辐射源信号波形已知的超视距目标直接定位方法

现有直接定位（Direct Position Determination,DPD）算法主要研究对象是视距目标.针对传统无线电定位技术对超视距目标定位精度低的问题,提出一种辐射源信号波形已知的超视距直接定位（Over-the-Horizon Direct Position Determination,ODPD）方法.该方法基于电离层电子密度参数,依据最大似然（Maximum Likelihood,ML）准则,从信号数据域直接推导出仅关于目标位置的代价函数.其次,本文推导了关于电离层虚高测量误差的定位误差协方差矩阵.实验表明ODPD方法在低信噪比下相比现有算法,能显著提高超视距目标的定位精度,定位性能更接近克拉美罗界（Cramér-Rao Low Bound,CRLB）.误差分析显示,电离层虚高误差标准差在20km时,引起的定位误差能控制在10km的范围内.     

一种阵列互耦影响下的目标直接定位算法及其理论性能分析

相比传统的两步定位方法,以Weiss和Amar等人提出的目标位置直接确定方法具有定位精度高、目标分辨率高、可避免"目标-量测"匹配等优势.本文基于该类定位方法的思想,提出了一种利用单个运动天线阵列对目标辐射源的直接定位算法.与已有直接定位算法不同的是,文中新算法考虑了阵列互耦的影响,并且能够实现阵列互耦参量和目标位置参量的解耦合估计.此外,文中还基于矩阵特征值扰动理论,定量推导了新算法参数估计的理论方差（包括目标位置估计方差和互耦向量估计方差）,并且给出了全部参量估计方差的克拉美罗界.最后,该文通过仿真实验验证了新算法的优越性和理论分析的有效性.     

同步时钟偏差存在下的时差定位性能分析及改进的定位方法

同步时钟偏差会显著增加时差（TDOA）定位误差,该文针对这一问题进行了理论性能分析,并提出了改进方法.首先,分析了时钟偏差存在下参数估计方差的克拉美罗界（CRB）,给出了关于目标位置估计方差更为闭式的CRB表达式,随后基于最大似然（ML）估计准则和泰勒级数（TS）定位方法,定量推导了时钟偏差对于TDOA定位精度的影响.接着,提出了可抑制时钟偏差的降维TS定位方法,并且给出了时钟偏差的ML闭式解.最后,数值实验验证了文中理论分析的有效性,并且新方法可以有效抑制同步时钟偏差的影响.     

一种基于窄带信号多普勒频率测量的运动目标直接定位方法

相比于常规的两步定位方法,目标直接定位方法具有更高的定位精度,但现有的直接定位方法主要是针对静止目标所提出的,并具有较大的运算量.本文提出了一种针对匀速运动目标的多普勒频率直接定位方法.文中首先基于最大似然准则推导了直接估计目标初始位置和运动速度的优化模型,针对该优化模型是以矩阵特征值的形式给出而难以数值求解的问题,提出了一种基于矩阵特征值扰动定理的Newton型迭代算法,该算法可以避免多维参数网格搜索所导致的庞大运算量.此外,文中还推导了关于目标初始位置、运动速度以及运动航迹估计的克拉美罗界的闭式表达式.数值实验表明新方法的目标位置估计方差可以达到克拉美罗界,并且具有较少的运算量.     

基于目标高度先验信息的多站时差无源定位方法

该文针对利用多站到达时差观测量的辐射源目标定位问题,已知目标高度先验信息,提出一种基于加权最小二乘的闭式高精度定位方法。近距离场景下,可忽略地球曲率影响,此时目标高度信息可等效为目标的1维坐标。基于该条件,使用一种新的两步加权最小二乘算法实现对目标的定位解算。该算法不需要目标位置初始值估计,无需迭代运算,计算量较小。仿真表明：利用目标高度先验信息可有效提高对目标的定位精度;在观测量噪声为高斯噪声且功率较小时,算法定位性能可达到克拉美罗界。     

目标海拔已知的信号到达幅度比无源定位方法

信号到达幅度比方法因测量简便,可实现对窄带信号的无源定位而广泛应用于射频定位系统、无线传感器网络和声源定位中.当目标海拔已知,将其作为定位方程的约束条件可实现对目标更精确的定位,而现有方法没有考虑这个问题.对此本文建立了海拔约束的信号到达幅度比无源定位模型,推导了定位精度的克拉美劳下界,并提出了一种基于Newton迭代的定位算法.理论推导表明该算法在测量误差服从方差较小的零均值高斯分布时能够达到克拉美劳下界,仿真结果与理论推导一致.无线电栅格化监测试验网的验证结果表明,对系统幅度误差进行校正后,该方法能够实现对辐射源的准确定位.     

