KR101280513B1 - Localization method based on gauss-netwon method using tdoa/fdoa, and localization apparatus using the same - Google Patents

Localization method based on gauss-netwon method using tdoa/fdoa, and localization apparatus using the same Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A signal source location estimating method and a signal source location estimating apparatus using the same are provided to simultaneously use time difference of arrival (TDOA) and frequency difference of arrival (FDOA), thereby improving the accuracy of location estimation. CONSTITUTION: A signal source location estimating method includes following steps. A location and speed vector estimation value about the location and speed vector of a radar signal source is set, and an initial value about transmission value is set (S110). A TDOA and FDOA estimation value is calculated using the location and speed vector estimation value and the transmission value set by the initial value (S120). A difference value between a TDOA and FDOA measurement value measured in a receiving part and the TDOA and FDOA estimation value is calculated (S130). A Jacobian matrix is generated by differentiating each of a TDOA model equation and an FDOA model equation which are prepared in advance using the TDOA and FDOA estimation value (S140). A weighted value for altering the location and speed vector estimation value is calculated using the difference value and the Jacobian matrix, and the location and speed vector estimation value is altered using the weighted value (S150). In case the difference value is higher than a permissible threshold value or the repeated number of control procedures in previous steps is lower than a maximum value, the control procedures in the previous steps are performed again (S160). If the difference value is lower than the permissible threshold value and the repeated number of the control procedures is higher than the maximum value, an altered location and speed vector estimation value is determined as a final location speed vector of the radar signal source (S170). [Reference numerals] (AA) Start; (BB) End; (S110) Set an initial value; (S120) Calculate a TDOA and FDOA estimation value; (S130) Calculate the difference value between a TDOA and FDOA measurement value and the TDOA and FDOA estimation value; (S140) Generate a Jacobian matrix; (S150) Alter the location and speed vector estimation value; (S160) Confirm whether the difference value is higher than a permissible threshold value; (S170) Determine the location and speed

Description

TDOA/FDOA를 이용한 Gauss-Newton기법기반 신호원 위치추정방법 및 이를 이용한 신호원 위치추정장치{Localization method based on Gauss-Netwon method using TDOA/FDOA, and Localization apparatus using the same}Source location estimation method based on Gauss-Newton technique using TDOA / FDOA and localization method based on Gauss-Netwon method using TDOA / FDOA, and Localization apparatus using the same}

본 발명은 신호원의 위치추정방법에 관한 것으로, 전자전(electronic warfare)에서 신호의 탐지 및 식별을 위한 신호원 위치추정방법 및 이를 이용한 신호원 위치추정장치에 대한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for estimating a signal source, and more particularly, to a signal source estimating method for detecting and identifying a signal in an electronic warfare and a signal source estimating apparatus using the same.

신호원의 위치를 추정하는 방법으로는 AOA(Angle of Arrival)를 이용하는 방법, TDOA(Time Difference of Arrival)를 이용하는 방법, FDOA(Frequency Difference of Arrival)를 이용하는 방법 등이 있다.Methods of estimating the position of the signal source include a method of using Angle of Arrival (AOA), a method of using Time Difference of Arrival (TDOA), and a method of using Frequency Difference of Arrival (FDOA).

AOA를 이용하여 신호원의 위치를 추정하는 방법은 각 안테나의 방향탐지정확도 및 안테나간의 이격거리와 신호원의 거리의 비에 따라 위치추정 성능이 결정된다. 하지만 방향탐지 정확도를 높이기 위한 비용을 고려한다면 AOA를 이용하여 신호원의 위치를 추정하는 방법은 높은 정확도를 요구하는 곳에는 적합하지 않다.In the method of estimating the position of a signal source using AOA, the position estimation performance is determined according to the direction detection accuracy of each antenna and the ratio of the distance between the antennas and the distance of the signal source. However, considering the cost to improve the direction accuracy, the method of estimating the position of the signal source using AOA is not suitable for the place where high accuracy is required.

TDOA 혹은 FDOA를 단독으로 이용한 위치추정 방법은 대체적으로 높은 정확도를 나타내지만, 안테나의 배치 및 위협의 위치 등의 기하학적 배치에 따른 GDOP(Geometric Dilution of Precision)현상으로 인하여 위치추정 정확도가 떨어진다.The location estimation method using TDOA or FDOA alone shows high accuracy, but the location accuracy is poor due to the geometrical dilution of precision (GDOP) due to the geometrical arrangement such as antenna placement and threat location.

KR 10-0979294 B, 2010. 08. 31, 도 1KR 10-0979294 B, 2010. 08. 31, FIG. 1

본 발명의 목적은 TDOA(Time Difference of Arrival)와 FDOA(Frequency Difference of Arrival)를 동시에 이용함으로써 위치추정의 정확도를 향상할 수 있는 신호원 위치추정방법 및 이를 이용한 신호원 위치추정장치를 제공하는 것이다. Disclosure of Invention An object of the present invention is to provide a signal source location estimation method and a signal source location estimation apparatus using the same that can improve the accuracy of location estimation by using a time difference of arrival (TDOA) and frequency difference of arrival (FDOA) simultaneously. .

