CN112738708B - 一种部分基站位置未知的测向测距定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种部分基站位置未知的测向测距定位方法，属于目标定位技术领域。本发明包括位置未知基站初始位置估计、目标初始位置估计、基站及目标位置迭代估计等步骤。本发明能够在部分基站位置未知的情况下，充分利用基站间和基站对目标的方向、距离测量来对目标进行定位，相较于仅利用位置已知基站的测向测距定位方法，该方法能进一步提升目标定位精度，并同时实现位置未知基站定位，有助于其他目标的定位工作开展。
Description
技术领域
本发明属于目标定位技术领域，具体涉及一种部分基站位置未知的测向测距定位方法。
背景技术
全球卫星导航系统GNSS在军事武器、交通运输以及工业生产等领域均有较为广泛的应用，但GNSS设备受天线端卫星信号质量影响较大，包括军事应用中的故意干扰和生活环境中的自然遮挡、非故意干扰等降低了其连续导航能力。因此，研究一些GNSS拒止环境下的目标定位技术成为迫切需要。基于测向测距的定位技术利用目标到位置已知基站的方向、距离等测量来实现对目标的定位。在二维平面，仅需一个位置已知基站便可实现目标定位；但是方向、距离测量是有误差的，使得单站测向测距定位精度不高，因此联合多个位置已知基站的方向、距离测量来对目标进行定位十分具有应用前景。
在实际工程应用中，由于新建的基站位置信息不易获得，或者其他方面的因素造成基站位置信息的缺失，使得无法直接利用该类基站进行目标定位，进而浪费其测向测距信息。申请号为CN201710554722.5的中国专利公开了一种定位基站和终端的方法，能够在目标基站位置未知的情况下定位目标终端，但是该方法针对非合作定位系统，且采用了第三方测向设备，实用性受限。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种部分基站位置未知的测向测距定位方法，该方法充分利用基站间及基站对目标的测向测距信息来对位置未知基站和目标进行定位，进而提升目标定位精度。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种部分基站位置未知的测向测距定位方法，包括以下步骤：
(1)设置方向、距离测量误差协方差矩阵Q；
(2)利用位置已知基站的位置坐标p1和位置已知基站对位置未知基站的方向测量θ、距离测量d，得到位置未知基站的初始位置估计
(3)利用位置已知基站的位置坐标p1、位置未知基站的初始位置估计
以及位置已知、位置未知基站对目标的方向测量θ1、θ2及距离测量d1、d2，得到目标的初始位置估计
(4)利用高斯-牛顿迭代法对目标和位置未知基站的位置进行迭代估计，具体方式为：
(401)设置迭代总次数I，初始化当前迭代次数i＝0，当前估计结果x0为：
(402)计算方向、距离参数对目标、位置未知基站的位置x的导数J：
其中，
h(x)＝[θ′(x) θ′1(x) θ′2(x) d′(x) d′1(x) d′2(x)]T
d′(x)＝||x[3:4]-p1||2
d′1(x)＝||x[1:2]-p1||2
d′2(x)＝||x[1:2]-x[3:4]||2
式中，x[n]表示向量x的第n个元素，x[m:n]表示向量x的第m至第n个元素，p1[n]表示向量p1的第n个元素，|| ||2表示2-范数；
(403)计算第i+1次迭代的估计结果：
xi+1＝xi-(JTQ-1J)-1JTQ-1(h(xi)-h)
其中，
h＝[θ θ1 θ2 d d1 d2]T
(404)若迭代次数i＜I，则重复步骤(402)和(403)，否则输出估计结果xI，完成对目标的定位。
与现有技术相比，本发明技术方案的优点是：
1、本发明能够在部分基站位置未知的情况下，充分利用基站间和基站对目标的方向、距离测量来对目标进行定位。
2、相较于仅利用位置已知基站的测向测距定位方法，本发明能进一步提升目标定位精度，并同时实现位置未知基站定位，有助于其他目标的定位工作开展。
附图说明
图1是本发明实施例中定位方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步的详细描述。
一种部分基站位置未知的测向测距定位方法，包括以下步骤：
(1)设置方向、距离测量误差协方差矩阵Q；
(2)利用位置已知基站的位置坐标p1和位置已知基站对位置未知基站的方向测量θ、距离测量d，得到位置未知基站的初始位置估计
(3)利用位置已知基站的位置坐标p1、位置未知基站的初始位置估计
以及位置已知、位置未知基站对目标的方向测量θ1、θ2及距离测量d1、d2，得到目标的初始位置估计
(4)利用高斯-牛顿迭代法对目标和位置未知基站的位置进行迭代估计，具体方式为：
(401)设置迭代总次数I，初始化当前迭代次数i＝0，当前估计结果x0为：
(402)计算方向、距离参数对目标、位置未知基站的位置x的导数J：
其中，
h(x)＝[θ′(x) θ′1(x) θ′2(x) d′(x) d′1(x) d′2(x)]T
d′(x)＝||x[3:4]-p1||2
d′1(x)＝||x[1:2]-p1||2
d′2(x)＝||x[1:2]-x[3:4]||2
式中，x[n]表示向量x的第n个元素，x[m:n]表示向量x的第m至第n个元素，p1[n]表示向量p1的第n个元素，|| ||2表示2-范数；
(403)计算第i+1次迭代的估计结果：
xi+1＝xi-(JTQ-1J)-1JTQ-1(h(xi)-h)
其中，
h＝[θ θ1 θ2 d d1 d2]T
