校正源条件下基于双星序列观测量的地面运动目标定位算法及理论性能分析

The method for locating a moving source on earth using a sequence of time difference of arrival(TDOA)and frequency difference of arrival(FDOA)measurements pairs obtained by dual-satellites was presented in the presence of calibration sources with accurate positions.First,the difference calibration(DC)location algorithm aiming to the mobile target was derived,and its theoretical performance was also analytically derived.The result demonstrates that the DC localization variance could not reach the CRB,although it could eliminate the location bias produced by the position and velocity errors of the dual-satellites.For this reason,a two-step optimal association location algorithm was proposed,and its theoretical performance was proved to be equal to the CRB.Finally,a variety of numerical experiments are performed to corroborate the superiority of the geolocation algorithms and the effectiveness of the performance analysis.     

基于G-N迭代的双星时频差定位融合算法

双星时差（Time Difference of Arrival,TDOA）频差（Frequency Difference of Arrival,FDOA）定位系统在过顶期间可多次截获到辐射源信号并进行定位,将不同时刻观测的多组时差频差和高程信息融合可以提高定位精度。本文算法将辐射源高程信息建模为双星时差频差定位融合的观测量之一,并提出了一种基于高斯-牛顿（Gauss-Newton,G-N）迭代的双星时差频差定位融合算法。最后通过实验仿真将本文所提算法与理论最优单次定位结果、直接平均和加权平均等位置合批处理方法进行比较,实验结果表明本文算法相较于其他位置合批处理方法具有更优越的性能。     

同轨双站宽带信号源位置点成像定位算法

针对已知高度宽带信号源的无源定位问题,借鉴SAR成像原理和直接定位法思想,提出一种利用到达差时间(TDOA)和到达频率(FDOA)信息的位置点成像无源定位算法。采样时将观测时间划分为快时间和慢时间,在快时间域估计TDOA,慢时间域估计FDOA。首先分析了同轨双站构型下距离差走动,然后利用观测区域中心位置对观测时间内各脉冲TDOA进行校正,再通过二维傅里叶变换得到TDOA和FDOA,并将联合估计得到TDOA和FDOA通过几何关系映射得到目标位置。仿真实验表明了本文算法的有效性,且不需要进行信号分选和参数配对,适用于观测不可区分多目标辐射源定位问题,具有高精度和超分辨特性。     

基于约束加权最小二乘的时差频差联合定位算法

针对运动目标源定位问题,提出了一种基于约束加权最小二乘(Constrained Weighted Leas-tSquares,CWLS)的时差频差定位算法。该算法利用目标源到达多个接收站的时差和频差信息,对目标源的位置和速度进行估计。通过引入中间变量,将时差频差非线性方程转换成伪线性方程(中间变量与目标源位置和速度之间存在约束关系),再对此约束条件引入拉格朗日乘子技术,将此伪线性方程的求解转化为求条件极值问题,创造性地求解了此非线性定位方程,提高了定位精度,并能满足实时性和全局收敛要求。仿真实验表明,该算法在保持相近复杂度的同时,进一步提高了定位性能,优于两步加权最小二乘算法,在噪声较高时仍然能达到克拉美罗下限。     

用于双星时差频差定位体制的宽频接收机设计

针对双星时差频差定位体制要求,提出了一种宽频带接收机设计方法。介绍了整机架构设计方案和模块划分方法。重点阐述了影响双星时频差体制定位精度的关键指标:时延差一致性、频率差一致性、幅度差一致性的工程实现方式及各项技术指标的加速老化试验方式。接收机测试结果表明,接收机时延差一致性优于1.54 ns、频率差一致性优于1 Hz、幅度差一致性优于0.5 dB。并通过老化试验验证接收机指标变化情况满足在轨5年实际工程应用需求。     

一种量测转换的移动外辐射源多站协同跟踪算法

针对移动外辐射源跟踪问题,提出一种融合到达角(Angle of Arrival,AOA)与到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)观测量的量测转换Kalman滤波(Converted Measurement Kalman Filter,CMKF)算法。首先,采用了一种考虑了传感器位置偏差影响的无源定位算法作为转换非线性的AOA与TDOA观测量至笛卡尔坐标系下观测量的方法,并证明了当AOA与TDOA的测量噪声以及传感器位置偏差都服从高斯分布且噪声强度不大时,该量测转换方法的位置转换误差能达到克拉美罗(Cramér-Rao Lower Bound,CRLB)界;其次,在量测转换的基础上构建了关于移动外辐射源的线性状态空间模型,将非线性的目标跟踪问题转化为线性滤波问题,并最终使用标准Kalman滤波器实时跟踪移动外辐射源位置。仿真结果不仅验证了量测转换精度与理论分析结论吻合,还表明了所提CMKF算法的跟踪精度同时优于扩展Kalman滤波器、无迹滤波器以及粒子滤波器。     