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은 전자전(electronic warfare)에서 신호의 탐지 및 식별에 적용되는 신호원 위치추정방법에 관한 것으로, 본 신호원 위치추정방법은 (a) 레이더 신호원의 위치와 속도벡터에 대하여 위치/속도벡터 추정값을 설정하고 전송주파수에 대하여 초기값을 설정하는 단계; (b) 상기 위치/속도벡터 추정값과 상기 초기값으로 설정된 전송주파수를 이용하여 TDOA 및 FDOA 추정값을 계산하는 단계; (c) 수신부에서 측정된 TDOA 및 FDOA 측정값과 상기 TDOA 및 FDOA 추정값의 차이값을 계산하고, 상기 TDOA 및 FDOA 추정값을 이용하여 사전에 마련된 TDOA 모델 방정식 및 FDOA 모델 방정식을 각각 미분하여 자코비언(Jacobian) 행렬을 생성하는 단계; (d) 상기 차이값과 상기 자코비언(Jacobian) 행렬을 이용하여 상기 위치/속도벡터 추정값을 변경하기 위한 가중치를 계산하고 이 가중치를 이용하여 상기 위치/속도벡터 추정값을 변경하는 단계; (e) 상기 차이값이 허용임계치 보다 크거나 상기 (a)단계로부터 상기 (d)단계까지의 제어절차의 반복횟수가 최대치 이하가 되는 경우 상기 (a)단계로부터 상기 (d)단계까지의 제어절차를 다시 수행하는 단계; 및 (f) 상기 차이값이 상기 허용임계치 이하이거나 상기 제어절차의 반복횟수가 상기 최대치 보다 크면 상기 (d)단계에 의해 변경된 위치/속도벡터의 추정값을 상기 레이더 신호원의 최종 위치/속도벡터로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.One aspect of the present invention for achieving the above object relates to a signal source position estimation method applied to the detection and identification of signals in electronic warfare, the present signal source position estimation method (a) the position of the radar signal source Setting a position / velocity vector estimated value for and a velocity vector and an initial value for a transmission frequency; (b) calculating TDOA and FDOA estimates using the position / speed vector estimate and the transmission frequency set as the initial value; (c) calculating a difference between the TDOA and FDOA measurement values measured by the receiver and the TDOA and FDOA estimates, and using the TDOA and FDOA estimates to differentiate the TDOA model equations and the FDOA model equations prepared in advance, respectively. Generating a matrix; (d) calculating a weight for changing the position / velocity vector estimate using the difference value and the Jacobian matrix and changing the position / velocity vector estimate using the weight; (e) control from (a) to (d) when the difference value is larger than the allowable threshold value or the number of repetitions of the control procedure from step (a) to step (d) is less than or equal to the maximum value; Performing the procedure again; And (f) if the difference value is less than or equal to the allowable threshold value or the repetition frequency of the control procedure is greater than the maximum value, the estimated value of the position / velocity vector changed by step (d) is converted into the final position / velocity vector of the radar signal source. Characterized in that it comprises the step of determining.

상기 위치/속도벡터 추정값에서 위치벡터 추정값은 (xe, ye)이고, 속도벡터 추정값은 (vxe, vye)이며, 상기 TDOA 모델 방정식은 fτ(x)이고, 상기 FDOA 모델 방정식은 fv(x)이며, 수신부의 수신단 쌍의 개수는 N인 경우 상기 자코비언 행렬은 수식 1에 의해 생성될 수 있다.In the position / velocity vector estimate, the position vector estimate is (x e , y e ), the velocity vector estimate is (v xe , v ye ), the TDOA model equation is f τ (x), and the FDOA model equation is If f v (x) and the number of receiver pairs in the receiver is N, the Jacobian matrix may be generated by Equation 1.

수식 1:

Figure 112012094345237-pat00001
Equation 1:
Figure 112012094345237-pat00001

상기 위치/속도벡터 추정값인 E는 수식 2로 표현되고, 상기 TDOA 및 FDOA 측정값과 상기 TDOA 및 FDOA 추정값의 차이값은 Δe로 표현되며, 시간 측정오차는 σt로 주파수 측정오차는 σf로 이루어진 측정오차행렬 R은 수식 3으로 표현되는 경우, 상기 가중치인 Δx는 수식 4로 표현될 수 있다.E, the position / velocity vector estimate, is represented by Equation 2, and the difference between the TDOA and FDOA measurements and the TDOA and FDOA estimates is represented by Δe, the time measurement error is σ t, and the frequency measurement error is σ f . When the measurement error matrix R formed is represented by Equation 3, the weight Δx may be represented by Equation 4.

수식 2:

Figure 112012094345237-pat00002
Equation 2:
Figure 112012094345237-pat00002

수식 3:

Figure 112012094345237-pat00003
Equation 3:
Figure 112012094345237-pat00003

수식 4:

Figure 112012094345237-pat00004
Equation 4:
Figure 112012094345237-pat00004

상기 (f)단계에서 결정된 최종 위치/속도벡터는, 최종 위치벡터가 (Px, Py)이고, 최종 속도벡터가 (Vx, Vy)인 경우, 수식 5로 표현될 수 있다.The final position / velocity vector determined in step (f) may be expressed by Equation 5 when the final position vector is (P x , P y ) and the final velocity vector is (V x , V y ).

