CN112702786B - 一种移动目标定位方法、装置、设备及介质 - Google Patents

一种移动目标定位方法、装置、设备及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种移动目标定位方法、装置、设备及介质，方法包括：对移动目标和若干个移动基站进行实时监测，确定移动目标与移动基站之间的到达角；根据到达角，分别建立移动目标与不同移动基站之间的数学关系表达式，得到时变线性方程组；采用零化动力学方法构建连续模型，根据连续模型求解时变线性方程组；将线性五步法公式和连续模型结合，构建得到离散模型，通过离散模型对移动目标进行定位，得到移动目标的定位信息。本发明将移动目标定位问题转化为时变线性方程组求解问题，并将采用零化动力学方法得到的连续模型和线性五步法公式结合来得到离散模型，以求解时变线性方程组，提高了移动目标的定位精度，可广泛应用于目标定位技术领域。

Description

一种移动目标定位方法、装置、设备及介质
技术领域
本发明涉及目标定位技术领域，尤其是一种移动目标定位方法、装置、设备及介质。
背景技术
现有的定位方法主要包括多点定位方法和协作定位方法。所谓多点定位，就是接收端测量多个发送端发来的信号，根据几何的方法确定自己位置，而这些发送端是已知自己的位置的。比如第四代移动通信系统中通过下行信道发送定位导频信号，然后测量各基站导频信号到达用户端的时间差来估计用户的位置；或者通过测量上行信号的到达角以及到达时间来估计用户的位置。在基站是移动的情况下，如何通过到达角技术简单快捷地实现移动目标的高精度定位是一个值得研究的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种高精度的移动目标定位方法、装置、设备及介质。
本发明实施例的一方面提供了一种移动目标定位方法，包括：
对移动目标和若干个移动基站进行实时监测，确定所述移动目标与所述移动基站之间的到达角；
根据所述到达角，分别建立所述移动目标与不同移动基站之间的数学关系表达式，得到时变线性方程组；
采用零化动力学方法构建连续模型，根据所述连续模型求解所述时变线性方程组；
将线性五步法公式和所述连续模型结合，构建得到离散模型，通过所述离散模型对所述移动目标进行定位，得到所述移动目标的定位信息。
优选地，所述对移动目标和若干个移动基站进行实时监测，确定所述移动目标与所述移动基站之间的到达角，包括：
确定所述移动目标与第一移动基站之间的第一到达角；
确定所述移动目标与第二移动基站之间的第二到达角。
优选地，所述根据所述到达角，分别建立所述移动目标与不同移动基站之间的数学关系表达式，得到时变线性方程组，包括：
根据所述移动目标的位置信息以及所述第一移动基站的位置信息，通过所述第一到达角构建第一数学关系表达式；
根据所述移动目标的位置信息以及所述第二移动基站的位置信息，通过所述第二到达角构建第二数学关系表达式；
根据所述第一数学关系表达式和所述第二数学关系表达式，组合得到时变线性方程组。
优选地，所述采用零化动力学方法构建连续模型，根据所述连续模型求解所述时变线性方程组，包括：
确定一个误差函数；
采用零化动力学设计公式，根据所述误差函数构建得到连续模型；
通过所述连续模型对所述时变线性方程组进行求解。
优选地，所述将线性五步法公式和所述连续模型结合，构建得到离散模型，通过所述离散模型对所述移动目标进行定位，得到所述移动目标的定位信息，包括：
确定一个线性五步法公式；
根据所述线性五步法公式和所述连续模型，构建离散模型；
根据所述离散模型对所述移动目标进行定位，得到所述移动目标的定位信息；
其中，所述线性五步法公式为：
Figure BDA0002828181480000021
其中，k代表更新索引；τ代表采样间隔；tk-j＝(k-j)τ且j＝-1,0,1,2,3,4；f(tk-j)代表f(t)在tk-j时刻的值且j＝-1,0,1；
Figure BDA0002828181480000022
代表f(t)在tk-j时刻的一阶时间导数值且j＝0,1,2,3,4；O(τ6)为所述线性五步法公式的截断误差；所述离散模型为：
Figure BDA0002828181480000023
其中，O(τ6)代表所述离散模型的截断误差；
Figure BDA0002828181480000024
优选地，所述第一数学关系表达式为：
Figure BDA0002828181480000031
所述第二数学关系表达式为：
Figure BDA0002828181480000032
所述时变线性方程组为：A(t)u(t)＝b(t)
其中，(xl(t),yl(t))代表第一移动基站的实时位置；(x2(t),y2(t))代表第二移动基站的实时位置；(x3(t),y3(t))代表移动目标的实时位置；A(t)＝[tan(θl(t)),-1；tan(θ2(t)),-1]；b(t)＝[x1(t)tan(θl(t))-y1(t)；x2(t)tan(θ2(t))-y2(t)]；u(t)＝[x3(t)；y3(t)]。
