CN112835020A - 面向非视距参数估计的刚体定位方法 - Google Patents

面向非视距参数估计的刚体定位方法 Download PDF

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CN112835020A CN202110010764.9A CN202110010764A CN112835020A CN 112835020 A CN112835020 A CN 112835020A CN 202110010764 A CN202110010764 A CN 202110010764A CN 112835020 A CN112835020 A CN 112835020A
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Abstract

一种面向非视距参数估计的刚体定位方法，由提取接收信号强度信息、确定刚体定位的能域参数、构建刚体定位目标函数、确定全局坐标系中刚体节点位置、确定非视距偏差平均值、确定刚体位姿参数组成。本发明根据非视距环境下的刚体定位模型，采用无线信号中接收信号强度信息确定非视距环境中的刚体位姿参数，避免了基于距离测量的刚体定位中所需的时钟同步问题，解决了非视距环境中的刚体定位，同时能确定非视距偏差平均值，保证了非视距环境中刚体定位的鲁棒性。

Description

面向非视距参数估计的刚体定位方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及到在非视距环境下无线信号的刚体定位。
背景技术
近年来，随着传感器网络以及物联网技术的快速发展，如机器人系统、雷达、声呐等各种智能设备及高科技应用不仅需要获取目标的位置信息，而且需掌控其姿态。然而在实际应用场景中，障碍物的存在对刚体定位性能的影响已经很普遍。由于障碍物的位置和运动状态等存在不确定性，从而引起定位信号的折射、反射和散射等，使得信号传输过程中出现多径效应，导致信号强度测量误差增大，进而使得刚体目标定位精度下降。因此，研究非视距环境下的高精度刚体定位算法就显得极其重要。
目前，刚体定位方法多采用分治法与半正定松弛法，如S.Chen和K.C.Ho等人的《Accurate localization of a rigid body using multiple sensors and landmarks》针对静止与运动两种场景中的刚体定位问题引入分治法，利用欧拉角和加权最小二乘法初始估计出刚体目标的旋转矩阵及位移矢量，再对其进行修正得到刚体位姿参数的最优精度解。J.Jiang和G.Wang等人的《Accurate Rigid Body Localization via SemidefiniteRelaxation Using Range Measurements》基于无线信号的距离测量参数，将半正定松弛法应用于最大似然估计实现了刚体目标的精确定位。
上述现有技术的缺点如下：
(1)基于距离测量的刚体定位技术需要严格的时钟同步问题，难以满足复杂的实际应用环境。
(2)在提取无线信号测量参数方面，现有技术仅研究了视距环境下的刚体定位，未考虑非视距传输对刚体定位性能的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提出一种应用在非视距环境下，面向非视距偏差估计的刚体定位方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案是由下述步骤组成：
(1)提取接收信号强度信息
根据非视距传输环境下的刚体定位模型，利用锚节点对刚体目标进行定位，定位方法如下：
第m个锚节点从第i个刚体节点发射的无线信号中提取刚体定位中能域的接收信号强度信息Pmi：
Figure BDA0002884990280000021
其中am表示锚节点在三维全局坐标系中的位置坐标，am为[xm,ym,zm]T，m为1,2,…,M，M是锚节点个数，M取值为≥4的正整数；si表示刚体节点在三维全局坐标系中的位置坐标，si为[xi,yi,zi]T，i为1,2,…,N，N是刚体节点个数，N取值为≥3的正整数；||*||为欧几里得范数；r0为单位距离，r0取值为1m；Pi为第i个刚体节点在单位距离的发射信号强度；k为传输路径损耗，k取值为3；lmi为接收信号强度中所包含的对数型阴影衰落，服从均值为零、方差为
Figure BDA00028849902800000211
的高斯分布；βmi为非视距传输偏差。
(2)确定刚体定位的能域参数
按下式确定接收信号强度测量值
Figure BDA0002884990280000022
Figure BDA0002884990280000023
其中
Figure BDA0002884990280000024