수식 5:Equation 5:

Figure 112012094345237-pat00005
Figure 112012094345237-pat00005

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면에 따른 신호원 위치추정장치는 외부로부터 신호를 감지하기 위한 3개 이상의 수신단을 포함하는 수신부; 및 상기 수신부에서 감지되어 처리된 정보를 기초로, 전술한 발명의 일 측면에 따른 신호원 위치추정방법을 수행하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.Signal source position estimation apparatus according to another aspect of the present invention for achieving the above object comprises a receiving unit including three or more receiving end for detecting a signal from the outside; And a controller for performing a signal source position estimation method according to an aspect of the present invention based on the information detected and processed by the receiver.

이와 같이 본 발명은 본 발명의 목적은 TDOA(Time Difference of Arrival)와 FDOA(Frequency Difference of Arrival)를 동시에 이용함으로써 신호원의 위치추정의 정확도를 향상할 수 있다.As described above, the object of the present invention is to improve the accuracy of the estimation of the position of the signal source by simultaneously using the Time Difference of Arrival (TDOA) and the Frequency Difference of Arrival (FDOA).

또한 본 발명은 이동하는 신호원의 경우 속도벡터(속도, 방향) 정보도 구할 수 있으므로, 감시체계 및 신호원 위치/속도 추정이 필요한 어떤 시스템에도 적용될 수 있다.In addition, the present invention can also obtain the velocity vector (speed, direction) information in the case of a moving signal source, it can be applied to any system that requires monitoring system and signal source position / velocity estimation.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호원 위치추정방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호원 위치추정방법에 있어, 3개의 안테나중 2개의 안테나만을 이용한 경우의 TDOA/FDOA 위치추정 결과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호원 위치추정방법에 있어, 3개의 안테나를 이용한 경우의 TDOA/FDOA 위치추정 결과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 신호원 위치추정장치의 블록도이다.
1 is a flowchart illustrating a signal source position estimation method according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph illustrating a TDOA / FDOA position estimation result when only two antennas among three antennas are used in the signal source position estimation method according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph illustrating a TDOA / FDOA position estimation result when three antennas are used in the signal source position estimation method according to an embodiment of the present invention.
4 is a block diagram of a signal source position estimation apparatus according to another embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면들에 예시하고 이를 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail with reference to the drawings. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Should not.

본 발명의 일실시예에 따른 신호원 위치추정방법은 수신된 펄스의 TOA(Time Of Arrival) 및 주파수 정보를 이용하여 TDOA(Time Difference of Arrival) 및 FDOA(Frequency Difference of Arrival)를 계산하고 이를 바탕으로 Gauss-Newton기법 기반으로 신호원의 위치를 추정하는 방법이다.A signal source estimation method according to an embodiment of the present invention calculates a time difference of arrival (TDOA) and a frequency difference of arrival (FDOA) using the time of arrival (TOA) and frequency information of a received pulse. This method estimates the position of signal source based on Gauss-Newton technique.

Gauss-Newton 방법은 Taylor's series expansion을 통하여 비선형 LS(Least Square)문제를 선형 LS문제로 수정하여 반복적으로 해를 구하는 방법으로, 본 발명에서는 이 방법을 이용하여 TDOA 및 FDOA에 대한 비선형 신호모델에 대하여 선형 LS문제로 수정하여 반복적으로 위치 및 속도값을 추정한다.The Gauss-Newton method is a method of repeatedly solving the nonlinear LS problem by linear LS problem through Taylor's series expansion. In the present invention, a nonlinear signal model for TDOA and FDOA is used. We correct the linear LS problem and estimate the position and velocity values repeatedly.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호원 위치추정방법을 설명하기 위한 순서도이다.1 is a flowchart illustrating a signal source position estimation method according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 신호원 위치추정방법은 초기값을 설정하는 단계(S110), 초기값을 바탕으로 위치 및 속도 추정값을 계산하는 단계(S120), 측정값과 추정값의 차이를 계산하는 단계(S130), 추정값을 바탕으로 자코비언(Jacobian) 행렬을 생성하는 단계(S140), 자코비언(Jacobian) 행렬 연산을 통해 추정치를 변경하는 단계(S150), 수렴여부를 판단하는 단계(S160)로 이루어 질 수 있다.Referring to FIG. 1, the signal source estimation method includes setting an initial value (S110), calculating a position and velocity estimation value based on the initial value (S120), and calculating a difference between the measured value and the estimated value ( S130), generating a Jacobian matrix based on the estimated value (S140), changing the estimated value through a Jacobian matrix operation (S150), and determining whether to converge (S160). have.

