CN109901106A - 一种tdoa/aoa混合定位方法 - Google Patents

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陈文颉
王伟威
陈杰
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Abstract

本发明针对无源定位系统下，提供一种TDOA/AOA混合定位方法，解决了站址数量的限制，而且提高了定位精度。一种TDOA/AOA混合定位方法，包括：S1:根据无线定位系统中的TDOA测量值得到移动台到两个基站之间的距离差，根据无线定位系统中的AOA测量值得到各基站的角度信息，分别构建TDOA定位模型和AOA定位模型；S2：建立TDOA/AOA混合定位模型实现定位。

Description

一种TDOA/AOA混合定位方法
技术领域
本发明提供一种无源定位算法，具体涉及一种TDOA/AOA混合定位方法，属于信息处理领域。
背景技术
目标无源定位技术是近年来备受关注的研究热点之一，并且随着科学技术的进步和世界各国对电子战的投入不断增大，电子战技术正飞速向前发展，新技术和新设备不断涌现，性能水平持续提高，从而促使电子战的作战领域和作战方式不断变化，电子战装备的能力也在发生着巨大变化。同时，随着军事信息技术广泛应用于现代战争的各个领域，电子战作为现代信息化战争的主要作战形式之一，其作用范围将更广、规模将更大、强度将更强，并将成为掌握信息控制权、赢得战场主动权和获取战争制胜权的关键。在电子战领域中，对目标辐射源位置信息侦查的越准确，就越有助于辐射源信息的获取，并对其进行电子干扰及精确打击，因此，对辐射源的定位技术在电子战领域占有很重要的地位。
对目标辐射源的定位常使用雷达、激光、声纳等有源设备进行，这种有源定位方法具有工作原理简单、定位精度高等优点，但有源定位设备常发射大功率的信号，这样很容易暴露自己，并遭到对方电子干扰或武装打击，在难以确保自身安全的情况下，很难实现其探测定位等功能。无源定位技术就是在这种背景下产生和发展起来的，无源定位系统其自身不发射电磁波，通过测量辐射源辐射、反射和散射的电磁波来确定目标辐射源的位置。无源定位系统具有作用距离远、隐蔽性好等优点，并且对提高系统在电子战环境下的生存能力具有重要作用。
然而，现阶段解决无源定位技术常用的方法是两步加权最小二乘算法，定位精度的影响因素有很多。TDOA定位算法有较高的定位精度，但是单独TDOA定位需要较多的基站，比如二维的需要三个以上，三维需要四个以上，这就极大的限制了TDOA算法的使用；同时AOA定位算法只需要一个基站便可定位出目标位置，但是定位精度达不到要求。
发明内容
本发明针对无源定位系统下，提供一种TDOA/AOA混合定位方法，解决了站址数量的限制，而且提高了定位精度。
本发明通过以下技术方案实现：
一种TDOA/AOA混合定位方法，包括：
S1:根据无线定位系统中的TDOA测量值得到移动台到两个基站之间的距离差，根据无线定位系统中的AOA测量值得到各基站的角度信息，分别构建TDOA定位模型和AOA定位模型；
S2：建立TDOA/AOA混合定位模型实现定位。
进一步地，所述TDOA定位模型采用以下方法构建：
获得TDOA的测量值，得到移动台到两个基站之间的距离差；
多个TDOA测量值得到的距离差构成一组关于移动台位置的双曲线方程组；
基于该双曲线方程组建立TDOA定位模型；
进一步地，所述AOA定位模型采用以下方法构建：
利用多个基站天线系统测量的移动台的方位信息进行交叉定位，建立联立的方程组，求解得到移动台位置，以此建立AOA的定位模型。
进一步地，所述建立TDOA/AOA混合定位模型采用以下方法：
得到所述TDOA定位模型和AOA定位模型后，将TDOA方程与AOA方程联立进行求解，从而建立TDOA/AOA混合定位模型。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)使用TDOA/AOA混合定位算法，相较与TDOA技术在较少基站儿TDOA无法求解的条件下，可利用AOA侧向信息完成移动台的定位；
(2)使用TDOA/AOA混合定位算法，相教与AOA技术，可利用时差信息提高起定位精度。
(3)目前雷达系统通常具有时差测量与测向能力，本发明提供了一种将两类信息进行融合定位的方法，比较单一定位方法，充分利用了可获得的信息提高了定位系统的政体性能。
附图说明
图1是TDOA原理示意图；
图2是AOA原理示意图；
图3是TDOA/AOA融合定位原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，可推广得到的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例中所采用的无源定位系统是原理样机，具体的无源定位模型步骤如下：
S1:根据无线定位系统中的TDOA测量值得到移动台到两个基站之间的距离差，根据无线定位系统中的AOA测量值得到各基站的角度信息，分别构建TDOA定位模型和AOA定位模型；
S11：TDOA定位模型
在无线定位系统中，一旦获得TDOA的测量值，就可以得到移动台到两个基站之间的距离差。多个TDOA测量值就可以构成一组关于移动台位置的双曲线方程组，求解该方程组就可得到移动台的估计位置。但是由于双曲线方程组是非线性方程组，求解起来并不容易。