表示第i个刚体节点至M个锚节点的非视距偏差平均值，
Figure BDA0002884990280000025
为
Figure BDA0002884990280000026
(3)构建刚体定位目标函数
采用最小二乘法按下式构建能域内刚体目标定位的最小化函数：
Figure BDA0002884990280000027
Figure BDA0002884990280000028
Figure BDA0002884990280000029
Figure BDA00028849902800000210
Figure BDA0002884990280000031
其中ωmi为能域加权权重。
(4)确定全局坐标系中刚体节点位置
1)将非视距偏差平均值初始化为
Figure BDA0002884990280000032
Figure BDA0002884990280000033
2)按下式得到广义信赖域子问题：
Figure BDA0002884990280000034
其中||Wi(Aiyi-Zi)||2为最小化的目标函数，
Figure BDA0002884990280000035
为约束条件，yi为含有全局坐标系中刚体节点位置的辅助变量，加权矩阵Wi表示为：
Figure BDA0002884990280000036
Figure BDA0002884990280000037
目标函数中的矩阵Ai、Zi分别为：
Figure BDA0002884990280000038
Figure BDA0002884990280000039
Figure BDA00028849902800000310
约束条件中的矩阵B、D分别为：
Figure BDA00028849902800000311
Figure BDA00028849902800000312
其中I表示单位矩阵，0表示全零矩阵，K表示矩阵维度，K取值为3。
3)用二分法确定刚体节点位置：
Figure BDA0002884990280000041
其中
Figure BDA0002884990280000042
是利用二分法所确定的第i个刚体节点在全局坐标系中的位置，
Figure BDA0002884990280000043
为
Figure BDA0002884990280000044
(5)确定非视距偏差平均值
1)用最大似然估计法确定刚体定位中的非视距偏差平均值
Figure BDA0002884990280000045
Figure BDA0002884990280000046
2)将得到的非视距偏差平均值
Figure BDA0002884990280000047
代回步骤(4)的步骤1)中，替换已初始化为零的非视距偏差平均值，确定N个刚体节点的定位精度是否满足
Figure BDA0002884990280000048
当满足时停止迭代，确定最终得到的非视距偏差平均值和刚体节点位置，否则重复上述操作。
(6)确定刚体位姿参数
1)刚体节点在局部坐标系和全局坐标系的位置关系按下式确定：
Figure BDA0002884990280000049
其中ci为第i个刚体节点在局部坐标系的位置，ci是[xi,yi,zi]T，Q为刚体旋转矩阵，t为刚体位移矢量。
2)采用最小二乘法确定刚体旋转矩阵Q：
Q＝Vdiag([1T,det(VUT)]T)UT (7)
Figure BDA00028849902800000410
qi＝RiI-1
Figure BDA00028849902800000411
Figure BDA00028849902800000412
Figure BDA00028849902800000413
Figure BDA00028849902800000414
其中，SVD表示奇异值分解，Ri为
Figure BDA00028849902800000415
协方差矩阵的逆矩阵，
Figure BDA00028849902800000416
为全局坐标系中N个刚体节点位置坐标的加权平均，
Figure BDA00028849902800000417
为局部坐标系中N个刚体节点位置坐标的加权平均。
3)确定刚体位移矢量t：
Figure BDA00028849902800000418
确定了面向非视距参数估计的刚体位置和方向。
在本发明的提取接收信号强度信息步骤(1)中，所述的M取值为4～10，N取值为3～10，σmi取值为0.1～0.6dBm，βmi取值为0～2dBm。
在本发明的提取接收信号强度信息步骤(1)中，所述的M取值最佳为5，N取值最佳为5，
Figure BDA0002884990280000051
取值最佳为0.1～0.6dBm，βmi取值最佳为0～2dBm。