먼저, 초기값을 설정하는 단계(S110)는 레이더 신호원의 위치와 속도벡터에 대하여 위치/속도벡터 추정값을 설정하고 전송주파수에 대하여 초기값을 설정하는 단계로 위치 및 속도벡터는 임의의 값(E)으로 설정한다. 임의의 값, E는 [X축의 추정위치, Y축의 추정위치, X축의 추정속도, Y축의 추정속도]로 구성되는 행렬로 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. First, the step of setting the initial value (S110) is to set the position / speed vector estimate value for the position and velocity vector of the radar signal source and to set the initial value for the transmission frequency. E). Any value, E, is a matrix consisting of [estimated position on the X axis, estimated position on the Y axis, estimated speed on the X axis, estimated speed on the Y axis].

Figure 112012094345237-pat00006
Figure 112012094345237-pat00006

또한, 전송주파수에 대한 초기값 설정은 수신부에서 감지되어 획득되는 주파수 정보의 평균값으로 설정될 수 있다. 이것은 FDOA의 계산에 사용될 수 있다.In addition, the initial value setting for the transmission frequency may be set to an average value of the frequency information obtained by being detected by the receiver. This can be used for the calculation of FDOA.

TDOA 및 FDOA 추정값 계산단계(S120)는 위치/속도벡터 추정값과 상기 초기값으로 설정된 전송주파수를 이용하여 TDOA 및 FDOA 추정값을 계산한다.In calculating the TDOA and FDOA estimates (S120), the TDOA and FDOA estimates are calculated using the position / speed vector estimate and the transmission frequency set as the initial value.

TDOA 및 FDOA 측정값과 추정값 차이 계산단계(S130)는 수신부에서 측정된 TDOA 및 FDOA 측정값과 S120 단계에서 계산된 TDOA 및 FDOA 추정값의 차이값(Δe)를 계산하는 단계이다.The step of calculating the difference between the TDOA and FDOA measurement value and the estimated value (S130) is a step of calculating the difference value Δe between the TDOA and FDOA measurement value measured by the receiver and the TDOA and FDOA estimated value calculated in step S120.

자코비언(Jacobian) 행렬 생성단계(S140)는 TDOA 및 FDOA 추정값을 이용하여 사전에 마련된 TDOA 모델 방정식 및 FDOA 모델 방정식을 각각 미분하여 자코비언(Jacobian) 행렬을 생성한다. TDOA 모델 방정식 fτ(x) 및 FDOA 모델 방정식 fv(x)는 이미 공지된 방정식을 이용하였다. 공지된 방정식의 일 예로 Finding Optimal Trajectory Points for TDOA/FDOA Geo-Location Sensors(Information Sciences and Systems, 2009, CISS 2009, 43rd Annual Conference)에 기재된 TDOA 모델 방정식 fτ(x) 는 수신단 i, 수신단 j에 대해 수식

Figure 112013035988911-pat00020
로 표현되고, 여기서 c는 빛의 속도(2.99792458×108m/s)이고, xe,ye는 신호원의 추정 위치이며, xi,yi는 수신단 i의 위치이고, xj,yj는 수신단 j의 위치이다. 또한 FDOA 모델 방정식 fv(x)는 수신단 i, 수신단 j에 대해 수식
Figure 112013035988911-pat00021
로 표현되고, 여기서 fe는신호원에 대한 측정주파수이고, c는 빛의 속도(2.99792458×108m/s)이며, xe,ye는 신호원의 추정 위치이며, xi,yi는 수신단 i의 위치이고, xj,yj는 수신단 j의 위치이며, vxi,vyi는 수신단 i의 속도벡터(x좌표, y좌표)이고, vxj,vyj는 수신단 j의 속도벡터이다.The Jacobian matrix generation step S140 generates a Jacobian matrix by differentiating a previously prepared TDOA model equation and an FDOA model equation using TDOA and FDOA estimates. The TDOA model equations f τ (x) and the FDOA model equations f v (x) used known equations. As an example of a known equation, the TDOA model equation f τ (x) described in Finding Optimal Trajectory Points for TDOA / FDOA Geo-Location Sensors (Information Sciences and Systems, 2009, CISS 2009, 43 rd Annual Conference) is defined as the receiver i, the receiver j. Formula for
Figure 112013035988911-pat00020
Where c is the speed of light (2.99792458 × 10 8 m / s), x e , y e is the estimated position of the signal source, x i , y i is the position of the receiver i, x j , y j is the position of the receiving end j. In addition, the FDOA model equation f v (x) is the equation for receiver i and receiver j.
Figure 112013035988911-pat00021
Where f e is the measurement frequency for the signal source, c is the speed of light (2.99792458 × 10 8 m / s), x e , y e is the estimated location of the signal source, x i , y i Is the position of the receiver i, x j , y j is the position of the receiver j, v xi , v yi is the velocity vector (x coordinate, y coordinate) of the receiver i, v xj , v yj is the velocity vector of the receiver j to be.

