多星TDOA和FDOA联合定位精度分析

推导了多星时差频差联合定位体制的定位误差下界(Cramér Rao lower bound, CRLB),并给出CRLB能达到的最小值及其充要条件,该充要条件可用于设计卫星构型。与采用GDOP(geometric dilution of precision)衡量联合定位性能方法相比,CRLB更能精确地反映多星时差频差联合定位的性能。理论分析及仿真实验证明了联合定位比单独利用时差或频差定位可以取得更高的定位精度。     

一种基于双站协同的时差频差定位方法

在无源定位系统探测地球地面或海面目标时,考虑到目标在地球椭球面上,不能忽视地球曲率带来的影响。采用地球椭球模型,基于双空中观测站协同的时差频差无源定位方法,首先建立大地直角坐标系,然后利用双站接收目标的到达时差和到达频差信息,运用构建矩阵的方法解算一元四次方程,得出目标的大地直角位置坐标,并研究了双站的几何精度因子。相比四站时差定位算法,所提算法有更高的应用价值,为对远距离地面或海面目标无源探测提供了一种新的技术思路。     

运动多站无源时差/频差联合定位方法

鉴于无源定位技术已经成为现代信息化作战的核心技术,提出了一种新的运动多站无源时差(time difference of arrival, TDOA)频差(frequency difference of arrival, FDOA)联合定位方法去解决无源定位系统中的非线性最优化问题。通过智能算法的启发,将优化后的基于线性递减权重和物竞天择的粒子群算法(particle swarm optimization algorithm based on linear decreasing weight and natural selection, WSPSO)与经典加权最小二乘算法(weighted least squares, WLS)相联合对目标进行跟踪定位。加权最小二乘定位算法在4个基站的情况下无法实现对辐射源的定位,所得定位结果会出现多解。而所提的运动多站联合定位算法在4个基站的条件下不存在初始目标位置估计和局部收敛等问题就能够实现辐射源的精确定位。通过大量仿真结果分析,本文所提的智能优化定位算法具有更高的目标定位精度和更稳健的定位性能,优于标准粒子群算法与优化PSO算法。     

存在基站误差的稳健时差定位算法

针对存在基站误差的目标无源定位问题,提出了一种基于修正牛顿算法的时差定位技术。众所周知,牛顿法对初值要求较高,较差初值会导致迭代发散,而且基站位置误差也会导致牛顿算法Hessian矩阵维数扩大和目标函数的缓慢下降,使运算量变大。该算法利用最大似然方法确定目标函数,运用牛顿法对目标位置进行迭代求解,对于计算过程中可能出现的病态Hessian矩阵,引入正则化理论修正病态的Hessian矩阵,使保证迭代收敛,同时简化算法降低Hessian矩阵的维数并且加速目标函数的下降趋势,使目标位置解脱离局部最小值,算法能够稳健高效的运行。实验结果表明:相对于传统牛顿法,此算法在初始值的选取上具有稳健性,对误差选取较大的初始值,仍能够保证算法的收敛性,同时加速了收敛速度,降低了计算量;相对于现有闭合式定位方法,此算法在噪声较大时具有较好的定位精度。     

三机无源定位阵面旋转效应仿真分析

针对三机三维布阵优化问题,以精度因子为目标函数,以阵面旋转为切入点,采用建模仿真方法,分析了阵面旋转效应对三机时差定位,频差定位及时频差定位精度的影响,直观地揭示了不同定位体制下的布阵优化规律.这些规律在下步工作中可作为先验知识,与粒子群、模拟退火、遗传算法等最优化方法相结合,更精细地研究三机三维布阵优化问题.     