本发明实施例的另一方面提供了一种移动目标定位装置，包括：
监测模块，用于对移动目标和若干个移动基站进行实时监测，确定所述移动目标与所述移动基站之间的到达角；
第一构建模块，用于根据所述到达角，分别建立所述移动目标与不同移动基站之间的数学关系表达式，得到时变线性方程组；
第二构建模块，用于采用零化动力学方法构建连续模型，根据所述连续模型求解所述时变线性方程组；
第三构建模块，用于将线性五步法公式和所述连续模型结合，构建得到离散模型，通过所述离散模型对所述移动目标进行定位，得到所述移动目标的定位信息。
本发明实施例的另一方面提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序；
所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。
本发明实施例的另一方面提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。
本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。
本发明实施例对移动目标和若干个移动基站进行实时监测，确定所述移动目标与所述移动基站之间的到达角；根据所述到达角，分别建立所述移动目标与不同移动基站之间的数学关系表达式，得到时变线性方程组；采用零化动力学方法构建连续模型，根据所述连续模型求解所述时变线性方程组；将线性五步法公式和所述连续模型结合，构建得到离散模型，通过所述离散模型对所述移动目标进行定位，得到所述移动目标的定位信息。本发明将移动目标定位问题转化为一个时变线性方程组求解问题，并将采用零化动力学方法得到的连续模型和线性五步法公式结合，得到一个离散模型，用来求解该时变线性方程组，从而实现了移动目标的高精度定位。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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为本发明实施例的整体步骤流程图；
图2为本发明涉及的到达角定位技术的实施环境示意图；
图3为本发明实施例提供的移动目标与两个移动基站之间的到达角的示意图；
图4为本发明实施例提供的两个移动基站的轨迹，以及移动目标的估计轨迹与实际轨迹的示意图；
图5为本发明方法计算的移动目标的横纵坐标的估计轨迹与实际轨迹的示意图；
图6为本发明方法计算的残差的示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种移动目标定位方法，如图1所示，包括：
对移动目标和若干个移动基站进行实时监测，确定所述移动目标与所述移动基站之间的到达角；
根据所述到达角，分别建立所述移动目标与不同移动基站之间的数学关系表达式，得到时变线性方程组；
采用零化动力学方法构建连续模型，根据所述连续模型求解所述时变线性方程组；
将线性五步法公式和所述连续模型结合，构建得到离散模型，通过所述离散模型对所述移动目标进行定位，得到所述移动目标的定位信息。
优选地，所述对移动目标和若干个移动基站进行实时监测，确定所述移动目标与所述移动基站之间的到达角，包括：
确定所述移动目标与第一移动基站之间的第一到达角；
确定所述移动目标与第二移动基站之间的第二到达角。
优选地，所述根据所述到达角，分别建立所述移动目标与不同移动基站之间的数学关系表达式，得到时变线性方程组，包括：
根据所述移动目标的位置信息以及所述第一移动基站的位置信息，通过所述第一到达角构建第一数学关系表达式；
根据所述移动目标的位置信息以及所述第二移动基站的位置信息，通过所述第二到达角构建第二数学关系表达式；
根据所述第一数学关系表达式和所述第二数学关系表达式，组合得到时变线性方程组。
优选地，所述采用零化动力学方法构建连续模型，根据所述连续模型求解所述时变线性方程组，包括：
确定一个误差函数；
采用零化动力学设计公式，根据所述误差函数构建得到连续模型；
通过所述连续模型对所述时变线性方程组进行求解。
优选地，所述将线性五步法公式和所述连续模型结合，构建得到离散模型，通过所述离散模型对所述移动目标进行定位，得到所述移动目标的定位信息，包括：
确定一个线性五步法公式；
根据所述线性五步法公式和所述连续模型，构建离散模型；
根据所述离散模型对所述移动目标进行定位，得到所述移动目标的定位信息；
其中，所述线性五步法公式为：
Figure BDA0002828181480000051
其中，k代表更新索引；τ代表采样间隔；tk-j＝(k-j)τ且j＝-1,0,1,2,3,4；f(tk-j)代表f(t)在tk-j时刻的值且j＝-1,0,1；
Figure BDA0002828181480000052
代表f(t)在tk-j时刻的一阶时间导数值且j＝0,1,2,3,4；O(τ6)为所述线性五步法公式的截断误差；所述离散模型为：
Figure BDA0002828181480000061
其中，O(τ6)代表所述离散模型的截断误差；