TDOA 모델 방정식을 fτ(x), FDOA 모델 방정식을 fv(x)라 하고, 추정된 위치 벡터를 (xe, ye), 속도벡터를 (vxe, vye)라 한다면 자코비언(Jacobian) 행렬은 다음 수학식 2과 같다. 수학식 2에서 N은 사용하는 수신부의 안테나와 같은 안테나 쌍의 수를 의미한다. 안테나들은 서로 이격되어 배치되어 외부로부터의 전파를 감지하는 기능을 수행한다.If the TDOA model equation is f τ (x), the FDOA model equation is f v (x), the estimated position vector is (x e , y e ), and the velocity vector is (v xe , v ye ), then Jacobian ) Matrix is shown in Equation 2 below. In Equation 2, N denotes the number of antenna pairs equal to the antenna of the receiver to be used. The antennas are spaced apart from each other to detect a radio wave from the outside.

Figure 112012094345237-pat00007
Figure 112012094345237-pat00007

위치/속도 추정값 변경 단계(S150)는 자코비언(Jacobian) 행렬과 TDOA 및 FDOA 측정값과 TDOA 및 FDOA 추정값과의 차이값인 Δe를 이용하여 위치/속도벡터의 추정값을 변경할 가중치(Δx)를 계산한다. Δx는 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.In the step S150 of changing the position / velocity estimate, a weight Δx to change the estimate of the position / velocity vector is calculated using Δe, which is a difference between the Jacobian matrix, the TDOA and FDOA measurements, and the TDOA and FDOA estimates. . Δx may be expressed as in Equation 3.

Figure 112012094345237-pat00008
Figure 112012094345237-pat00008

수학식 3에서 R은 시간 측정오차(σt)와 주파수 측정오차(σf)값으로 구성된 길이가 N 대 N인 대각행렬이다. R은 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.In Equation 3, R is a diagonal matrix of length N vs. N composed of time measurement error (σ t ) and frequency measurement error (σ f ). R may be expressed as in Equation 4.

Figure 112012094345237-pat00009
Figure 112012094345237-pat00009

위치/속도 추정값 변경 단계(S150)는 위와 같은 가중치(Δx)를 반영하여 위치/속도벡터의 추정값을 변경할 수 있다. 변경된 위치/속도벡터의 추정값은 위치벡터(Px, Py)와 속도벡터(Vx, Vy)로 표현될 수 있으며, 변경된 위치/속도벡터의 추정값인 행렬 [Px, Py, Vx, Vy]는 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.The position / speed estimation value changing step (S150) may change the estimated value of the position / speed vector by reflecting the weight Δx as described above. The estimated value of the changed position / velocity vector may be represented by the position vector (P x , P y ) and the velocity vector (V x , V y ), and the matrix [P x , P y , V x , V y ] may be expressed as Equation 5.

Figure 112012094345237-pat00010
Figure 112012094345237-pat00010

수렴여부 확인단계(S160)는 허용임계치(θ) 및 최대반복허용횟수(MAX_ITER)를 이용하여 S110단계로부터 S150단계까지의 제어절차의 반복 여부를 결정한다. S130단계에서 계산된 TDOA 및 FDOA 측정값과 TDOA 및 FDOA 추정값과의 차이인Δe값이 허용임계치(θ)보다 크거나 S110단계로부터 S150단계까지의 제어절차의 반복횟수가 사전에 정해진 최대치(MAX_ITER) 이하가 되면 Gauss-Newton 방법에 근거한 S110단계로부터 S150단계까지의 제어절차를 재 수행한다.The convergence check step S160 determines whether to repeat the control procedure from step S110 to step S150 using the allowable threshold value θ and the maximum repetition allowance number MAX_ITER. The Δe value, which is the difference between the TDOA and FDOA measured values calculated in step S130 and the TDOA and FDOA estimated values, is greater than the allowable threshold value (θ) or the maximum number of iterations of the control procedure from step S110 to step S150 (MAX_ITER). In the following case, the control procedure from step S110 to step S150 based on the Gauss-Newton method is performed again.

위치/속도 추정값 결정단계(S170)는 S160단계의 수행 결과 Δe값이 허용임계치(θ) 이하이거나 S110단계로부터 S150단계까지의 제어절차의 반복횟수가 사전에 정해진 최대치(MAX_ITER)보다 크면 S110단계로부터 S150단계까지의 제어절차를 종료하고, S150단계에 의해 변경된 위치/속도벡터의 추정값인 행렬 [Px, Py, Vx, Vy]를 레이더 신호원의 최종 위치/속도벡터로 결정한다.The position / speed estimation value determining step (S170) may be performed from step S110 when the result of the step S160 indicates that the value Δe is less than or equal to the allowable threshold value (θ) or the number of iterations of the control procedure from step S110 to step S150 is greater than a predetermined maximum value MAX_ITER. The control procedure up to step S150 is terminated, and the matrix [P x , P y, V x , V y ], which is an estimated value of the position / velocity vector changed in step S150, is determined as the final position / velocity vector of the radar signal source.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호원 위치추정방법에 있어, 3개의 안테나중 2개의 안테나만을 이용한 경우의 TDOA/FDOA 위치추정 결과를 설명하기 위한 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호원 위치추정방법에 있어, 3개의 안테나만을 이용한 경우의 TDOA/FDOA 위치추정 결과를 설명하기 위한 그래프이다.2 is a graph illustrating a TDOA / FDOA position estimation result when only two antennas of three antennas are used in the signal source position estimation method according to an embodiment of the present invention, and FIG. In the signal source position estimation method according to the embodiment, it is a graph for explaining the TDOA / FDOA position estimation result when only three antennas are used.