本发明采用了提取无线信号中接收信号强度信息，对测量信息中的非视距偏差取平均值确定刚体目标的能域定位参数；根据非视距环境下的刚体定位模型，利用最小二乘法构建刚体定位目标函数；对非视距偏差平均值初始化，将目标函数转变为广义信赖域子问题确定刚体节点位置及非视距偏差平均值；将已确定的刚体节点位置结合刚体定位模型，确定非视距环境中的刚体位姿参数。解决了非视距环境中的刚体定位问题，同时能确定非视距偏差平均值，保证了非视距环境中刚体定位的鲁棒性。
本发明具有以下优点：
(1)采用了无线信号传输的接收信号强度信息进行刚体定位，避免了基于距离测量的刚体定位中所需的时钟同步问题。
(2)考虑实际应用场景中的非视距偏差先验信息未知时，结合刚体定位模型确定非视距偏差信息，有效地应对非视距环境下的刚体定位问题。
附图说明
图1是本发明实施例1的流程图。
图2是在不同测量误差σmi情况下，旋转矩阵Q的均方根误差性能曲线。
图3是在不同测量误差σmi情况下，位移矢量t的均方根误差性能曲线。
图4是在不同非视距偏差βmi情况下，旋转矩阵Q的均方根误差性能曲线。
图5是在不同非视距偏差βmi情况下，位移矢量t的均方根误差性能曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例面向非视距参数估计的刚体定位方法由下述步骤组成(参见图1)：
(1)提取接收信号强度信息
根据非视距传输环境下的刚体定位模型，利用锚节点对刚体目标进行定位，定位方法如下。
第m个锚节点从第i个刚体节点发射的无线信号中提取刚体定位中能域的接收信号强度信息Pmi：
Figure BDA0002884990280000061
其中am表示锚节点在三维全局坐标系中的位置坐标，am为[xm,ym,zm]T，m为1,2,…,M，M是锚节点个数，M取值为≥4的正整数，本实施例的M取值为5；si表示刚体节点在三维全局坐标系中的位置坐标，si为[xi,yi,zi]T，i为1,2,…,N，N是刚体节点个数，N取值为≥3的正整数，本实施例的N取值为5；||*||为欧几里得范数；r0为单位距离，r0取值为1m；Pi为第i个刚体节点在单位距离的发射信号强度；k为传输路径损耗，k取值为3；lmi为接收信号强度中所包含的对数型阴影衰落，服从均值为零、方差为
Figure BDA0002884990280000062
的高斯分布，本实施例的σmi取值为0.1～0.6dBm；βmi为非视距传输偏差，本实施例的βmi取值为1dBm。
在该步骤中，采用无线信号传输的接收信号强度信息进行刚体定位，避免了基于距离测量的刚体定位中所需的时钟同步问题。
(2)确定刚体定位的能域参数
按下式确定接收信号强度测量值
Figure BDA0002884990280000063
Figure BDA0002884990280000064
其中
Figure BDA0002884990280000065
表示第i个刚体节点至M个锚节点的非视距偏差平均值，
Figure BDA0002884990280000066
为
Figure BDA0002884990280000067
M取值与步骤(1)相同。
(3)构建刚体定位目标函数
采用最小二乘法按下式构建能域内刚体目标定位的最小化函数：
Figure BDA0002884990280000068
Figure BDA0002884990280000069
Figure BDA0002884990280000071
Figure BDA0002884990280000072
Figure BDA0002884990280000073
其中ωmi为能域加权权重。
(4)确定全局坐标系中刚体节点位置
1)将非视距偏差平均值初始化为
Figure BDA0002884990280000074
Figure BDA0002884990280000075
2)按下式得到广义信赖域子问题：
Figure BDA0002884990280000076
其中||Wi(Aiyi-Zi)||2为最小化的目标函数，
Figure BDA0002884990280000077
为约束条件，yi为含有刚体节点位置的辅助变量，加权矩阵Wi表示为：
Figure BDA0002884990280000078
Figure BDA0002884990280000079
目标函数中的矩阵Ai、Zi分别为：
Figure BDA00028849902800000710
Figure BDA00028849902800000711
Figure BDA00028849902800000712
约束条件中的矩阵B、D分别为：
Figure BDA00028849902800000713
Figure BDA0002884990280000081
其中I表示单位矩阵，0表示全零矩阵，K表示矩阵维度，K取值为3。
3)用二分法确定刚体节点位置：
Figure BDA0002884990280000082
其中
