一种优化分布式定位方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种优化分布式定位方法及系统，根据目标信号到达不同远端接收站间时间差序列与目标位置序列间的相关性，采用Kalman滤波对目标信号到达不同远端接收站间的时间差序列进行滤波，以降低目标信号到达不同远端接收站间的时间差测量误差，根据定位方程解算出目标位置，并利用解算出的目标位置对滤波器的参数进行估计及更新。本发明专利技术放松了对物理系统测量精度的严格要求，在不增加系统复杂度和成本的基础上，有效降低分布式定位系统远端接收站测量目标信号到达时间差的测量误差，从而提高系统定位精度，尤其对于静止状态与慢速运动状态的目标定位，使得静止状态目标的定位结果显示由斑状收缩为点状，慢速运动状态的目标定位结果显示由带状收缩到线状，效果最为显著。

【技术实现步骤摘要】
一种优化分布式定位方法及系统
本专利技术涉及定位控制
，尤其涉及一种分布式定位方法及系统、电子设备和可读存储介质。
技术介绍
分布式定位系统，利用分布于不同位置的远端接收站，接收目标发射的信号，通过测量目标信号到达各远端接收站的时间或站间的时间差，实现对目标的定位。多点定位系统即为典型的分布式定位系统。多点定位系统通过测量目标信号到达各远端接收站间的时间差，采用时差定位体制对目标进行定位，广泛运用于民航领域，实现对航空器及机场场面车辆的定位与监视。现有多点定位系统在测量出目标信号到达各远端接收站的时间后，即根据测量到的信号到达各远端接收站的时间计算出信号到达不同站间的时间差，然后利用定位方程解算目标位置。然而实际中，多点定位系统远端接收站间的时钟同步误差、各远端接收站时钟的稳定度和准确度、以及远端接收站对信号到达时间的测量误差等，都会影响远端接收站对信号到达时间的测量精度。如果根据测量到的目标信号到达各远端接收站的时间计算出信号到达不同站间的时间差，然后直接利用定位方程解算目标位置，则系统对目标信号到达时间的测量误差将直接影响目标定位精度。对于正常飞行以及起降滑跑的目标，因目标位置改变量远大于定位误差，定位结果尚能呈现出线状的目标轨迹，但是对于如图1所示目标处于转弯或缓行的慢速运动状态或者如图2所示目标处于等待的静止状态，因目标位置改变量与定位误差相当甚至小于定位误差，则慢速运动状态的目标定位结果会呈现出带状，而静止状态的目标定位结果呈现出斑状。带状与斑状的目标定位结果均不能正确体现目标运行轨迹，也不能正确确定目标精确位置，且带的宽度与斑的直径取决于系统对目标信号到达时间的测量精度。如果要使带状的定位结果收缩为线状，斑状的定位结果收缩为点状，则需要进一步提高系统对目标信号到达时间的测量精度。然而，由于物理测量固有的特性，系统对目标信号到达时间的测量达到一定精度后，进一步提高测量精度非常困难，系统复杂度和成本也急剧增加。因此，还需要有其它有效提高目标定位精度的方法。
技术实现思路
有鉴于此，为达到不需进一步提高系统时间测量精度而有效提高目标定位精度的目的，本专利技术重点分析定位结果产生带状或斑状的原因，提供一种优化分布式定位方法及系统，对分布式定位系统中目标信号到达时间差进行滤波处理，通过不断循环正向优化目标定位位置和滤波参数，放松对物理系统测量精度的严格要求，在不增加系统复杂度和成本的基础上有效降低了远端接收站测量目标信号到达时间差的测量误差，提高了定位精度，使得对静止状态目标的定位结果显示由斑状收缩为点状，慢速运动状态的目标定位结果显示由带状收缩到线状。为了实现上述目的，本专利技术提供的技术方案包括以下四方面内容：本专利技术第一方面提供一种分布式定位方法，具体包括：测量目标信号到达各远端接收站的时间，计算目标信号到达第i与第i+1(i＝1，2…N-1)个远端接收站间的时间差，得到目标信号到达第i与第i+1个远端接收站间时间差的时间序列{tk}；建立目标位置时间序列{sk}与对应的目标信号到达第i与第i+1个远端接收站间时间差的时间序列{tk}的关系式；根据目标信号到达第i与第i+1个接收站间的时间差序列{tk}的状态模型，建立Kalman滤波方程，得到滤波后时间差；利用判决门限判定选取滤波后时间差或者测量时间差为定位时间差，建立定位方程，计算k时刻目标定位位置；根据目标定位位置与目标前一位置，利用目标位置时间序列{sk}与对应的目标信号到达第i与第i+1个远端接收站间时间差的时间序列{tk}的关系式，估算k时刻Kalman滤波过程噪声方差；重复计算k+1时刻即k＝k+1时，目标定位位置及Kalman滤波过程噪声方差。本专利技术另一方面还提供一种分布式定位系统，其特征在于，包括远端接收系统与中央处理系统；远端接收系统包括分布于不同位置的N个远端接收站；中央处理系统包括：TDOA计算模块：根据远端接收系统N个远端接收站测量到的目标信号到达每个远端接收站的时间，计算信号到达两远端接收站间的时间差，获得信号到达两远端接收站间的时间差序列；TDOA滤波器：与TDOA计算模块及滤波参数估计模块相连，用于根据每一时刻下的滤波参数对TDOA计算模块计算出的信号到达两远端接收站间的时间差序列进行Kalman滤波；误差评估与参数选择模块：与TDOA计算模块及TDOA滤波器相连，用于对TDOA滤波后的信号到达远端接收站间的时间差与TDOA计算模块计算出的信号到达远端接收站间的时间差利用判决门限进行误差评估，以选择定位时间差参数；目标位置解算模块：与误差评估与参数选择模块相连，用于根据定位方程以及定位时间差参数，计算每一时刻下目标位置坐标；滤波参数估计模块：与目标位置解算模块相连，用于根据目标位置解算模块计算出的目标位置坐标，估算每一时刻下的Kalman滤波参数，并更新每一时刻下的TDOA滤波器的滤波参数。本专利技术第三方面还提供一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器以及计算机程序，所述计算机程序存储在所述存储器中，所述处理器运行所述计算机程序执行如第一方面提供的任意一种所述的分布式定位方法。本专利技术第四方面还提供一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用于实现如第一方面提供的任意一种所述的分布式定位方法。采用本专利技术提供的上述技术方案，可以获得以下技术效果：1、本专利技术提供的方法和系统，放松了对物理系统测量精度的严格要求，在不增加系统复杂度和成本的基础上，利用目标信号到达不同远端接收站间时间差序列与目标位置序列间的相关性，通过对时间差序列进行滤波，达到了不需进一步提高系统时间测量精度而有效提高目标定位精度的目的。尤其对于静止状态与慢速运动状态的目标定位，使得静止状态目标的定位结果显示由斑状收缩为点状，慢速运动状态的目标定位结果显示由带状收缩到线状，效果最为显著。2、本专利技术采用对实际测量到的时间差zk与经滤波后的时间差进行比较并通过判决门限选择用于解算目标位置的定位时间差参数，这种方法综合利用测量到的信号到达时间直接计算出的时间差与经滤波后的时间差间的误差，对目标运动状态的改变进行判断，并选择合适的时间差参数进行目标定位避免出现因目标运动状态发生急剧改变，滤波器未能及时跟踪上目标运动状态而导致的定位错误问题。3、本专利技术采用不断循环正向优化目标定位位置和滤波参数的方法，在民航领域应用中实现对航空器及机场场面车辆的精准定位与监视，保障航空运行安全，提高民航管理效率。附图说明图1为现有技术中目标处于转弯慢速运动状态的定位结果示意图；图2为现有技术中目标处于等待静止状态的定位结果示意图；图3为优化分布式定位方法的流程图；图4为本专利技术目标处于转弯慢速运动状态的定位结果示意图；图5为本专利技术目标处于等待静止状态的定位结果示意图；图6为分布式定位系统的结构框图；图7为分布式定位系统的工作原理图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种优化分布式定位方法，其特征在于，包括：/n测量目标信号到达各远端接收站的时间，计算k时刻目标信号到达第i与第i+1(i＝1，2…N-1)个远端接收站间的时间差，得到目标信号到达第i与第i+1个远端接收站间时间差的时间序列{t