A joint TDOA and FDOA estimation algorithm based on second-order cone programming

ABSTRACT

Considering the low estimation accuracy of the traditional interpolation method, this paper, on the basis of second-order cone programming (SOCP), proposes a novel joint time difference of arrival (TDOA) and frequency difference of arrival (FDOA) estimation interpolation method, which can attain the sub-sample precision. The proposed method uses several discrete samples produced by cross ambiguity function (CAF) to structure the convex optimization models with regard to the interpolation surface. Then, the SOCP is utilized to obtain the interpolation surface which matches the discrete surface of CAF well. Finally, the method achieves the precision superior to the traditional TDOA and FDOA estimation directly through the search for the maximum of the continuous approximate surface. This method decreases the computational load without loss of precision and can efficiently reduce the limitation of finite sampling interval and sampling time in estimation precision. Numerical simulations show that the method in this paper is efficient and outperforms existing interpolation algorithms about estimation precision.     

基于倒谱域相关的时差/频差联合估计算法

提出一种基于倒谱域相关的时差/频差联合估计算法,同时估计双传感器平台接收到的2路信号中的时延分量和频偏分量。与传统的基于二(四)阶相关复模糊函数法相比,新算法借鉴时域卷积等价于频域乘积的思想,将频域卷积等价于倒谱域相关,将时差频差二维搜索问题转化为先频差、后时差的2个一维搜索问题,由此实现时差/频差的快速联合估计。     

卫星干扰源定位系统中星历校正技术

卫星干扰源定位系统,是通过测量两颗相邻同步卫星对干扰辐射源形成的时差观测量和频差观测量来实施未知干扰源定位,在此过程中,两颗相邻同步卫星的星历误差是影响定位精度的主要因素,因此,星历校正技术是整个系统一个关键环节。针对星历校正技术中的卫星动力学模型选取、状态转移矩阵的计算和简化等几个关键问题作了详细深入的论述,给出了具有典型意义的力模型选取标准和状态转移矩阵的计算方法,设计了一种基于短弧轨道改进原理的星历校正算法,通过仿真数据和实测数据处理证实,定位误差可从千千米量级校正至十千米量级,验证了该算法的可行性和定位精度。     

基于四阶互模糊函数的TDOA/FDOA参数估计研究

针对二阶互模糊函数在相干高斯噪声环境下会出现较大的噪声相关峰值,影响TDOA/FDOA参数正确估计的问题,利用高阶积累量对高斯噪声的不敏感特性,研究基于四阶互模糊函数的TDOA/FDOA参数估计方法,对该方法的参数估计过程进行了详细的理论分析,并针对二阶与四阶互模糊函数两种参数估计方法进行了对比仿真。仿真结果表明,基于四阶互模糊函数的TDOA/FDOA参数估计方法能有效克服噪声的相关性,但对噪声敏感,存在一定的理论研究价值。     

位置线误差的时/频差联合定位性能研究

就双星时差/频差联合定位问题,引入了位置线误差的概念,通过梯度理论计算时差位置线误差和频差位置线误差的分布,对时差位置线误差和频差位置线误差以及联合定位性能进行了定性和定量分析,推导了双星系统下时差频差联合定位精度与参数位置线误差和位置线交角之间的计算关系式。并结合仿真分析了参数测量误差和位置线交角对时差频差联合定位精度的影响。     

一种融合时差频差和测向的运动目标跟踪方法

传统的星载无源定位系统对空中辐射源定位求解通常采用假设高程的方法,高程假设误差将对定位跟踪精度造成较大影响。为实现未知高程运动辐射源的高精度定位跟踪,针对异轨三星构型的无源定位系统,提出了一种基于时差、频差和二维测向融合的迭代扩展卡尔曼滤波(Iterative Extended Kalman Filter, IEKF)跟踪方法。在WGS-84坐标系下建立了状态方程和观测方程,并采用IEKF方法对目标状态进行估计。仿真结果表明,该方法可对未知高程的运动目标进行高精度状态估计,典型仿真场景下的目标高程估计精度达到百米量级,相对于已有方法收敛时间更短,并且在卫星覆盖范围内具有更大的高精度定位跟踪区域。     

双星系统对雷达无源定位的可行性分析

双星无源定位系统对地海面雷达辐射进行定位时,存在脉冲信号频差参数提取的模糊问题。提出了一种基于虚拟双星的双时差粗定位方法,可有效解决频差测量的模糊,再结合时差/频差联合定位方法,分析了双星系统对雷达辐射源无源定位的可行性,给出了一些有用的结论。     