Figure BDA0002884990280000083
是利用二分法所确定的第i个刚体节点在全局坐标系中的位置，
Figure BDA0002884990280000084
为
Figure BDA0002884990280000085
(5)确定非视距偏差平均值
1)用最大似然估计法确定刚体定位中的非视距偏差平均值
Figure BDA0002884990280000086
Figure BDA0002884990280000087
2)将得到的非视距偏差平均值
Figure BDA0002884990280000088
代回步骤(4)的步骤1)中，替换已初始化为零的非视距偏差平均值，确定N个刚体节点的定位精度是否满足
Figure BDA0002884990280000089
当满足时停止迭代，确定最终得到的非视距偏差平均值和刚体节点位置，否则重复上述操作。
在该步骤中，考虑实际应用场景中的非视距偏差先验信息未知时，结合刚体定位模型确定非视距偏差信息，有效地应对非视距环境下的刚体定位问题。
(6)确定刚体位姿参数
1)刚体节点在局部坐标系和全局坐标系的位置关系按下式确定：
Figure BDA00028849902800000810
其中ci为第i个刚体节点在局部坐标系的位置，ci是[xi,yi,zi]T，Q为刚体的旋转矩阵，t为刚体位移矢量。
2)采用最小二乘法确定刚体旋转矩阵Q：
Q＝Vdiag([1T,det(VUT)]T)UT (7)
Figure BDA00028849902800000811
qi＝RiI-1
Figure BDA00028849902800000812
Figure BDA00028849902800000813
Figure BDA00028849902800000814
Figure BDA0002884990280000091
其中，SVD表示奇异值分解，Ri为
Figure BDA0002884990280000092
协方差矩阵的逆矩阵，
Figure BDA0002884990280000093
为全局坐标系中N个刚体节点位置坐标的加权平均，
Figure BDA0002884990280000094
为局部坐标系中N个刚体节点位置坐标的加权平均。
3)确定刚体位移矢量t：
Figure BDA0002884990280000095
确定了面向非视距参数估计的刚体位置和方向。
实施例2
本实施例面向非视距参数估计的刚体定位方法由下述步骤组成：
(1)提取接收信号强度信息
根据非视距传输环境下的刚体定位模型，利用锚节点对刚体目标进行定位，定位方法如下。
第m个锚节点从第i个刚体节点发射的无线信号中提取刚体定位中能域的接收信号强度信息Pmi：
Figure BDA0002884990280000096
其中am表示锚节点在三维全局坐标系中的位置坐标，am为[xm,ym,zm]T，m为1,2,…,M，M是锚节点个数，M取值为≥4的正整数，本实施例的M取值为5；si表示刚体节点在三维全局坐标系中的位置坐标，si为[xi,yi,zi]T，i为1,2,…,N，N是刚体节点个数，N取值为≥3的正整数，本实施例的N取值为5；||*||为欧几里得范数；r0为单位距离，r0取值为1m；Pi为第i个刚体节点在单位距离的发射信号强度；k为传输路径损耗，k取值为3；lmi为接收信号强度中所包含的对数型阴影衰落，服从均值为零、方差为
Figure BDA0002884990280000097
的高斯分布，本实施例的σmi取值为0.2dBm；βmi为非视距传输偏差，本实施例的βmi取值为0.1～0.6dBm。
其它步骤与实施例1相同。确定了面向非视距参数估计的刚体位置和方向。
实施例3
本实施例面向非视距参数估计的刚体定位方法由下述步骤组成：
(1)提取接收信号强度信息
根据非视距传输环境下的刚体定位模型，利用锚节点对刚体目标进行定位，定位方法如下：
第m个锚节点从第i个刚体节点发射的无线信号中提取刚体定位中能域的接收信号强度信息Pmi：
Figure BDA0002884990280000101
其中am表示锚节点在三维全局坐标系中的位置坐标，am为[xm,ym,zm]T，m为1,2,…,M，M是锚节点个数，M取值为≥4的正整数，本实施例的M取值为4；si表示刚体节点在三维全局坐标系中的位置坐标，si为[xi,yi,zi]T，i为1,2,…,N，N是刚体节点个数，N取值为≥3的正整数，本实施例的N取值为3；||*||为欧几里得范数；r0为单位距离，r0取值为1m；Pi为第i个刚体节点在单位距离的发射信号强度；k为传输路径损耗，k取值为3；lmi为接收信号强度中所包含的对数型阴影衰落，服从均值为零、方差为
Figure BDA0002884990280000102
的高斯分布，本实施例的σmi取值为0.1dBm；βmi为非视距传输偏差，本实施例的βmi取值为0dBm。
