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        改進(jìn)的到達(dá)時間差定位算法

        2014-10-21 12:55:13曾川
        電子世界 2014年23期
        關(guān)鍵詞:最小二乘法

        【摘要】針對到達(dá)時間差算法的定位精度易受監(jiān)控區(qū)域地質(zhì)條件和周圍環(huán)境等因素的影響而不能滿足威脅評估所需的目標(biāo)定位精度的問題,提出了基于最小二乘法的泰勒級數(shù)展開的定位算法來提高振動目標(biāo)的定位精度,該算法使用最小二乘算法估計振動初始位置,通過泰勒級數(shù)展開算法得到振動坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:改進(jìn)的到達(dá)時間差定位算法提高了定位精度、增強(qiáng)了抗干擾能力。

        【關(guān)鍵詞】到達(dá)時間差;最小二乘法;泰勒級數(shù)展開;定位算法

        引言

        威脅評估[1](Threat Assessment)已廣泛地應(yīng)用于防線、重要目標(biāo)(如基地、軍事設(shè)施、橋梁、監(jiān)獄等)、重要地區(qū)(如古墓遺址、博物館、銀行金庫等)等領(lǐng)域。在振動目標(biāo)的威脅評估研究中,振動目標(biāo)的定位精度直接決定著威脅評估的準(zhǔn)確性。振動目標(biāo)的定位有有源定位和無源定位兩種方法,無源定位以其探測距離遠(yuǎn),隱蔽性好,成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[2]成為目標(biāo)定位的首選。到達(dá)時間差定位是無源定位技術(shù)中常用的一種方法,但在實(shí)際應(yīng)用中其定位精度受到監(jiān)控區(qū)域地質(zhì)條件、時鐘采樣周期以及周圍環(huán)境干擾的影響,使得定位性能有所下降,不能滿足威脅評估所需的定位精度。因此,本文提出了基于最小二乘法的泰勒級數(shù)展開的定位算法來提高振動目標(biāo)的定位精度。

        1.基于三角形陣列的TODA定位算法

        本文以等腰直角三角形振動傳感器陣列為例,采用TDOA定位技術(shù)對其振動目標(biāo)的定位進(jìn)行研究。TDOA定位(Time Difference Of Arrival,TDOA)主要是通過比較多個不同傳感器采集到同一目標(biāo)信號的到達(dá)時間不同,來對目標(biāo)進(jìn)行定位[3]。TDOA法主要分為兩步:第一步是確定各個信號之間的時間延遲;第二步是根據(jù)延遲時間確定目標(biāo)信號的位置。

        等腰直角三角形振動傳感器陣列布置如圖1所示,其中S表示振動目標(biāo),M1、M2、M3分別表示三個振動傳感器。設(shè)其陣邊長為d,則陣元坐標(biāo)分別為M1(0,0)、M2(d,0)、M3(0,d),令tij(1≤i,j≤3)表示振動目標(biāo)S到達(dá)陣元i與陣元j的時間差,相應(yīng)的振動目標(biāo)S到達(dá)陣元i與陣元j的距離差。假設(shè)振動目標(biāo)坐標(biāo)為S(x,y),振動波沿直線傳播,其傳播速度是常數(shù)v,則有。

        圖1 等腰直角三角形傳感器陣

        圖2 振源定位示意圖

        由圖1可得:

        方程組中的每個方程都是雙曲線的一支,其交點(diǎn)就是目標(biāo)點(diǎn)。

        令,可得:

        (2)

        其中:

        進(jìn)而可以得出y的值,即采用此法可以對振動目標(biāo)的位置進(jìn)行二維定位。

        2.基于最小二乘法的泰勒級數(shù)展開的TDOA定位算法

        Friedlander、Schsu等人雖提出了基于最小二乘(LS)的定位求解算法,但給出的是次最優(yōu)解。Chan采用二重最小二乘算法給出了定位方程組的非迭代閉式解,在TDOA測量誤差比較小時,具有最優(yōu)估計性能,但隨著TDOA測量誤差的增加,該算法性能迅速下降[4][5]。

