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接收站接收來自輻射源的信號，從而估計輻射源的位置等信息，簡稱多站定位。多站定位在電子偵察、環(huán)境監(jiān)測等領域有廣泛的應用，如軍事中的多站無源定位，民用的無線傳感器網絡定位等。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量的定位方法。定位觀測量是指從接收信號中提取的一些含輻射源位置信息的特征量，如到達時間（Time of arrival, TOA）、到達角度（Angle of A

2、rrival, AOA）、到達時間差（Time difference of arrival, TDOA）、到達頻率差（Frequency difference of arrival, FDOA）等?；诙ㄎ挥^測量的定位方法首先從接收信號中估計出定位觀測量，然后根據定位觀測量與輻射源位置之間的觀測方程解算出輻射源位置信息。第二類方法是基于信號層次的直接定位方法，這種定位方法不需要從接收信號中估計定位觀測量，而是直接從接收信號中估計輻射源的

3、位置。
　　本文第二章至第四章的研究內容都是基于定位觀測量的定位方法，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的多站定位與標校方法，第四章研究了基于TOA的多站相對定位方法。第五章是基于信號層次的直接定位方法，研究了基于時延和多普勒的多接收站相干累加直接定位方法。具體研究內容概括如下：
　　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，僅用 FDOA

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

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測量噪聲和接收站位置誤差較小情況下能夠達到定位的CRLB。
　　第三章研究了基于TDOA和FDOA的多站定位與標校方法。本章分別研究了三種定位場景下的標校方法。首先是單個輻射源場景下采用單個標校站的定位與標校方法。其次是多輻射源場景下，研究了部分輻射源具有先驗信息（等同于含有位置誤差的標校站）時的定位與標校方法。最后研究了采用自標校站的多站定位與標校方法。在各自的

6、定位場景下，本文首先分析和推導輻射源定位的CRLB，從而得到采用標校站、輻射源先驗位置信息或者自標校站時，輻射源定位精度提高的理論程度。然后提出各自場景下的定位與標校方法，第一步由標校站、含先驗位置信息的輻射源或者自標校站的信號到達各個接收站的TDOA和FDOA來估計接收站的位置誤差，從而修正接收站的位置和速度。再利用來自輻射源信號的TDOA和FDOA估計輻射源位置和速度。理論分析和實驗仿真均表明當TDOA/FDOA測量噪聲和接收站位置

7、誤差較小情況下，各種定位場景下的定位與標校方法，輻射源定位性能均能達到各自的CRLB。
　　第四章研究了基于TOA的相對定位方法。該定位場景下輻射源和接收站的位置都是未知，因此僅用TOA觀測量無法估計出輻射源和接收站的位置，但是各個輻射源和接收站之間的相對位置是可以估計。本文首先推導相對定位場景下的CRLB，通過理論分析得到相對定位問題的衡量標準。其次采用雙線性方法將TOA觀測量和輻射源位置之間的方程轉換為線性關系。通過對TOA觀

8、測量矩陣的奇異值分解，將求解輻射源位置的問題轉換為求解奇異值分解中的混合矩陣問題。從而將高維數未知量求解問題轉換為混合矩陣中九個未知元素的求解問題，降低了問題的復雜度。之后論文建立以混合矩陣元素為未知量的觀測方程，通過最小二乘估計方法，求出混合矩陣中的各個元素，進而得到輻射源和接收站的相對位置。然后論文分析了以混合矩陣元素為未知量的觀測方程的誤差特性，推導出加權矩陣，通過加權最小二乘估計，最終使得定位精度得到進一步提高。最后，論文以雙線

9、性方法的估計結果作為初始值，提出一種高斯-牛頓方法迭代求解輻射源的相對位置，從而使得定位精度達到CRLB。
　　第五章研究了基于時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景和非合作式輻射源定位場景下，接收站接收多段數據時的定位方法。通過研究不同段接收數據之間相位的差異，以及該相位差值和輻射源位置之間的關系，提出一種基于相干累加的直接定位方法。為了便于對比，論文同時推導了基于非相干累加的直接定位方法。此外