基于到达时间差的非视距目标定位方法研究

Recently, source localization under non-line-of-sight (NLOS) conditions received a lot of attention. This proposal focuses on the time-difference-of-arrival (TDOA) based localization problem under NLOS conditions. The research can be divided three parts. The first part considers how to mitigate the effect of NLOS errors on the localization accuracy without any statistical information of NLOS errors, in which the problem is divided into three aspects according to the knowledge of NLOS path status. The second part considers more hash environments, i.e., there exist errors in anchors' positions. How to mitigate the effects of NLOS errors and the anchor positions errors is the main problem of this part. Similarly, according to the knowledge of the anchor position errors, the problem is divided into two aspects. The third part will focus on the establishment of the testbed, which can be used to verify the efficacy of the proposed methods. To solve the problems stated above, we intend to apply the convex relaxation and robust approximation techniques, whose applicability has been verified in the literature. This work is pioneering and innovative, which is not found in current research. Since this work releases some impractical assumptions, it will facilitate the localization methods to their applications in practice, and hence, this work is of great importance in both theory and practice.

近年来，非视距环境下的定位问题研究受到了研究人员的极大关注。本项目考虑非视距环境下基于达到时间差的定位问题。项目研究内容分为三大部分。第一部分考虑完全未知非视距误差统计信息时抑制非视距误差对定位精度的影响，其中根据已知路径状态信息的多少将问题细化为三个研究问题。第二部分主要考虑更为苛刻的条件下的定位问题，即在锚节点存在位置误差时同时抑制非视距误差和锚节点位置误差对定位精度的影响，其中根据已知锚节点位置误差信息的多少将问题细化为两个研究问题。第三部分考虑如何搭建实测系统实现对研究方法性能的实际验证。本课题拟采用的主要方法为凸松弛技术和稳健近似技术，其可行性已在现有文献中得到了充分验证。本课题的研究是开创性、探索性的，由于该研究的前提条件更符合实际情况，因此它对算法从理论应用于实际将起到良好的推动作用，具有重要的理论和实际意义。

目标定位是一个经典的研究课题，并已经在国防和人们生活中发挥了重要作用。传统的定位主要考虑传感器与目标之间的传播路径是视距的。然而，在市区或室内等环境下，障碍物的阻挡会造成路径的非视距传播，由此对目标定位带来了非常不利的影响。主要表现在：第一，非视距传播往往带来极大的非视距误差，从而带来巨大的定位误差。第二，非视距传播具有极强的随机性，因此非视距误差的统计特性非常难以获得。针对这些问题，本课题主要研究了非视距传播环境下定位问题。主要研究内容包括：.（1）完全未知非视距误差统计信息时高性能的定位方法；.（2）同时抑制非视距误差和锚节点位置误差的定位方法；.（3）理论分析并搭建实际测试系统测试定位方法的性能。.主要研究成果包括：.（1）针对到达时间差的定位问题，在完全未知非视距误差统计信息和路径状态的条件下，提出了抑制非视距误差的非凸稳健最小二乘定位方法，这类方法仅需要已知非视距误差的上界。提出了两种凸松弛方法来求解这一非凸问题，并对两种方法的准确性、相对松弛程度及计算复杂度等方面做了全面的分析。.（2）在成果（1）的方法中使用了过大的非视距误差上界，并应用了三角不等式做了近似处理，从而引起定位性能的下降。针对这一问题，提出了联合估计目标位置和参考路径非视距误差的方法，并应用凸松弛技术获得了容易求解的近似凸优化问题，进一步提高了定位性能。.（3）在已知路径状态的条件，利用这一先验信息对非视距和视距测量信息分别加权，并理论分析了权值的选取方法。这一思想被用于基于到达时间和到达时间差的定位问题，大幅提高了定位性能。.（4）本课题还针对近远场统一定位问题及刚体目标定位问题等相关问题做了研究。 .通过以上研究，大幅提高了在不利环境下的定位性能，研究成果发表在通信和信号处理国际一流期刊上。部分研究方法性能已经通过搭建实测系统验证，有望在近期内应用于实际产品。