        泰勒級數(shù)展開算法[6]是求解非線性方程的有效方法,具有精度高、頑健性強(qiáng)等特點(diǎn)。但是它要求迭代運(yùn)算的初始值必須具有一定的準(zhǔn)確度才能夠保證比較快的收斂速度,而且算法是否收斂與振動的初始位置有關(guān)。本文使用最小二乘算法估計振動初始位置,然后通過泰勒級數(shù)展開算法得到振動坐標(biāo)。圖2建立了一個以特定基點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0)的二維坐標(biāo)系。設(shè)已知N個接收傳感器在此坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(i=0,1,2,…,N-1),振動到N個接收傳感器的距離值為ri(i=0,1,2,…,N-1)。假定振動發(fā)出信號的傳播速度為常數(shù)c,表示振動到第i個接收傳感器與到第0個接收傳感器之間的時間差,ri0表示振動到第i個接收傳感器與到第0個接收傳感器之間的距離差,則ri,0=ri-r0。則可建立N-1個定位方程為:

        (3)

        其中:,,i=1, 2,…,N-1。

        2.1 泰勒級數(shù)展開算法

        對于一組TDOA測量值,根據(jù)選定的初值x(0),y(0),對方程(3)進(jìn)行泰勒級數(shù)展開并忽略二階以上分量,得到:

        (4)

        其中:

        對式(4)采用最小二乘算法(LS),可以得到的最小二乘估計,其中,Q為TDOA測量值的協(xié)方差矩陣。

        2.2 基于最小二乘的初始坐標(biāo)選擇算法

        由上面的分析過程可以看出,泰勒級數(shù)展開后迭代過程是否收斂以及收斂速度的快慢直接決定于初始坐標(biāo)(x(0),y(0))的選擇。對此,本文使用最小二乘算法來估計振動的初始坐標(biāo)。根據(jù)文獻(xiàn)[7]推導(dǎo)的結(jié)果,可以得到如下線性方程組:

        (5)

        其中:i=1,2,…,N-1

        將方程組轉(zhuǎn)化為矩陣形式為:GX=S

        其中:

        利用最小二乘法得到初始位置:

        3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        實(shí)驗(yàn)中傳感器分布示意圖如圖3示,5個傳感器陣元組成的五元十字陣,采用100m左右的不規(guī)則陣,其接收傳感器的坐標(biāo)分別為:B0(0,0),B1(0,10),B2(-10,0),B3(0,-10),B4(10,0);與TDOA測量值誤差相對應(yīng)的距離誤差的均方差為,實(shí)驗(yàn)中取=2m,Δ=0.5m。

        圖3 傳感器分布示意圖

        圖4 TDOA誤差對算法精度的影響

        圖5 兩種算法的定位軌跡與振源軌跡的逼近程度

        定位精度是衡量定位系統(tǒng)好壞以及算法有效性的重要指標(biāo),因此用定位結(jié)果的均方根誤差來表示定位精度,其中(x',y')表示振動的實(shí)際坐標(biāo),(x,y)表示算法的定位結(jié)果。

        分兩種情況:其中A為TDOA算法;B為改進(jìn)算法。

        (1)設(shè)振動的實(shí)際坐標(biāo)為S(5,8),改變TDOA測量誤差對應(yīng)的距離誤差的均方差,得到的曲線如圖4所示。從曲線的變化趨勢可以看出,隨著的增大,算法A和B的定位誤差逐漸增大。在各種誤差均方根的情況下,算法B的定位精度要高于算法A,并且算法B的定位誤差隨著上升的速度比算法A要慢。

        (2)設(shè)振動沿y=20的軌跡作勻速運(yùn)動,x的取值范圍為0-60m,取樣間隔為10m,TDOA測量誤差對應(yīng)的距離誤差的均方差=0.5m。軌跡如圖5所示。從圖中可以看出,算法B的軌跡更逼近實(shí)際軌跡。

        4.結(jié)束語

        改進(jìn)的到達(dá)時間差定位算法,使用最小二乘算法估計振動初始位置,然后通過泰勒級數(shù)展開算法得到振動坐標(biāo),避免了人為設(shè)定初始值造成泰勒級數(shù)展開法的不收斂,減小了TDOA測量值誤差對定位精度的影響,比基于TDOA的三角形振動傳感器陣列定位算法的精度要高、抗干擾能力要強(qiáng)。因此,基于最小二乘法的泰勒級數(shù)展開來改進(jìn)TDOA定位算法對于提高定位精度是有效的,為準(zhǔn)確評估監(jiān)控區(qū)域內(nèi)振動目標(biāo)的威脅提供了更為精確的目標(biāo)定位。

        作者簡介:曾川(1981—),男,現(xiàn)供職于武警警官學(xué)院信息工程系,研究方向:無線數(shù)據(jù)通信、電子技術(shù)應(yīng)用。

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