Figure BDA0002828181480000062
优选地，
所述第一数学关系表达式为：
Figure BDA0002828181480000063
所述第二数学关系表达式为：
Figure BDA0002828181480000064
所述时变线性方程组为：A(t)u(t)＝b(t)
其中，(xl(t),yl(t))代表第一移动基站的实时位置；(x2(t),y2(t))代表第二移动基站的实时位置；(x3(t),y3(t))代表移动目标的实时位置；A(t)＝[tan(θl(t)),-1；tan(θ2(t)),-1]；b(t)＝[x1(t)tan(θl(t))-y1(t)；x2(t)tan(θ2(t))-y2(t)]；u(t)＝[x3(t)；y3(t)]。
下面结合附图，对本发明的具体实现过程进行详细描述：
本发明的目的在于克服现有技术与方法的不足，将移动目标定位问题转化为一个时变线性方程组求解问题，并将采用零化动力学方法得到的连续模型和线性五步法公式结合，得到一个离散模型，用来求解该时变线性方程组，从而实现了移动目标的高精度定位。
为了能够达到上述的发明目的，采用以下技术步骤：
S1、实时监测移动目标与两个移动基站之间的到达角；
S2、建立到达角与移动基站和移动目标之间的数学关系表达式，并统一成一个时变线性方程组；
S3、采用零化动力学方法得到一个连续模型用来求解步骤S2中的时变线性方程组；
S4、将线性五步法公式和步骤S3中的连续模型结合，得到一个离散模型用于实现移动目标的定位。
图2为本发明涉及的到达角定位技术的实施环境示意图。
一种基于到达角技术的移动目标定位方法，在进行数值实验时，移动目标与两个移动基站之间的到达角设定如下：
Figure BDA0002828181480000071
移动基站1的实时位置(x1(tk),y1(tk))设定如下：
Figure BDA0002828181480000072
移动基站2的实时位置(x2(tk),y2(tk))设定如下：
Figure BDA0002828181480000073
任务执行时间设定为T＝60s；零化动力学设计参数设定为η＝2；采样间隔设定为τ＝0.05s；离散模型的初始值设定为u(0)＝[2；2]m。
图3展示的是移动目标与两个移动基站之间的到达角的示意图。移动目标与移动基站1之间的到达角θl(tk)的变化范围在0.5rad到1.5rad之间，移动目标与移动基站2之间的到达角θ2(tk)的变化范围在1.8rad到2.5rad之间。
图4展示的是两个移动基站的轨迹，以及移动目标的估计轨迹与实际轨迹的示意图，其中实线为移动目标的估计轨迹，而虚线为移动目标的实际轨迹。从图4中可见，经过一段时间后，移动目标的估计轨迹与实际轨迹两者几乎重合，说明本发明方法对移动目标定位的有效性。
图5展示了本发明方法计算的移动目标的横纵坐标的估计轨迹与实际轨迹的示意图。从图5中可见，经过很短的一段时间后，移动目标的横坐标的估计轨迹x3(tk)与实际轨迹
Figure BDA0002828181480000074
几乎重合，移动目标的纵坐标的估计轨迹y3(tk)与实际轨迹
Figure BDA0002828181480000075
几乎重合，整体而言，移动目标定位的有效性得到验证。
图6展示了本发明方法计算的残差||e(tk)||2＝||A(tk)u(tk)-b(tk)||2的示意图。从图6中可见，最大的稳态残差大概在10-9m的数量级，具有较高的精度。
综上所述，本发明将移动目标定位问题转化为一个时变线性方程组求解问题，并将采用零化动力学方法得到的连续模型和线性五步法公式结合，得到一个离散模型，用来求解该时变线性方程组，从而实现了移动目标的高精度定位。
本发明实施例还提供了一种移动目标定位装置，包括：
监测模块，用于对移动目标和若干个移动基站进行实时监测，确定所述移动目标与所述移动基站之间的到达角；
第一构建模块，用于根据所述到达角，分别建立所述移动目标与不同移动基站之间的数学关系表达式，得到时变线性方程组；
第二构建模块，用于采用零化动力学方法构建连续模型，根据所述连续模型求解所述时变线性方程组；
第三构建模块，用于将线性五步法公式和所述连续模型结合，构建得到离散模型，通过所述离散模型对所述移动目标进行定位，得到所述移动目标的定位信息。
本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序；
所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。
本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图1所示的方法。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种移动目标定位方法，其特征在于，包括：
确定所述移动目标与第一移动基站之间的第一到达角；
确定所述移动目标与第二移动基站之间的第二到达角；