联合波形重构的数字调制信号直接定位方法

直接定位(Direct Position Determination, DPD)算法相比于传统两步定位法,在低信噪比和复杂环境下具备更高定位精度和更强鲁棒性。研究表明加入信号波形信息能够有效提升DPD算法定位精度,但在实际无源定位场景中信号波形往往难以先验已知,未知信号波形的DPD算法精度受限。针对这一问题,本文围绕无源定位系统中普遍存在的调制方式已知,但符号信息未知的数字调制信号,提出一种联合波形重构的数字调制信号直接定位(Direct Position Determination for digital Modulation signals, MDPD)方法。该方法依据最大似然准则,基于调制信号成型、接收阵列与辐射源位置几何关系,构建阵列接收信号关于信源符号和位置参数联合估计的代价函数,利用交替迭代降低信号高维搜索给参数联合估计带来的计算复杂度。仿真实验结果验证了联合波形重构的MDPD算法可行性,同时通过与已有两类定位算法的对比实验,得到本文MDPD可以达到更高定位精度,并在信噪比增加时收敛到渐进最优定位精度。      

雷达脉冲信号相位差变化率测量精度的改进算法

对于单站无源定位而言,增加相位差变化率这一观测量,可以有效地提高定位速度和精度。给出了一种雷达脉冲信号相位差变化率估计的改进算法,选择准最佳频率估计算法,减小频率估计误差,使脉内积累后信号的信噪比提高N(脉内采样点数)倍;采用解相对无模糊相位差算法,避免了由于差分运算造成的信噪比下降问题。仿真结果表明,在相同信噪比下该算法比现有算法估计精度提高了将近一倍,逼近Cramer-Rao下限,且在较低的信噪比下仍然有很高的估计精度。     

相参短脉冲辐射源双站TDOA/FDOA直接定位算法

当目标辐射源脉冲信号持续时间较短时, FDOA引起的信号脉内相位变化很小,几乎可以忽略,无法实现TDOA和FDOA联合定位。针对上述问题,通过对相参辐射源信号脉冲间相位补偿,提出了一种利用信号的TDOA和FDOA信息的最大似然直接定位算法。考虑采用运动双站对固定目标辐射源定位情况,以确定性未知信号为模型,推导了高斯白噪声背景下相参脉冲信号联合定位的最大似然估计算法,仿真分析验证了该算法可以利用双站实现对短脉冲相参辐射源的TDOA/FDOA定位。此外,还推导了相参脉冲联合定位的CRLB,表明所提算法在常规信噪比下定位精度可以达到CRLB。      

利用多普勒的运动单站直接定位算法

针对利用运动单站接收辐射源信号进行目标定位过程中,传统两步定位算法测量参数时会产生信息损失,从而导致估计精度不够理想的问题,提出了一种联合多普勒的运动单站直接定位算法。该算法通过构造代价函数,得到包含辐射源位置信息的共轭矩阵,然后分别针对未知信号和已知信号通过特征值分解求取共轭矩阵的最大特征值,最后进行二维格网型空间索引得到辐射源的位置估计。同时,本文还推导了相应的克拉美罗下界(CRLB),并分析了多普勒测量存在误差下算法的定位性能以及算法的运算量。通过理论分析和仿真实验可以表明,所提出的运动单站直接定位算法对目标位置估计误差能够逼近CRLB,且与两步定位算法相比,具有更好的定位精度。      

无源定位观测方程的两类伪线性化方法及渐近最优闭式解

为避免无源定位中的迭代运算,该文针对两类特殊的无源定位(非线性)观测方程,分别提出将其进行伪线性化处理,从而实现目标位置闭式解算的理论分析框架.首先,在不限定具体物理观测量的前提下,归纳总结出两类将非线性观测方程转化为伪线性观测方程的数学模型,并推导出用于目标定位的加权线性最小二乘闭式解.接着,利用一阶误差分析方法定量分析两类闭式解的理论定位方差,并证明其参数估计性能均能够达到相应的克拉美罗界(在门限效应发生前),从而证明闭式解的渐近最优性.最后,文中以AOA/TOA联合定位和AOA/TDOA/FDOA联合定位为算例,分别阐述两类伪线性化无源定位方法的具体应用,并通过仿真实验验证文中理论分析的有效性.     