도 2를 참조하여, 2개의 안테나만을 이용한 경우의 TDOA/FDOA 위치추정 결과를 설명한다. 도 2에 도시된 바와 같이 A가 지시하는 그래프는 TDOA에 의해 추정된 레이더 신호원의 위치를 나타내는 것이고, B가 지시하는 그래프는 FDOA에 의해 추정된 신호원의 위치를 나타내는 것이다. A와 B의 그래프의 교점은 TDOA와 FDOA가 동시에 적용되는 경우에 추정되는 레이더 신호원의 위치에 해당한다.With reference to FIG. 2, the TDOA / FDOA position estimation result when only two antennas are used is demonstrated. As shown in Fig. 2, the graph indicated by A indicates the position of the radar signal source estimated by the TDOA, and the graph indicated by B indicates the position of the signal source estimated by the FDOA. The intersection of the graphs of A and B corresponds to the position of the radar signal source estimated when TDOA and FDOA are applied simultaneously.

도 3을 참조하여, 3개의 안테나만을 이용한 경우의 TDOA/FDOA 위치추정 결과를 설명한다. 도 3에 도시된 바와 같이 A가 지시하는 그래프는 TDOA에 의해 추정된 레이더 신호원의 위치를 나타내는 것이고, B가 지시하는 그래프는 FDOA에 의해 추정된 신호원의 위치를 나타내는 것이다. A와 B의 그래프의 교점은 TDOA와 FDOA가 동시에 적용되는 경우에 추정되는 레이더 신호원의 위치에 해당한다.Referring to FIG. 3, the TDOA / FDOA position estimation result when only three antennas are used will be described. As shown in Fig. 3, the graph indicated by A indicates the position of the radar signal source estimated by the TDOA, and the graph indicated by B indicates the position of the signal source estimated by the FDOA. The intersection of the graphs of A and B corresponds to the position of the radar signal source estimated when TDOA and FDOA are applied simultaneously.

도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 신호원 위치추정장치의 기능블록도이다.4 is a functional block diagram of a signal source position estimating apparatus according to another embodiment of the present invention.

이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 신호원 위치추정장치에 대해 설명한다. 본 실시예에 따른 신호원 위치추정방법(1)는 전술한 신호원 위치추정방법에 의해 동작할 수 있으며, 외부신호를 감지하기 위한 수신부(10)와 전술한 신호원 위치추정방법에 의해 동작하는 제어부(20)를 포함할 수 있다.Hereinafter, a signal source position estimation apparatus according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4. The signal source position estimation method 1 according to the present embodiment may be operated by the signal source position estimation method described above, and may be operated by the receiver 10 for sensing an external signal and the signal source position estimation method described above. The control unit 20 may include.

수신부(10)는 외부의 레이더신호 등의 전파신호등을 감지하기 위해 3개 이상의 안테나를 포함하며, 안테나는 3개 이상으로 서로 이격되어 설치될 수 있다. 수신부(10)는 안테나를 통해 감지된 신호를 처리하여 제어부(20)로 전달한다.The receiver 10 includes three or more antennas to detect radio signals such as an external radar signal, and the antennas may be spaced apart from each other by three or more. The receiver 10 processes the signal detected through the antenna and transmits the signal to the controller 20.

수신부(10)는 수신부(10)는 레이더신호가 감지되면 신호의 반송주파수(carrier frequency) 펄스폭(pulse width), 펄스크기(pulse amplitude), 펄스도착시간(time of arrival) 등을 측정할 수 있다.When the radar signal is detected, the receiver 10 may measure a carrier frequency, a pulse width, a pulse amplitude, a time of arrival, and the like of the signal. have.

제어부(20)는 위에서 설명한 신호원 위치추정방법을 구현하기 위해 도 4에 도시된 바와 같이 기능상 TDOA 및 FDOA 추정값계산모듈(22), TDOA 및 FDOA 측정값과 추정값 차이계산모듈(24), 자코비언(Jacobian) 행렬생성모듈(25), 신호원의 위치/속도 추정값변경모듈(27) 및 신호원의 위치/속도 결정모듈(29)로 구분할 수 있다.The control unit 20 functionally calculates the TDOA and FDOA estimated value module 22, the TDOA and FDOA measured value and the estimated value difference module 24, and Jacobian as shown in FIG. Jacobian) may be divided into a matrix generation module 25, a position / speed estimation value change module 27 of a signal source, and a position / speed determination module 29 of a signal source.

TDOA 및 FDOA 추정값계산모듈(22)은 신호원의 위치와 속도벡터에 대하여 위치/속도벡터 추정값을 설정하고 전송주파수에 대하여 초기값을 설정한다. 신호원의 위치 및 속도벡터는 수학식 1과 같이 임의의 값으로 설정할 수 있다.The TDOA and FDOA estimate calculation module 22 sets position / velocity vector estimates for the position and velocity vectors of the signal source and initial values for the transmission frequency. The position and velocity vector of the signal source may be set to any value as in Equation 1.