其它步骤与实施例1相同。确定了面向非视距参数估计的刚体位置和方向。
实施例4
本实施例面向非视距参数估计的刚体定位方法由下述步骤组成：
(1)提取接收信号强度信息
根据非视距传输环境下的刚体定位模型，采用锚节点对刚体目标进行定位，定位方法如下：
第m个锚节点从第i个刚体节点发射的无线信号中提取刚体定位中能域的接收信号强度信息Pmi：
Figure BDA0002884990280000103
其中am表示锚节点在三维全局坐标系中的位置坐标，am为[xm,ym,zm]T，m为1,2,…,M，M是锚节点个数，M取值为≥4的正整数，本实施例的M取值为10；si表示刚体节点在三维全局坐标系中的位置坐标，si为[xi,yi,zi]T，i为1,2,…,N，N是刚体节点个数，N取值为≥3的正整数，本实施例的N取值为10；||*||为欧几里得范数；r0为单位距离，r0取值为1m；Pi为第i个刚体节点在单位距离的发射信号强度；k为传输路径损耗，k取值为3；lmi为接收信号强度中所包含的对数型阴影衰落，服从均值为零、方差为
Figure BDA0002884990280000104
的高斯分布，本实施例的σmi取值为0.6dBm；βmi为非视距传输偏差，本实施例的βmi取值为2dBm。
其它步骤与实施例1相同。确定了面向非视距参数估计的刚体位置和方向。
为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1、2的面向非视距参数估计的刚体定位方法与分治法(DAC)、半正定松弛法(SDR)进行了仿真对比实验，实验结果如下：
1、实验条件
每次仿真中M个锚节点被随机均匀放置于B×B×B的三维区域内，B取值为30m，刚体节点在局部坐标系中的位置由矩阵C确定：
Figure BDA0002884990280000111
其中矩阵C中第i列所构成的向量表示第i个刚体节点在局部坐标系中的位置。蒙特卡洛仿真次数为L，其余参数设定：L＝1000、t＝[10,-10,10]Tm、Pi＝20dBm、k＝3、r0＝1m、M＝4、N＝5。刚体在全局坐标系中旋转矩阵由Q确定：
Figure BDA0002884990280000112
该方法的定位性能评价指标为均方误差，其定义为：
Figure BDA0002884990280000113
其中
Figure BDA0002884990280000114
表示在第l次蒙特卡洛仿真中旋转矩阵的估计值，
Figure BDA0002884990280000115
其中
Figure BDA0002884990280000116
表示在第l次蒙特卡洛仿真中位移矢量的估计值。
2、仿真实验
(1)仿真实验1
本实验采用实施例1的方法进行仿真实验。非视距偏差βmi取值为1dBm，对各种方法在不同测量误差σmi情况下进行仿真，仿真结果如图2、3所示，图2是刚体目标旋转矩阵Q的均方根误差性能曲线，图3是刚体目标位移矢量t的均方根误差性能曲线，在图2、3中，RSS曲线表示实施例1的方法，DAC曲线表示分治法，SDR曲线表示半正定松弛法，当σmi增大时，所有方法对刚体目标旋转矩阵和位移矢量的定位性能都出现了恶化，但仍能证明在非视距环境下，实施例1的方法对于刚体定位性能更优。
(2)仿真实验2
本实验采用实施例2的方法进行仿真实验。测量误差σmi取值为0.2dBm，对各种方法在不同非视距偏差βmi情况下进行仿真，仿真结果如图4、5所示，图4是刚体目标旋转矩阵Q的均方根误差性能曲线，图5是刚体目标位移矢量t的均方根误差性能曲线，在图4、5中，RSS曲线表示实施例1的方法，DAC曲线表示分治法，SDR曲线表示半正定松弛法，当非视距偏差βmi增大时，所有方法对刚体目标旋转矩阵和位移矢量的定位精度都有所下降，但仍能证明在非视距环境下，实施例2的方法对于刚体定位性能更优。
3、仿真实验结果
综合上述仿真结果和分析，通过对比不同刚体定位方法在非视距环境下的刚体定位性能，验证了本发明方法的有效性、可靠性与鲁棒性，在非视距环境下使用该定位方法，能够有效地确定刚体节点位置及非视距偏差平均值，保证了非视距环境下的刚体定位精度。

Claims (3)

1.一种面向非视距参数估计的刚体定位方法，其特征在于由下述步骤组成：
(1)提取接收信号强度信息
根据非视距传输环境下的刚体定位模型，利用锚节点对刚体目标进行定位，定位方法如下：
第m个锚节点从第i个刚体节点发射的无线信号中提取刚体定位中能域的接收信号强度信息Pmi：
Figure FDA0002884990270000011