一种基于半定松弛技术的TDOA-FDOA无源定位算法

在运动目标的无源定位场景下,闭式算法在低噪声情况下可以到达克拉美罗下界(CRLB),但是这些算法往往不能适应较大的测量噪声环境。针对目前闭式算法适应大噪声能力较差这一问题,该文联合到达时间差(TDOA)以及到达频率差(FDOA),提出一种基于半定松弛(SDR)技术的无源定位算法。该算法首先构建传统闭式解的伪线性方程,其次利用随机鲁棒最小二乘(SRLS)的思想以及目标参数与额外变量之间的非线性关系,将无源定位问题转化为了具有2次等式约束的最小二乘问题;随后,将半定松弛技术应用到这一问题上,约束最小二乘问题松弛为半定规划(SDP)问题,最后,借助优化工具箱可以有效地对目标参数进行求解。该文所提出的算法不需要初始值先验条件,仿真实验表明了所提算法的有效性。

     

阵列模型误差条件下直接定位性能分析及偏差修正方法

相比于常规的"参数估计+位置解算"两步定位模式，直接定位（DPD）算法具有定位精度高、分辨能力强等诸多优势.但是，DPD算法的性能受到阵列模型误差的影响.本文通过一阶Taylor级数展开，定量推导出模型误差条件下基于多重信号分类直接定位算法（MUSIC-DPD）的定位误差，从定位误差的表达式中可以发现辐射源的真实位置和MUSIC-DPD所得的有偏位置估计之间存在一种非线性关系，但这关系在实际条件下无法精确表示.为此，本文提出一种基于多层感知器（MLP）神经网络的直接定位偏差修正方法，该方法能够直接学习由阵列模型误差引起的定位偏差的规律，有效地修正由阵列模型误差导致的直接定位偏差.     

A Framework for Improving the Performance of Direct Position Determination by Normal Hedge Algorithm for Emitter Localization in Indoor Applications

Indoor localization is a way to determine the location of transmitter(s) by using wireless network sensors without using GPS. In this paper, it is assumed that a random signal is transmitted by an unknown-position emitter through a noisy and lossy channel and then is received by known-position wireless sensors. Unlike the classical algorithms such as TDOA or AOA, the direct position determination (DPD) approach estimates the position of emitter in one step using the observation signal from all the collector receivers. In this paper a framework of methods is proposed to develop the DPD formulations. Originally, a preprocessing is applied on signals and later, a tree search algorithm and a fine localization algorithm will be proposed in order to achieve a higher resolution and with a less volume of computing. Furthermore, an approach is proposed to increase the performance of this algorithm. Using Normal Hedge algorithm with a proposed loss function, fuses the estimation results of several runs of the fine DPD algorithm. The simulation results are shown that the proposed framework would eventually improve the performance of the DPD algorithm.     

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。     

MIMO雷达GMTI性能及DOA估计的克拉美·罗界分析

研究了MIMO雷达GMTI 性能及其DOA估计的克拉美·罗界(CRB)。首先建立机载平台下MIMO雷达信号模型,通过对系统参数设置,可使MIMO雷达工作在3种不同模式中。接着分析了MIMO雷达GMTI性能,并推导出了在MIMO雷达空时信号模型下,利用空时联合域信息时DOA估计的CRB。仿真结果表明,无论是GMTI性能还是DOA估计性能,MIMO雷达均优于相控阵雷达,尤其是发射稀疏阵MIMO雷达性能最佳。同时,利用空时联合域信息能有效改善MIMO雷达DOA估计的CRB,在目标多普勒频率相差较大时效果更加明显。