合成孔径雷达景象匹配中制导导弹定位

研究了合成孔径雷达景象匹配中制导中的导弹定位问题。部分孔径成像是景象匹配中制导合成孔径雷达有效的成像模式,为便于利用多匹配点定位,提出了聚焦多普勒波束锐化成像方法。建立了基于匹配点距离差和多普勒差,并考虑了高度、速度和匹配点位置测量误差的定位模型。推导了位置估计的克拉美-罗下限（Cramer-Rao lower bound, CRLB）。提出了一种基于最小二乘的闭式求解算法。理论分析表明,在一定近似条件下,这一算法的估计精度到达CRLB。仿真分析了各种误差因素对CRLB的影响,验证了算法的理论分析结果及其有效性。     

跳频信号的相参与非相参积累时频差估计方法

跳频信号载频随时间变化发生跳变,因此跳频信号具有丰富的频域信息,而且其在时域上为连续信号,相比单跳信号也具有更丰富的时域信息.时频差估计精度与信号在时频域上的分布情况以及信号能量和噪声有关.时差估计主要与信号频域分布有关,而频差估计主要与信号时域分布有关.跳频信号时频域信息丰富,多跳相参积累后,时频差参数估计能够充分利...     

多站组网时差测量定位精度算法研究

针对多站组网时差测量无源定位系统定位精度的要求,提出一种最大定位误差计算的工程算法。结合多站组网被动定位系统的特点,通过适当的数学处理,抓住影响定位精度的主要因素,忽略次要因素,得到物理意义明晰、便于工程应用分析的算法。通过仿真,与严格公式的计算结果进行对比,证明了该算法的正确性     

多站时差定位性能试验评估技术

本文给出时差定位系统相关法时差测量误差模型,并以此为基础,建立了多站(大于3)时差定位性能试验评估方法.首先,给出了多站时差定位误差模型.其次,引入了信噪比对时差测量影响因素,提出了时差定位系统的相关法综合时间测量误差参数化模型.第三,给出了基于最小二乘法的综合时间测量误差参数估计方法,估计出综合系统参数和时间测量误差常数项.第四,给出了多站时差定位误差等效推算方法,该方法能够根据单条试验航线的时差定位数据,推算综合时间测量误差参数,进而获取任意位置的定位误差.最后进行了仿真验证,表明本文提出的时差定位性能试验评估方法优于传统固定时差测量误差模型定位性能试验评估方法.     

用于立体阵定位的克拉美-罗界简单算法和分析

为了优化设计立体麦克风阵列，满足声学预警系统全空域定位的需求，推导了立体阵定位系统的克拉美-罗界。在此基础上，对比分析了均匀圆阵和几种立体阵（球形、圆柱、锥形和圆孤线阵）的定位性能，同时深入分析了选择不同参考基元对定位性能的影响。仿真结果表明，对方位角的估计，圆弧线阵的方差最小。对俯仰角的估计，几种立体阵的方差均小于均匀圆阵的方差。其中测向不耦合的立体阵方差略小于测向耦合的立体阵方差，圆柱阵的方差最小。同时在阵形、基元数目不变的情况下，改变参考基元的位置还可以进一步降低圆柱阵的俯仰角估计方差及距离相对方差。     

基于CAF相参积累的多载波信号时频差估计算法

多载波信号具有丰富的频域信息,相参积累能够拓宽信号的有效带宽,克服单载波信号带宽窄导致时差(time difference of arrival,TDOA)、频差(frequency difference of arrival,FDOA)参数估计精度不高的问题。以多载波信号的检测定位为背景,研究了基于多个载波信号互模糊函数(cross ambiguity function,CAF)相参积累的TDOA/FDOA参数估计算法,为多载波信号的无源定位提供高精度的定位参数估计方法。基于接收信号模型,推导了多载波信号的互模糊函数,从TDOA/FDOA两个维度分析了不同载波信号CAF的相位关系,通过相位补偿实现了多载波信号CAF的相参积累,并从理论上分析了TDOA/FDOA参数估计的性能改善情况。蒙特卡罗仿真表明,提出的多载波信号相参积累TDOA/FDOA估计算法性能明显优于单载波信号的估计性能,性能改善情况与理论分析一致。     

