基于多接收站的輻射源定位新方法研究.pdf

1、多接收站的輻射源定位是指利用多個(gè)接收站接收來(lái)自輻射源的信號(hào)，從而估計(jì)輻射源的位置等信息，簡(jiǎn)稱多站定位。多站定位在電子偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，如軍事中的多站無(wú)源定位，民用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位等。本文研究的多接收站輻射源定位方法包括了兩類定位方法。第一類方法是基于定位觀測(cè)量的定位方法。定位觀測(cè)量是指從接收信號(hào)中提取的一些含輻射源位置信息的特征量，如到達(dá)時(shí)間（Time of arrival, TOA）、到達(dá)角度（Angle of A

2、rrival, AOA）、到達(dá)時(shí)間差（Time difference of arrival, TDOA）、到達(dá)頻率差（Frequency difference of arrival, FDOA）等。基于定位觀測(cè)量的定位方法首先從接收信號(hào)中估計(jì)出定位觀測(cè)量，然后根據(jù)定位觀測(cè)量與輻射源位置之間的觀測(cè)方程解算出輻射源位置信息。第二類方法是基于信號(hào)層次的直接定位方法，這種定位方法不需要從接收信號(hào)中估計(jì)定位觀測(cè)量，而是直接從接收信號(hào)中估計(jì)輻射源的

3、位置。
　　本文第二章至第四章的研究?jī)?nèi)容都是基于定位觀測(cè)量的定位方法，其中第二章研究了僅用FDOA的多站定位方法，第三章研究了基于TDOA和FDOA的多站定位與標(biāo)校方法，第四章研究了基于TOA的多站相對(duì)定位方法。第五章是基于信號(hào)層次的直接定位方法，研究了基于時(shí)延和多普勒的多接收站相干累加直接定位方法。具體研究?jī)?nèi)容概括如下：
　　第二章研究了僅用 FDOA的多接收站輻射源定位方法。首先研究了輻射源存在球面約束時(shí)，僅用 FDOA

4、的定位方法。本文先分析了球面約束場(chǎng)景下，僅用FDOA定位的克拉美羅下限（Cramer-Rao lower bound,CRLB），然后通過(guò)引入拉格朗日乘子將定位問(wèn)題轉(zhuǎn)換成非線性約束條件下的線性最小二乘估計(jì)，最后采用高斯-牛頓方法迭代求解輻射源位置。其次，本章研究了沒(méi)有球面約束場(chǎng)景下，僅用到達(dá)頻率差定位時(shí)，接收站位置誤差對(duì)定位精度的影響。本文首先分析了接收站位置誤差有無(wú)情況下 CRLB的不同，通過(guò)理論推導(dǎo)分析出接收站位置誤差對(duì)定位精度影響

5、程度。最后提出一種考慮接收站位置誤差因素的定位方法，該方法在FDOA測(cè)量噪聲和接收站位置誤差較小情況下能夠達(dá)到定位的CRLB。
　　第三章研究了基于TDOA和FDOA的多站定位與標(biāo)校方法。本章分別研究了三種定位場(chǎng)景下的標(biāo)校方法。首先是單個(gè)輻射源場(chǎng)景下采用單個(gè)標(biāo)校站的定位與標(biāo)校方法。其次是多輻射源場(chǎng)景下，研究了部分輻射源具有先驗(yàn)信息（等同于含有位置誤差的標(biāo)校站）時(shí)的定位與標(biāo)校方法。最后研究了采用自標(biāo)校站的多站定位與標(biāo)校方法。在各自的

6、定位場(chǎng)景下，本文首先分析和推導(dǎo)輻射源定位的CRLB，從而得到采用標(biāo)校站、輻射源先驗(yàn)位置信息或者自標(biāo)校站時(shí)，輻射源定位精度提高的理論程度。然后提出各自場(chǎng)景下的定位與標(biāo)校方法，第一步由標(biāo)校站、含先驗(yàn)位置信息的輻射源或者自標(biāo)校站的信號(hào)到達(dá)各個(gè)接收站的TDOA和FDOA來(lái)估計(jì)接收站的位置誤差，從而修正接收站的位置和速度。再利用來(lái)自輻射源信號(hào)的TDOA和FDOA估計(jì)輻射源位置和速度。理論分析和實(shí)驗(yàn)仿真均表明當(dāng)TDOA/FDOA測(cè)量噪聲和接收站位置

7、誤差較小情況下，各種定位場(chǎng)景下的定位與標(biāo)校方法，輻射源定位性能均能達(dá)到各自的CRLB。
　　第四章研究了基于TOA的相對(duì)定位方法。該定位場(chǎng)景下輻射源和接收站的位置都是未知，因此僅用TOA觀測(cè)量無(wú)法估計(jì)出輻射源和接收站的位置，但是各個(gè)輻射源和接收站之間的相對(duì)位置是可以估計(jì)。本文首先推導(dǎo)相對(duì)定位場(chǎng)景下的CRLB，通過(guò)理論分析得到相對(duì)定位問(wèn)題的衡量標(biāo)準(zhǔn)。其次采用雙線性方法將TOA觀測(cè)量和輻射源位置之間的方程轉(zhuǎn)換為線性關(guān)系。通過(guò)對(duì)TOA觀

8、測(cè)量矩陣的奇異值分解，將求解輻射源位置的問(wèn)題轉(zhuǎn)換為求解奇異值分解中的混合矩陣問(wèn)題。從而將高維數(shù)未知量求解問(wèn)題轉(zhuǎn)換為混合矩陣中九個(gè)未知元素的求解問(wèn)題，降低了問(wèn)題的復(fù)雜度。之后論文建立以混合矩陣元素為未知量的觀測(cè)方程，通過(guò)最小二乘估計(jì)方法，求出混合矩陣中的各個(gè)元素，進(jìn)而得到輻射源和接收站的相對(duì)位置。然后論文分析了以混合矩陣元素為未知量的觀測(cè)方程的誤差特性，推導(dǎo)出加權(quán)矩陣，通過(guò)加權(quán)最小二乘估計(jì)，最終使得定位精度得到進(jìn)一步提高。最后，論文以雙線

9、性方法的估計(jì)結(jié)果作為初始值，提出一種高斯-牛頓方法迭代求解輻射源的相對(duì)位置，從而使得定位精度達(dá)到CRLB。
　　第五章研究了基于時(shí)延和多普勒的相干累加直接定位方法。論文分別研究了在合作式輻射源定位場(chǎng)景和非合作式輻射源定位場(chǎng)景下，接收站接收多段數(shù)據(jù)時(shí)的定位方法。通過(guò)研究不同段接收數(shù)據(jù)之間相位的差異，以及該相位差值和輻射源位置之間的關(guān)系，提出一種基于相干累加的直接定位方法。為了便于對(duì)比，論文同時(shí)推導(dǎo)了基于非相干累加的直接定位方法。此外