其中am表示锚节点在三维全局坐标系中的位置坐标，am为[xm,ym,zm]T，m为1,2,…,M，M是锚节点个数，M取值为≥4的正整数；si表示刚体节点在三维全局坐标系中的位置坐标，si为[xi,yi,zi]T，i为1,2,…,N，N是刚体节点个数，N取值为≥3的正整数；||*||为欧几里得范数；r0为单位距离，r0取值为1m；Pi为第i个刚体节点在单位距离的发射信号强度；k为传输路径损耗，k取值为3；lmi为接收信号强度中所包含的对数型阴影衰落，服从均值为零、方差为
Figure FDA0002884990270000012
的高斯分布；βmi为非视距传输偏差；
(2)确定刚体定位的能域参数
按下式确定接收信号强度测量值
Figure FDA0002884990270000013
Figure FDA0002884990270000014
其中
Figure FDA0002884990270000015
表示第i个刚体节点至M个锚节点的非视距偏差平均值，
Figure FDA0002884990270000016
为
Figure FDA0002884990270000017
(3)构建刚体定位目标函数
采用最小二乘法按下式构建能域内刚体目标定位的最小化函数：
Figure FDA0002884990270000018
Figure FDA0002884990270000019
Figure FDA00028849902700000110
Figure FDA00028849902700000111
Figure FDA0002884990270000021
其中ωmi为能域加权权重；
(4)确定全局坐标系中刚体节点位置
1)将非视距偏差平均值初始化为
Figure FDA0002884990270000022
Figure FDA0002884990270000023
2)按下式得到广义信赖域子问题：
Figure FDA0002884990270000024
其中||Wi(Aiyi-Zi)||2为最小化的目标函数，
Figure FDA0002884990270000025
为约束条件，yi为含有全局坐标系中刚体节点位置的辅助变量，加权矩阵Wi表示为：
Figure FDA0002884990270000026
Figure FDA0002884990270000027
目标函数中的矩阵Ai、Zi分别为
Figure FDA0002884990270000028
Figure FDA0002884990270000029
Figure FDA00028849902700000210
约束条件中的矩阵B、D分别为
Figure FDA00028849902700000211
Figure FDA00028849902700000212
其中I表示单位矩阵，0表示全零矩阵，K表示矩阵维度，K取值为3；
3)用二分法确定刚体节点位置：
Figure FDA0002884990270000031
其中
Figure FDA0002884990270000032
是利用二分法所确定的第i个刚体节点在全局坐标系中的位置，
Figure FDA0002884990270000033
为
Figure FDA0002884990270000034
(5)确定非视距偏差平均值
1)用最大似然估计法确定刚体定位中的非视距偏差平均值
Figure FDA0002884990270000035
Figure FDA0002884990270000036
2)将得到的非视距偏差平均值
Figure FDA0002884990270000037
代回步骤(4)的步骤1)中，替换已初始化为零的非视距偏差平均值，确定N个刚体节点的定位精度是否满足
Figure FDA0002884990270000038
当满足时停止迭代，确定最终得到的非视距偏差平均值和刚体节点位置，否则重复上述操作；
(6)确定刚体位姿参数
1)刚体节点在局部坐标系和全局坐标系的位置关系按下式确定：
Figure FDA0002884990270000039
其中ci为第i个刚体节点在局部坐标系的位置，ci是[xi,yi,zi]T，Q为刚体旋转矩阵，t为刚体位移矢量；
2)采用最小二乘法确定刚体旋转矩阵Q：
Q＝Vdiag([1T,det(VUT)]T)UT (7)
Figure FDA00028849902700000310
qi＝RiI-1
Figure FDA00028849902700000311
Figure FDA00028849902700000312
Figure FDA00028849902700000313
Figure FDA00028849902700000314
其中，SVD表示奇异值分解，Ri为
Figure FDA00028849902700000315
协方差矩阵的逆矩阵，
Figure FDA00028849902700000316
为全局坐标系中N个刚体节点位置坐标的加权平均，
Figure FDA00028849902700000317
为局部坐标系中N个刚体节点位置坐标的加权平均；
