σ)≤0，则取tleft＝t2-4σ，tright＝t2，转步骤3.2.10，否则转步骤3.2.3；步骤3.2.3)、计算g(t2-8σ)：u(t2-8σ)＝u(1)+(t2-8σ)p，计算g(t2-8σ)，当g(t2-8σ)≤0，则取tleft＝t2-8σ，tright＝t2-4σ，转步骤3.2.10，否则转步骤3.2.4；步骤3.2.4)、计算g(t2-12σ)：u(t2-12σ)＝u(1)+(t2-12σ)p，当g(t2-12σ)≤0，则取tleft＝t2-12σ，tright＝t2-8σ，转步骤3.2.10，否则转步骤3.2.5；步骤3.2.5)、计算g(t2-16σ)：u(t2-16σ)＝u(1)+(t2-16σ)p，当g(t2-16σ)≤0，则取tleft＝t2-16σ，tright＝t2-12σ，转步骤3.2.10，否则取t3＝t2-16σ，转步骤3.3；步骤3.2.6)、计算g(t2+4σ)：u(t2+4σ)＝u(1)+(t2+4σ)p，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多维标度子空间分析的三阶段到达时间差定位方法，其特征在于，包括以下三个阶段：第一阶段：获知平面上传感器位置坐标，到达时间差，到达时间差的测量误差的方差和信号传播速度，计算修正的测量标量乘积矩阵，通过特征值分解，计算得到第一估计点和一个距离估计值，并计算得到一个方向向量；第二阶段：在第一估计点的基础上，利用距离估计值和方向向量，计算得到第二估计点对应的参数；第三阶段：以第二估计点所对应的参数为初始值，通过二分法求根过程，得到第三估计点所对应的参数，进一步计算第三估计点，得到坐标的最终估计值，由此确定信号源的位置。

【技术特征摘要】
1.一种基于多维标度子空间分析的三阶段到达时间差定位方法，其特征在于，包括以下三个阶段：第一阶段：获知平面上传感器位置坐标，到达时间差，到达时间差的测量误差的方差和信号传播速度，计算修正的测量标量乘积矩阵其中：矩阵的第i行、第j列元素为通过特征值分解，计算得到第一估计点和一个距离估计值，并计算得到一个方向向量；第二阶段：在第一估计点的基础上，利用距离估计值和方向向量，计算得到第二估计点对应的参数；第三阶段：以第二估计点所对应的参数为初始值，通过二分法求根过程，得到第三估计点所对应的参数，进一步计算第三估计点，得到坐标的最终估计值，由此确定信号源的位置；所述的第一阶段包含如下步骤：步骤1.1)生成测量标量乘积矩阵：所述的平面上传感器位置坐标为um＝[xm,ym]T，m＝1,...,M，其中：M表示传感器数量且数量大于等于5个，um表示第m个传感器的位置坐标，xm表示第m个传感器的x轴坐标，ym表示第m个传感器的y轴坐标；根据到达时间差与信号传播速度得到到达距离差：当m＝1时当m＝2,...,M时其中：表示已测量到的信号源u0到各个传感器um的到达时间与信号源u0到第1个传感器u1的到达时间之差，c表示信号传播速度；当m＝2,...,M时，根据的测量误差方差与信号传播速度得到的误差方差为其中：表示的测量误差方差，c表示信号传播速度；步骤1.2)对测量标量乘积矩阵进行修正：其中：IM表示M×M单位矩阵，1M表示元素全部为1的M维列向量；步骤1.3)计算第一估计点和一个距离估计值包括以下步骤：步骤1.3.1)对B1-σ2IM作特征值分解：B1-σ2IM＝[v1,...,vM]diag(s1,...,sM)[v1,...,vM]T，其中：v1,...,vM∈RM是两两正交、而且模均为1的向量，diag(s1,...,sM)表示对角元为s1,...,sM的对角矩阵，[·]T表...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋武扬，徐昌庆，裴凌，郁文贤，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31