(404)若迭代次数i＜I，则重复步骤(402)和(403)，否则输出估计结果xI，完成对目标的定位。
以下为一个更具体的例子：
位置已知基站1、位置未知基站2和目标的坐标分别为(0,0)、(2.0835，2.6483)、(2.4891，4.7635)，其单位均为千米。目标到基站1的方向、距离真实值分别为27.5884°、5.3746千米，目标到基站2的方向、距离真实值分别为10.8556°、2.1537千米，基站2到基站1的方向、距离真实值分别为38.1923°、3.3696千米。
本实施例的具体流程如下：
(1)设置位置已知基站1的位置坐标p1＝[0 0]T，基站1对目标的方向测量θ1＝26.2726、距离测量d1＝5344.0，位置未知基站2对目标的方向测量θ2＝12.5542、距离测量d2＝2122.3，基站1对基站2的方向测量θ＝39.8086、距离测量d＝3298.5，方向、距离测量误差协方差矩阵为Q＝diag([32 32 32 502 502 502])；
(2)利用基站1的位置坐标p1和基站1对基站2的方向测量θ、距离测量d得到基站2的初始位置估计：
(3)利用基站1的位置坐标p1、基站2的初始位置估计
和基站1、2对目标的方向测量θ1、θ2及距离测量d1、d2得到目标的初始位置估计
(4)利用高斯-牛顿迭代法对目标和基站2的位置进行迭代估计：
a)设置迭代总次数I＝20，初始化当前迭代次数i＝0，当前估计结果为：
xi＝[2.4693 4.6987 2.1118 2.5339]T
b)计算方向、距离参数对目标、基站2位置的导数：
其中
h(x)＝[θ(x) θ1(x) θ2(x) d(x) d1(x) d2(x)]T
c)计算第i+1次迭代的估计结果
xi+1＝xi-(JTQ-1J)-1JTQ-1(h(xi)-h)
其中
h＝[θ θ1 θ2 d d1 d2]T
d)若迭代次数i＜I，则重复步骤b)和c)，否则输出估计结果xI＝[2.5069 4.69972.0440 2.6096]T。
以目标的二维坐标位置估计与目标的真实二维坐标之间的距离作为定位误差。本实例中，在基站1对目标的方向、距离测量误差分别为1.3158°、30.6072米，位置未知基站2对目标的方向、距离测量误差分别为1.6986°、31.3824米，基站1对基站2的方向、距离测量误差分别为1.6163°、71.1586米时，本方法确定的目标二维坐标为(2.5069,4.6997)千米。可见，本方法的定位误差为66.2994米。然而，若仅利用基站1的测向测距来对目标进行定位，则定位误差为126.8188米。因此，本发明方法能显著提升目标定位精度。此外，本发明确定了位置未知基站2的坐标为(2.0440，2.6096)千米，使得该基站可直接用于其他目标的定位。
Claims (1)
1.一种部分基站位置未知的测向测距定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设置方向、距离测量误差协方差矩阵Q；
(2)利用位置已知基站的位置坐标p1和位置已知基站对位置未知基站的方向测量θ、距离测量d，得到位置未知基站的初始位置估计
(3)利用位置已知基站的位置坐标p1、位置未知基站的初始位置估计
以及位置已知、位置未知基站对目标的方向测量θ1、θ2及距离测量d1、d2，得到目标的初始位置估计
(4)利用高斯-牛顿迭代法对目标和位置未知基站的位置进行迭代估计，具体方式为：
(401)设置迭代总次数I，初始化当前迭代次数i＝0，当前估计结果x0为：
(402)计算方向、距离参数对目标、位置未知基站的位置x的导数J：
其中，
h(x)＝[θ′(x) θ′1(x) θ′2(x) d′(x) d′1(x) d′2(x)]T
d′(x)＝||x[3:4]-p1||2
d′1(x)＝||x[1:2]-p1||2
d′2(x)＝||x[1:2]-x[3:4]||2
式中，x[n]表示向量x的第n个元素，x[m:n]表示向量x的第m至第n个元素，p1[n]表示向量p1的第n个元素，|| ||2表示2-范数；
(403)计算第i+1次迭代的估计结果：
xi+1＝xi-(JTQ-1J)-1JTQ-1(h(xi)-h)
其中，
h＝[θ θ1 θ2 d d1 d2]T
(404)若迭代次数i＜I，则重复步骤(402)和(403)，否则输出估计结果xI，完成对目标的定位。
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| CN112738708A CN112738708A (zh) | 2021-04-30 |
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| CN107318161A (zh) * | 2017-07-10 | 2017-11-03 | 广州慧睿思通信息科技有限公司 | 定位基站和终端的方法 |
| CN109889971A (zh) * | 2019-01-30 | 2019-06-14 | 浙江大学 | 应用于大型室内环境的基站三维协作定位方法 |
| CN110933630A (zh) * | 2019-11-27 | 2020-03-27 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 基于超宽带通信的室内三维定位方法及装置 |
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