【技术特征摘要】
1.一种优化分布式定位方法，其特征在于，包括：
测量目标信号到达各远端接收站的时间，计算k时刻目标信号到达第i与第i+1(i＝1，2…N-1)个远端接收站间的时间差，得到目标信号到达第i与第i+1个远端接收站间时间差的时间序列{tk}；
建立目标位置时间序列{sk}与对应的目标信号到达第i与第i+1个远端接收站间时间差的时间序列{tk}的关系式；
根据目标信号到达第i与第i+1个远端接收站间的时间差序列{tk}的状态模型，建立Kalman滤波方程，得到滤波后时间差；
利用判决门限判定选取滤波后时间差或者测量时间差为定位时间差，建立定位方程，计算k时刻目标定位位置；
根据目标定位位置与目标前一位置，利用目标位置时间序列{sk}与对应的目标信号到达第i与第i+1个远端接收站间时间差的时间序列{tk}的关系式，估算k时刻Kalman滤波过程噪声方差；
重复计算k+1时刻即k＝k+1时，目标定位位置及Kalman滤波过程噪声方差。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标位置时间序列{sk}与对应的目标信号到达第i与第i+1个远端接收站间时间差的时间序列{tk}的关系式包括：
对于二维运动目标，
对于三维运动目标，
其中：Δsk＝sk-sk-1，Δtk＝tk-tk-1，
Δsk为k时刻目标运动产生的位置增量，c为信号传输的速度，sk为k时刻目标位置，sk-1为k-1时刻目标位置；
Δtk为k时刻目标信号到达第i与第i+1个远端接收站间的时间差所产生的时间差增量，tk为k时刻目标信号到达第i与第i+1个远端接收站间的时间差，tk-1为k-1时刻目标信号到达第i与第i+1个远端接收站间的时间差。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述Kalman滤波方程包括：
状态更新方程为：



测量更新方程为：









其中，为席时刻先验状态估计，为k时刻后验状态估计，为k时刻先验估计误差方差，Pk为k时刻后验估计误差方差，zk为k时刻测量的时间差，Kk为卡尔曼增益，R为测量噪声方差，T0为远端接收站时钟计时精度。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用判决门限判定选取滤波后时间差或者测量时间差为定位时间差包括：
若
若tk＝zk
其中：T为判决门限，根据远端接收站对目标信号到达时间的测量误差确定；tk为k时刻定位时间差。

【专利技术属性】
技术研发人员：徐自励，华伟，
申请(专利权)人：中国民用航空总局第二研究所，四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51