CN109375165A - 一种tdoa多测量站的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种TDOA多测量站的定位方法，包括以下步骤：首先，选用三个测量站进行解算，为Taylor算法提供初值；当三个测量站解算有解时，判断该解是否位于测量站周围或者延长线周围，如果是，直接用LCLS算法进行计算；否则，将三个测量站解算结果作为Taylor算法的初始迭代值。本发明从初值的角度出发，设计了一种低复杂度的初值计算方法，不需要测量值的先验统计信息，可以为Taylor算法提供有效初值；选取一个好的初值，即初值与真实值之间的距离很近，不仅可以保证迭代的收敛，而且大大降低了迭代过程中对矩阵进行修正的次数，降低了计算复杂度和迭代次数。

Description

一种TDOA多测量站的定位方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种TDOA多测量站的定位方法。

背景技术

TDOA定位是一种无源定位技术，是信号处理领域中的一个研究重点，广泛应用于雷达、声呐、无线通信等领域。在空间布局多台接收机，利用信号到达不同接收机的时间差，形成多个双曲线方程，通过对双曲线方程组的求解实现对目标信号的定位。对于该非线性方程组的求解存在非迭代和迭代算法。典型的非迭代算法有CHAN算法，LCLS(linear-correction least square)算法，迭代算法有Taylor算法，CTLS(Constrained TotalLeast Square)算法。

Taylor算法是一种基于泰勒级数展开的最小二乘估计迭代算法，基本适用于所有的定位系统，并利用测量参量来改善定位精度。首先在目标位置的初始估计点利用泰勒级数展开，忽略二次以上项，将非线性方程变为线性方程，采用最小二乘法进行估计；其次，利用估计的偏移量修正估计的目标位置，不断迭代，最终得到对目标位置的最优估计。

虽然Taylor算法在一定条件下能够得到方程组的精确解，但是，Taylor算法需要一个比较好的初始值，初始值必须靠近理想目标位置才能够保证算法的收敛。如果初始值没有设定好，那么Taylor级数方法可能不收敛，双曲线方程组无解。多数情况下，对双曲线方程组进行线性化不会给位置估计带来更多的误差。但是，GDOP(Geometric DilutionOfPrecision)较差或者噪声比较大条件下进行定位时，线性化操作会带来较大误差，可能导致最小二乘算法求伪逆值偏差极大，最终导致算法不收敛。

已有的算法采用CHAN算法为Taylor算法的提供初值，但是CHAN算法需要测量值的先验统计信息，计算量大，并且噪声测量误差较大时，该算法的性能会显著下降，这样会导致Taylor迭代不收敛。也有的算法对Taylor迭代过程中的迭代矩阵进行修正，如正则化Taylor修正算法，这种算法虽然可以改进Taylor算法收敛情况，但是计算量大，复杂度高。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明提出了一种TDOA多测量站的定位方法，实现了低复杂度初始值的计算，同时，为了进一步保证收敛，采用正则化修正Taylor算法，保证算法的稳健收敛，提高算法的定位精度。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种TDOA多测量站的定位方法，包括以下步骤：

首先，选用三个测量站进行解算，为Taylor算法提供初值；当三个测量站解算有解时，判断该解是否位于测量站周围或者延长线周围，如果是，直接用LCLS算法进行计算；否则，将三个测量站解算结果作为Taylor算法的初始迭代值。

可选地，所述方法还包括：如果迭代次数超过门限值或者计算结果无穷大，那么判定为迭代不收敛，采用正则化Taylor修正算法进行处理。

可选地，所述选用三个测量站进行解算，为Taylor算法提供初值的步骤，包括：

首先，选取三个测量站作为第一组合进行解算，获得三种解：1表示单解，2表示模糊解，0表示无解；

然后，再选取三个测量站作为第二组合进行解算，也会获得三种解：1表示单解，2表示模糊解，0表示无解；

两组测量站组合会出现9种解组合，一个单解和一个模糊解的解组合，或者两个模糊解的解组合找到距离最近两个解，取平均确定最后的解。

可选地，如果出现一个无解和一个模糊解的解组合，或者两个无解的解组合，则无法判定最后的解，则再取三个测量站作为第三组合进行解算，三组测量站的解分别是模糊解、无解、单解的解组合，或者是无解、模糊解、单解的解组合，或者是模糊解、模糊解、单解的解组合，能够找到距离最近两个解，取平均确定最后的解。

本发明的有益效果是：

(1)从初值的角度出发，设计了一种低复杂度的初值计算方法，不需要测量值的先验统计信息，可以为Taylor算法提供有效初值。

(2)选取一个好的初值，即初值与真实值之间的距离很近，不仅可以保证迭代的收敛，而且大大降低了迭代过程中对矩阵进行修正的次数，降低了计算复杂度和迭代次数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种TDOA多测量站的定位方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