TDOA 및 FDOA 추정값계산모듈(22)은 수신부(10)에서 감지되어 획득되는 주파수 정보의 평균값을 이용하여 전송주파수에 대한 초기값을 설정할 수 있다.The TDOA and FDOA estimate calculation module 22 may set an initial value for the transmission frequency by using an average value of the frequency information detected and acquired by the receiver 10.

TDOA 및 FDOA 추정값계산모듈(22)은 수학식 1과 같이 표현되는 위치/속도벡터 추정값과 초기값으로 설정된 전송주파수를 이용하여 TDOA 추정값과 FDOA 추정값을 계산한다.The TDOA and FDOA estimate calculation module 22 calculates the TDOA estimate and the FDOA estimate by using the position / speed vector estimate value represented by Equation 1 and the transmission frequency set as the initial value.

TDOA 및 FDOA 측정값과 추정값 차이계산모듈(24)은 수신부(10)에서 감지되어 측정된 TDOA 및 FDOA 측정값과 TDOA 및 FDOA 추정값계산모듈(22)에서 계산된 TDOA 및 FDOA 추정값의 차이(Δe)를 계산한다.The difference between the TDOA and FDOA measured value and the estimated value calculation module 24 is the difference between the TDOA and FDOA measured values detected by the receiver 10 and the TDOA and FDOA estimated value calculated module 22 and calculated (Δe). Calculate

자코비언(Jacobian) 행렬생성모듈(25)은 TDOA 및 FDOA 추정값을 이용하여 TDOA 및 FDOA 모델 방정식을 미분하여 수학식 2와 같은 자코비언(Jacobian) 행렬을 생성한다.The Jacobian matrix generation module 25 differentiates the TDOA and FDOA model equations using the TDOA and FDOA estimates to generate a Jacobian matrix as shown in Equation (2).

신호원의 위치/속도 추정값변경모듈(27)은 자코비언(Jacobian) 행렬과 TDOA 및 FDOA 측정값과 TDOA 및 FDOA 추정값과의 차이값인 Δe를 이용하여 위치/속도벡터 추정값을 변경하기 위한 가중치(Δx)를 수학식 3과 같이 계산한다.The source / position estimation value change module 27 of the signal source uses a Jabbian matrix, TDOA and FDOA measurement values, and Δe, which is a difference value between the TDOA and FDOA estimates, to change the position / speed vector estimate value (Δx). ) Is calculated as in Equation 3.

신호원의 위치/속도 추정값변경모듈(27)은 수학식 3과 같이 계산된 가중치(Δx)를 반영하여 위치/속도벡터 추정값을 변경할 수 있다. 변경된 위치/속도벡터의 추정값([Px, Py, Vx, Vy])은 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.The position / speed estimation value change module 27 of the signal source may change the position / speed vector estimate value by reflecting the weight Δx calculated as in Equation 3. The estimated value ([P x , P y, V x , V y ]) of the changed position / velocity vector may be expressed as in Equation 5.

위치/속도 추정값 결정모듈(29)은 TDOA 및 FDOA 측정값과 추정값 차이계산모듈(24)에 의해 계산된 Δe값이 허용임계치(θ) 이하이거나 위치/속도벡터 추정값의 변경을 위한 제어동작의 횟수가 사전에 정해진 최대치(MAX_ITER)보다 큰 경우 위치/속도벡터의 추정값의 변경을 위한 제어동작을 종료하고, 신호원의 위치/속도 추정값변경모듈(27)의해 변경된 위치/속도벡터의 추정값인 [Px, Py, Vx, Vy]를 신호원의 최종 위치/속도벡터로 결정한다.The position / speed estimation value determining module 29 determines the number of control operations for changing the position / speed vector estimate value or the? E value calculated by the TDOA and FDOA measured value and the estimated value difference calculation module 24 is less than or equal to the allowable threshold value [theta]. Is larger than the predetermined maximum value MAX_ITER, the control operation for changing the estimated value of the position / velocity vector is terminated, and [P], which is an estimated value of the position / velocity vector changed by the position / velocity estimation value change module 27 of the signal source, is changed. x , P y, V x , V y ] is determined as the final position / speed vector of the signal source.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 신호원 위치추정방법 및 신호원 위치추정장치(1)는 TDOA와 FDOA를 동시에 이용하여 TDOA 혹은 FDOA 단독으로 이용할 때 생기는 위치추정의 모호성을 해결함과 동시에 신호원이 이동하는 경우 속도벡터(속도, 방향)도 구할 수 있으므로, 감시체계 및 신호원 위치/속도 추정이 필요한 어떤 시스템에도 직접 적용이 가능하다. As described above, the signal source position estimation method and the signal source position estimation apparatus 1 according to an embodiment of the present invention solve the ambiguity of the position estimation caused by using TDOA or FDOA alone by simultaneously using the TDOA and the FDOA signal. If the circle is moving, velocity vectors (velocity, direction) are also available, so it can be directly applied to any system that requires surveillance and signal source position / speed estimation.