3)确定刚体位移矢量t：
Figure FDA00028849902700000318
确定了面向非视距参数估计的刚体位置和方向。
2.根据权利要求1所述的面向非视距参数估计的刚体定位方法，其特征在于：在提取接收信号强度信息步骤(1)中，所述的M取值为4～10，N取值为3～10，σmi取值为0.1～0.6dBm，βmi取值为0～2dBm。
3.根据权利要求1或2所述的面向非视距参数估计的刚体定位方法，其特征在于：在提取接收信号强度信息步骤(1)中，所述的M取值为5，N取值为5，
Figure FDA0002884990270000041
取值为0.1～0.6dBm，βmi取值为0～2dBm。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114666896A (zh) * 2022-03-23 2022-06-24 西安邮电大学 面向非视距环境下无线信号传输参数估计的目标定位方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140320348A1 (en) * 2013-04-24 2014-10-30 Kabushiki Kaisha Toshiba Position estimating device, position estimating method, and wireless communication system
US20170343643A1 (en) * 2014-12-15 2017-11-30 Bae Systems Plc Localising portable apparatus
CN110515037A (zh) * 2019-07-05 2019-11-29 西安邮电大学 非视距环境下能时频多域联合的被动定位方法
CN110673089A (zh) * 2019-08-23 2020-01-10 宁波大学 未知视距和非视距分布情况下基于到达时间的定位方法
US20200284870A1 (en) * 2016-08-02 2020-09-10 Thales System and global method for geolocation using imprecise distance and anchor position measurements

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140320348A1 (en) * 2013-04-24 2014-10-30 Kabushiki Kaisha Toshiba Position estimating device, position estimating method, and wireless communication system
US20170343643A1 (en) * 2014-12-15 2017-11-30 Bae Systems Plc Localising portable apparatus
US20200284870A1 (en) * 2016-08-02 2020-09-10 Thales System and global method for geolocation using imprecise distance and anchor position measurements
CN110515037A (zh) * 2019-07-05 2019-11-29 西安邮电大学 非视距环境下能时频多域联合的被动定位方法
CN110673089A (zh) * 2019-08-23 2020-01-10 宁波大学 未知视距和非视距分布情况下基于到达时间的定位方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
江歌 等: "非视距环境下的超宽带室内定位算法", 《计算机测量与控制》, vol. 26, no. 11, pages 203 - 207 *
闫千里 等: "非视距环境下RSS和TDOA联合的信源被动定位", 《西安电子科技大学学报》, vol. 46, no. 3, pages 180 - 188 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114666896A (zh) * 2022-03-23 2022-06-24 西安邮电大学 面向非视距环境下无线信号传输参数估计的目标定位方法
CN114666896B (zh) * 2022-03-23 2024-05-03 西安邮电大学 面向非视距环境下无线信号传输参数估计的目标定位方法

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