低轨双星无源探测系统对运动辐射源的快速检测算法

针对时频差体制的低轨圆轨道双星无源探测系统不能对运动辐射源进行定位和辐射源是否运动进行判别问题,提出了一种通过单次观测实现运动辐射源定位与运动性判别的快速算法。该算法利用信号到达角与信号达到时差联合定位结果,结合信号到达频差对平行于大地水准面的匀速运动目标进行运动性检测,使系统在观测量存在误差条件下仍能有效进行目标运动性判别。将其应用到低轨双星无源探测系统中,仿真结果表明算法对速度大于60 m/s以上的辐射源具备优于95%的正确检测概率。     

基于双星TDOA和主星DOA的空中动目标联合定位技术

现有基于星载的空中动目标定位方法工程实现复杂度与代价过大,本文提出了一种应用于空中动目标定位的新型双星定位技术,联合双星到达时差信息（TDOA）和主星来波方向信息（DOA）可以获得目标的三维定位.通过矢量求解方法,建立了空中动目标定位的数学模型.同时,在考虑多种误差因素的前提下,建立了用于Monte Carlo分析的定位误差模型.最后,以空间站及其辅星作为应用场景进行了算例仿真.结果表明该技术能够实现空中动目标的地面航迹和三维位置的精确估计,可应用于空间站与卫星联合的空中动目标联合定位系统.     

Passive Localization of Signal Source Based on UAVs in Complex Environment

For the influence caused by multipath fading and non-line-of-sight(NLOS)transmission,it is challenging to accurately localize a moving signal source in complex environment by using the wireless sensor network(WSN)on the ground.In this paper,we establish a special WSN in the sky to address this challenge,where each sensor is loaded on an unmanned aerial vehicle(UAV)and the operation center of all the UAVs is fixed on the ground.Based on the analyzing of the optimal distribution and the position error calibration of all the sensors,we formulate the localization scheme to estimate the position of the target source,which combines the time difference of arrival(TDOA)method and the frequency difference of arrival(FDOA)method.Then by employing the semidefinite programming approach,we accurately obtain the position and velocity of the signal source.In the simulation,the validity of the proposed method is verified through the performance comparison.     

对海面远距离运动目标定位跟踪的IMM算法研究

研究了平流层三站测时差无源定位系统对海面远距离运动目标定位与跟踪的滤波算法问题。将IMM滤波器应用到平流层三站测时差定位系统中,采用三模型组合的IMM滤波算法,首先通过时差测量参数计算出粗略的定位结果,接下来采用IMM滤波算法逐步估计出运动辐射源的速度,并修正初始的定位结果,提高定位精度。仿真结果表明,基于IMM滤波器的三站时差定位系统具有较快的收敛时间、较高的跟踪精度和适中的计算复杂度,能够对不同强度的机动目标进行定位与跟踪,很好地解决了三站时差定位系统对海面远距离运动辐射源定位跟踪的算法问题。还提出了利用回归处理的方法进一步提高固定目标定位精度的思想。     

基于粒子滤波和交互多模型的移动定位方法

为提高非视距情况下移动辐射源的定位精度,提出一种改进的交互粒子滤波算法.该算法对目标运动多模型和信号到达时间差测量噪声分布多模型联合建模.在交互多模型状态更新中利用粒子滤波对目标时变状态以及视距/非视距混合信道参数进行估计,抑制了非视距测量误差对移动定位的影响.仿真结果表明,改进算法的性能要优于现有的视距条件运动多模型和视距/非视距条件单一运动模型的定位算法,并且定位误差接近于推导的后验克拉美劳下界.     

一种在非视距环境中的TDOA/AOA混合定位方法

提出了一种在非视距环境中的到达时间差/到达角混合定位方法。该方法使用了两步卡尔曼滤波。先用卡尔曼滤波器对到达时间测量值进行预处理,以消除TOA测量值中的NLOS误差。再把经过预处理的TOA测量值输入到用卡尔曼滤波器实现的TDOA/AOA混合定位器中进行定位。实验证明,该方法的定位误差性能优于单纯的TDOA定位方法及静态定位方法中泰勒级数展开法的误差性能。     

对运动高重频辐射源的三星时差跟踪算法

本文针对三星对高脉冲重复频率(high pulse repetition frequency, HPRF)运动辐射源进行时差(time difference of arrival, TDOA)跟踪时出现时差模糊的问题,提出了一种基于多次观测滤波的时差跟踪解模糊算法。本文首先给出时差模糊的数学模型,其中包括分析模糊时差出现的原因、介绍时差窗和模糊时差数的计算方法和将模糊时差用高斯混合模型（Gaussian mixed model,GMM）逼近。之后利用三星时差定位得到所有模糊的滤波初始值,接着利用容积卡尔曼滤波(cubature Kalman filter , CKF)结合高斯和滤波(Gaussian sum, GS)算法在模糊时差观测下对辐射源进行跟踪,每次滤波之后删除权值较小的高斯成分来减小计算量,取最后一次滤波结果的加权平均作为最终输出。实验表明本文算法相较于其他解模糊方法可以更好地解时差模糊。