Practical constrained least-square algorithm for moving source location using TDOA and FDOA measurements

By utilizing the time difference of arrival (TDOA) and frequency difference of arrival (FDOA) measurements of signals received at a number of receivers, a constrained least-square (CLS) algorithm for estimating the position and velocity of a moving source is proposed. By utilizing the Lagrange multipliers technique, the known relation between the intermediate variables and the source location coordinates could be exploited to constrain the solution. And without requiring apriori knowledge of TDOA and FDOA measurement noises, the proposed algorithm can satisfy the demand of practical applications. Additionally, on basis of convolute and polynomial rooting operations, the Lagrange multipliers can be obtained efficiently and robustly allowing real-time implementation and global convergence. Simulation results show that the proposed estimator achieves remarkably better performance than the two-step weighted least square (WLS) approach especially for higher measurement noise level.     

非机动水下三维情形的纯方位目标运动分析

以无源声纳关于目标方位(包括方位角、高低角)的有噪测量为依据，探讨了水下三维无源TMA(目标运动分析)的实现及精度问题。文中应用伪线性--Kalman滤波结合方法、最大似然估计方法、扩展卡尔曼滤波方法(EKF)，对三维情况^[4]下已知固定深度的的TMA问题进行了研究，并结合数据批处理手段，有效地改善了参数估计的性能，且给出了它们的CRB界。计算机仿真证明了上述算法的有效性。本文所提出的方法要求简单，精度较高，简易平台即可实现，具有一定的实际意义。     

发射站/接收站位置误差下无源雷达DOA-TDOA目标定位算法

无源雷达中发射站和接收站位置误差的存在将显著降低目标定位精度。针对这一问题,将发射站和接收站位置误差考虑到基于波达方向和到达时差的无源雷达目标定位模型中,提出了一种目标位置代数解算法。首先,将波达方向和到达时差的测量方程线性化,考虑方程中的各项误差,采用加权最小二乘估计求解,并通过对加权矩阵的迭代更新,得到目标位置最优估计。推导了存在发射站和接收站位置误差条件下目标定位的克拉美罗下界,并从理论上证明了算法的定位精度可以达到克拉美罗下界。仿真结果表明,算法的定位精度优于现有算法,在发射站和接收站位置误差条件下定位精度仍能达到克拉美罗下界。     

发射站/接收站位置误差下无源雷达DOA-TDOA目标定位算法

无源雷达中发射站和接收站位置误差的存在将显著降低目标定位精度。针对这一问题,将发射站和接收站位置误差考虑到基于波达方向和到达时差的无源雷达目标定位模型中,提出了一种目标位置代数解算法。首先,将波达方向和到达时差的测量方程线性化,考虑方程中的各项误差,采用加权最小二乘估计求解,并通过对加权矩阵的迭代更新,得到目标位置最优估计。推导了存在发射站和接收站位置误差条件下目标定位的克拉美罗下界,并从理论上证明了算法的定位精度可以达到克拉美罗下界。仿真结果表明,算法的定位精度优于现有算法,在发射站和接收站位置误差条件下定位精度仍能达到克拉美罗下界。     

基于几何精度稀释的矢量潜标最优布站

矢量潜标阵列是重要的反潜警戒声纳系统, 其目标精确定位能力能够为反潜警戒提供重要的信息支撑。对此, 以几何精度稀释(geometrical dilution of precision, GDOP)为定位系统性能评价指标, 推导了多阵元情况下基于到达方向定位(direction of arrival, DOA)及基于到达时差(time difference of arrival, TDOA)定位的GDOP表达式, 并仿真比较了不同阵元数量对定位性能的影响, 不同布站几何的阵列半径敏感度、测量误差敏感度、站址误差敏感度和有效作用范围等。结合潜标阵列实际应用环境, 通过仿真结果对比可以发现, 四元Y型阵是基于GDOP衡量标准的矢量潜标阵列的最优布站。