根据所述移动目标的位置信息以及所述第一移动基站的位置信息，通过所述第一到达角构建第一数学关系表达式；
根据所述移动目标的位置信息以及所述第二移动基站的位置信息，通过所述第二到达角构建第二数学关系表达式；
根据所述第一数学关系表达式和所述第二数学关系表达式，组合得到时变线性方程组；
采用零化动力学方法构建连续模型，根据所述连续模型求解所述时变线性方程组；
所述第一数学关系表达式为：
Figure FDA0003772419420000011
所述第二数学关系表达式为：
Figure FDA0003772419420000012
所述时变线性方程组为：A(t)u(t)＝b(t)
其中，(xl(t),yl(t))代表第一移动基站的实时位置；(x2(t),y2(t))代表第二移动基站的实时位置；(x3(t),y3(t))代表移动目标的实时位置；A(t)＝[tan(θl(t)),-1；tan(θ2(t)),-1]；b(t)＝[x1(t)tan(θl(t))-y1(t)；x2(t)tan(θ2(t))-y2(t)]；u(t)＝[x3(t)；y3(t)]；
确定一个线性五步法公式；
根据所述线性五步法公式和所述连续模型，构建离散模型；
根据所述离散模型对所述移动目标进行定位，得到所述移动目标的定位信息；
其中，所述线性五步法公式为：
Figure FDA0003772419420000013
其中，k代表更新索引；τ代表采样间隔；tk-j＝(k-j)τ且j＝-1,0,1,2,3,4；f(tk-j)代表f(t)在tk-j时刻的值且j＝-1,0,1；
Figure FDA0003772419420000014
代表f(t)在tk-j时刻的一阶时间导数值且j＝0,1,2,3,4；O(τ6)为所述线性五步法公式的截断误差；所述离散模型为：
Figure FDA0003772419420000021
其中，O(τ6)代表所述离散模型的截断误差；
Figure FDA0003772419420000022
2.根据权利要求1所述的一种移动目标定位方法，其特征在于，所述采用零化动力学方法构建连续模型，根据所述连续模型求解所述时变线性方程组，包括：
确定一个误差函数；
采用零化动力学设计公式，根据所述误差函数构建得到连续模型；
通过所述连续模型对所述时变线性方程组进行求解。
3.一种移动目标定位装置，其特征在于，包括：
监测模块，用于确定所述移动目标与第一移动基站之间的第一到达角，确定所述移动目标与第二移动基站之间的第二到达角；
第一构建模块，用于根据所述移动目标的位置信息以及所述第一移动基站的位置信息，通过所述第一到达角构建第一数学关系表达式；根据所述移动目标的位置信息以及所述第二移动基站的位置信息，通过所述第二到达角构建第二数学关系表达式；根据所述第一数学关系表达式和所述第二数学关系表达式，组合得到时变线性方程组；
第二构建模块，用于采用零化动力学方法构建连续模型，根据所述连续模型求解所述时变线性方程组；
所述第一数学关系表达式为：
Figure FDA0003772419420000023
所述第二数学关系表达式为：
Figure FDA0003772419420000024
所述时变线性方程组为：A(t)u(t)＝b(t)
其中，(xl(t),yl(t))代表第一移动基站的实时位置；(x2(t),y2(t))代表第二移动基站的实时位置；(x3(t),y3(t))代表移动目标的实时位置；A(t)＝[tan(θl(t)),-1；tan(θ2(t)),-1]；b(t)＝[x1(t)tan(θl(t))-y1(t)；x2(t)tan(θ2(t))-y2(t)]；u(t)＝[x3(t)；y3(t)]；
第三构建模块，用于确定一个线性五步法公式；根据所述线性五步法公式和所述连续模型，构建离散模型；根据所述离散模型对所述移动目标进行定位，得到所述移动目标的定位信息；其中，所述线性五步法公式为：
Figure FDA0003772419420000031
其中，k代表更新索引；τ代表采样间隔；tk-j＝(k-j)τ且j＝-1,0,1,2,3,4；f(tk-j)代表f(t)在tk-j时刻的值且j＝-1,0,1；
Figure FDA0003772419420000032
代表f(t)在tk-j时刻的一阶时间导数值且j＝0,1,2,3,4；O(τ6)为所述线性五步法公式的截断误差；所述离散模型为：
Figure FDA0003772419420000033
其中，O(τ6)代表所述离散模型的截断误差；
Figure FDA0003772419420000034
4.一种电子设备，其特征在于，包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序；
所述处理器执行所述程序实现如权利要求1-2中任一项所述的方法。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如权利要求1-2中任一项所述的方法。
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