通常Taylor算法的初值可以采用CNAN算法给出，但是CHAN算法需要测量值的先验统计信息，计算量大，并且噪声测量误差较大时，该算法的性能会显著下降，这样会导致Taylor迭代不收敛。本发明提出了一种TDOA多测量站的定位方法，不需要测量值的先验统计信息，可以为Taylor算法提供有效初值。

本发明提出了一种TDOA多测量站的定位方法，包括以下步骤：首先，直接选用三个测量站进行解算，为Taylor算法提供初值；当三个测量站解算有解时，判断该解是否位于测量站周围或者延长线周围，如果是，直接用LCLS算法进行计算；否则，三个测量站解算结果可以作为Taylor算法的初始迭代值。

当目标位于测量站周围或者测量站的连线的外延长线时，虽然三站组合可能给出相应的解，但是在这种情况下，三站组合给出的解一般误差很大。因此当三站解算有解时，判断该解是否位于测量站周围或者延长线周围，如果是这种情况，直接用LCLS算法进行计算；否则，三站解算结果可以作为Taylor算法的初始迭代值。

可选地，所述方法还包括：如果迭代次数超过门限值或者计算结果无穷大，那么判定为迭代不收敛，采用已有的正则化Taylor修正算法进行处理。

采用上述给出的初始值进行迭代，在测量噪声特别大的极端情况下，可能会出现不收敛的情况，在这种极端情况下，如果迭代次数超过门限值或者计算结果无穷大，那么判定为迭代不收敛，在这种情况下，采用已有的正则化修正Taylor方法进行处理，进一步保证迭代的收敛。

图1给出了TDOA多测量站的定位方法的一个可选实施例。

该可选实施例中，假设有N个测量站同时接收辐射源发射的信号，首先选取三个测量站作为第一组合进行解算，例如选取测量站1、测量站2、测量站3进行解算，获得三种解：1单解，2模糊解(双解)，0无解。

然后，再选取三个测量站作为第二组合进行解算，例如选取测量站1、测量站2、测量站4进行解算，也会获得三种解：1单解，2模糊解(双解)，0无解。

这样，两个组合会出现9种解的组合，例如，11组合表示第一组合与第二组合的解算结果都是单解的情况，12解组合表示第一组合是单解、第二组合是模糊解的组合，以此类推；一个单解和一个模糊解的组合，或者两个模糊解的组合可以找到距离最近两个解，例如12解组合、21解组合、22解组合可以通过找到距离最近两个解，取平均确定最后的解。

如果出现02、20、00这三种解组合，那么无法判定最后的解，则再取三个测量站作为第三组合进行解算，例如测量站1、测量站4、测量站5的组合。

第一组合与第二组合的解的20解组合与第三组合的单解的组合为201解组合，即三组三站的解分别是模糊解、无解、单解，可以通过找到距离最近两个解，取平均确定最后的解。

同理，如果当出现200，020，000这三种解组合时，无法为Taylor算法提供初始迭代值。

大部分情况下，两组三站组合基本可以给出初始迭代值，计算量低。出现计算三组组合给出初值的情况极少，如果三组组合依然不能给出解，那么直接选用LCLS算法计算。

本发明从初值的角度出发，设计了一种低复杂度的初值计算方法，不需要测量值的先验统计信息，可以为Taylor算法提供有效初值。选取一个好的初值，即初值与真实值之间的距离很近，不仅可以保证迭代的收敛，而且大大降低了迭代过程中对矩阵进行修正的次数，降低了计算复杂度和迭代次数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种TDOA多测量站的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，选用三个测量站进行解算，为Taylor算法提供初值；当三个测量站解算有解时，判断该解是否位于测量站周围或者延长线周围，如果是，直接用LCLS算法进行计算；否则，将三个测量站解算结果作为Taylor算法的初始迭代值。

2.如权利要求1所述的TDOA多测量站的定位方法，其特征在于，还包括：如果迭代次数超过门限值或者计算结果无穷大，那么判定为迭代不收敛，采用正则化Taylor修正算法进行处理。

3.如权利要求1所述的TDOA多测量站的定位方法，其特征在于，所述选用三个测量站进行解算，为Taylor算法提供初值的步骤，包括：

首先，选取三个测量站作为第一组合进行解算，获得三种解：1表示单解，2表示模糊解，0表示无解；

然后，再选取三个测量站作为第二组合进行解算，也会获得三种解：1表示单解，2表示模糊解，0表示无解；

两组测量站组合会出现9种解组合，一个单解和一个模糊解的解组合，或者两个模糊解的解组合找到距离最近两个解，取平均确定最后的解。

4.如权利要求3所述的TDOA多测量站的定位方法，其特征在于，

如果出现一个无解和一个模糊解的解组合，或者两个无解的解组合，则无法判定最后的解，则再取三个测量站作为第三组合进行解算，三组测量站的解分别是模糊解、无解、单解的解组合，或者是无解、模糊解、单解的解组合，或者是模糊解、模糊解、单解的解组合，能够找到距离最近两个解，取平均确定最后的解。