假设在一个无线定位系统中，共测量了M个移动台(MS)的TDOA测量值，根据特征测量值建立的残差方程为fi(X)，当没有任何TDOA测量值误差的先验信息时，可利用使残差误差平方和最小的最小二乘算法实现对MS的位置估计，即：
如果各特征测量值误差的先验信息为已知，可根据该信息设置一个加权因子αi对残差加权，加权最小二乘(WLS)估计器为：
由于fi(X)通常为一非线性函数，以上最小二乘问题的求解可以看成一个非线性最优化问题，可通过求解最优化问题的梯度法、单形调优法、高斯牛顿法等递归算法进行求解。
由M个基站(BS)对移动台(MS)进行二维定位估计的问题。设M个基站随机分布在二维平面上，(x,y)为MS的待估计位置，(Xi,Yi)为第i个BS的已知位置。MS和第i个基站之间的距离为：
其中，
令Ri,1表示MS与基站i(i≠1)和基站1(服务基站)的实际距离差，则
其中，c为电波传播速度，di,1为TDOA测量值。
当有效测量基站数为4个以上时，该算法能利用网络提供的所有TDOA测量值并取得更好的计算结果。此时TDOA测量值数目多于未知量数目，因此，初始非线性TDOA方程组应首先转换为线性方程组，然后采用加权最小二乘算法(WLS)得到一初始解，再利用第一次得到的估计位置坐标及附加变量等已知的约束条件进行第二次WLS估计，最后便能得到改进的估计位置。
令为未知矢量，其中zp＝[x,y]T，求出的具有TDOA噪声的误差矢量为：
式中，
S12：AOA定位模型
第i个基站测得移动台的方位当有系统测量误差ni'存在时，系统测量的方位角为：
式中，φi为的真实值。
用矩阵的形式表示为：
Hx＝K+δ.
式中：x＝[x,y]T；
δ＝[δ1,δ2,...,δM]；
TDOA和AOA单独定位系统流程如图1所示。
S2：TDOA/AOA混合定位模型
不同定位模型都有各自的优缺点，把两种定位模型混合使用，可以提供定位的精度或者减少基站的数目。
S21：混合定位的计算方法如下：
在首先以二维平面内由测量传感器S0和S1连个基站为例说明，假设探测传感器Si的坐标为Xi＝[xi,yi]T，其中i＝1,2，辐射源目标T的坐标为XT＝[x,y]T，保证每个探测传感器都能探测到数据，
首先我们可以得到如下时差方程：
r1 2-r0 2＝(x-x1)2+(y-y1)2-(x-x0)2-(y-y0)2
式中Δr＝r1-r0,r1+r0＝2r0+Δr，因此
(2r0+Δr)Δr＝[2x-(x1+x0)](x0-x1)+[2y-(y1+y0)](y0-y1)
转换可以得到：
令
上式可以转化为TDOA的时差方程
(x0-x1)x+(y0-y1)y＝k+r0Δr。
其次由角度信息可得AOA的侧向方程
xtanθ-y＝x0tanθ-y0，
将上述TDOA方程与时差方程子联合起来写成矩阵的形式，我们可以得到TDOA/AOA混合定位方程的表达形式；
AX＝f
这样的形式。式中每个字母的表达含义如下：
当有多个基站，多组时差TDOA方程与多组侧向AOA方程时，可将如S1步骤中的TDOA与AOA定位方程联立，然后可以通过数值解法找到他们的解。TDOA/AOA混合定位方法原理如图3所示。
S22:建立TDOA/AOA联合定位工作流程并实现定位系统
实现定位系统，它的主要功能有数据通讯、数据显示、定位算法模型实现以及数据融合算法实现。
首先样机接收适配器发出的探测源数据包，对其进行显示，然后对该数据进行处理，得到可以作为定位算法输入的数据形式，并保证在批次和时序上辑正确，样机会将编批后的数据显示在用户界面，样机里采用的定位算法有TDOA和AOA两种，因此对两种算法算出的结果进行数据融合也是必要的，最后再将融合后的定位结果发回适配器，至此，样机完成一个处理周期的所有步骤。

Claims (4)

1.一种TDOA/AOA混合定位方法，其特征在于，包括：
根据无线定位系统中的TDOA测量值得到移动台到两个基站之间的距离差，根据无线定位系统中的AOA测量值得到各基站的角度信息，分别构建TDOA定位模型和AOA定位模型；
根据构建的所述的TDOA定位模型和AOA定位模型建立TDOA/AOA混合定位模型实现定位。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述TDOA定位模型采用以下方法构建：
获得TDOA的测量值，得到移动台到两个基站之间的距离差；
多个TDOA测量值得到的距离差构成一组关于移动台位置的双曲线方程组；
基于该双曲线方程组建立TDOA定位模型。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述AOA定位模型采用以下方法构建：
利用多个基站天线系统测量的移动台的方位信息进行交叉定位，建立联立的方程组，求解得到移动台位置，以此建立AOA的定位模型。
4.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述建立TDOA/AOA混合定位模型采用以下方法：
得到所述TDOA定位模型和AOA定位模型后，将TDOA定位模型的方程与AOA定位模型的方程联立进行求解，从而建立TDOA/AOA混合定位模型。
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