본 발명은 위에서 설명한 실시예들 외에도 전자전(electronic warfare)의 신호 탐지 및 식별 분야에 다양하게 적용되어 사용될 수 있다.The present invention can be applied to various applications in the field of signal detection and identification of electronic warfare in addition to the embodiments described above.

1: 신호원 위치추정장치
10: 수신부
20: 제어부
22: TDOA 및 FDOA 추정값계산모듈
24: TDOA 및 FDOA 측정값과 추정값 차이계산모듈(24)
25: 자코비언(Jacobian) 행렬생성모듈
27: 신호원의 위치/속도 추정값변경모듈
29: 신호원의 위치/속도 결정모듈
1: signal source estimation device
10: receiver
20: control unit
22: TDOA and FDOA Estimation Calculation Module
24: TDOA and FDOA measured and estimated difference calculation module (24)
25: Jacobian matrix generation module
27: position / speed estimation value change module of the signal source
29: Position / speed determination module of the signal source

Claims (5)

전자전(electronic warfare)에서 신호의 탐지 및 식별에 적용되는 신호원 위치추정방법에 있어서,
(a) 레이더 신호원의 위치와 속도벡터에 대하여 위치/속도벡터 추정값을 설정하고 전송주파수에 대하여 초기값을 설정하는 단계;
(b) 상기 위치/속도벡터 추정값과 상기 초기값으로 설정된 전송주파수를 이용하여 TDOA 및 FDOA 추정값을 계산하는 단계;
(c) 수신부에서 측정된 TDOA 및 FDOA 측정값과 상기 TDOA 및 FDOA 추정값의 차이값을 계산하고, 상기 TDOA 및 FDOA 추정값을 이용하여 사전에 마련된 TDOA 모델 방정식 및 FDOA 모델 방정식을 각각 미분하여 자코비언(Jacobian) 행렬을 생성하는 단계;
(d) 상기 차이값과 상기 자코비언(Jacobian) 행렬을 이용하여 상기 위치/속도벡터 추정값을 변경하기 위한 가중치를 계산하고 이 가중치를 이용하여 상기 위치/속도벡터 추정값을 변경하는 단계;
(e) 상기 차이값이 허용임계치 보다 크거나 상기 (a)단계로부터 상기 (d)단계까지의 제어절차의 반복횟수가 최대치 이하가 되는 경우 상기 (a)단계로부터 상기 (d)단계까지의 제어절차를 다시 수행하는 단계; 및
(f) 상기 차이값이 상기 허용임계치 이하이거나 상기 제어절차의 반복횟수가 상기 최대치 보다 크면 상기 (d)단계에 의해 변경된 위치/속도벡터의 추정값을 레이더 신호원의 최종 위치/속도벡터로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호원 위치추정방법.
In the signal source position estimation method applied to the detection and identification of signals in electronic warfare,
(a) setting position / velocity vector estimates for the position and velocity vectors of the radar signal source and initial values for the transmission frequency;
(b) calculating TDOA and FDOA estimates using the position / speed vector estimate and the transmission frequency set as the initial value;
(c) calculating the difference between the TDOA and FDOA measurements measured by the receiver and the TDOA and FDOA estimates, and using the TDOA and FDOA estimates to differentiate the TDOA model equations and the FDOA model equations prepared in advance, respectively. Generating a matrix;
(d) calculating a weight for changing the position / velocity vector estimate using the difference value and the Jacobian matrix and changing the position / velocity vector estimate using the weight;
(e) control from (a) to (d) when the difference value is larger than the allowable threshold value or the number of repetitions of the control procedure from step (a) to step (d) is less than or equal to the maximum value; Performing the procedure again; And
(f) If the difference is less than the allowable threshold or the number of repetitions of the control procedure is greater than the maximum value, the estimated value of the position / velocity vector changed by the step (d) is determined as the final position / velocity vector of the radar signal source. Signal source position estimation method comprising the step of.
제1항에 있어서,
상기 위치/속도벡터 추정값에서 위치벡터 추정값은 (xe, ye)이고, 속도벡터 추정값은 (vxe, vye)이며, 상기 TDOA 모델 방정식은 fτ(x)이고, 상기 FDOA 모델 방정식은 fv(x)이며, 수신부의 안테나 쌍의 개수는 N인 경우 상기 자코비언 행렬은 수식 1에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 신호원 위치추정방법.
수식 1:
Figure 112012094345237-pat00011
The method of claim 1,
In the position / velocity vector estimate, the position vector estimate is (x e , y e ), the velocity vector estimate is (v xe , v ye ), the TDOA model equation is f τ (x), and the FDOA model equation is If f v (x) and the number of antenna pairs in the receiver is N, the Jacobian matrix is generated by Equation 1.
Equation 1:
Figure 112012094345237-pat00011
제2항에 있어서,
상기 위치/속도벡터 추정값인 E는 수식 2로 표현되고, 상기 TDOA 및 FDOA 측정값과 상기 TDOA 및 FDOA 추정값의 차이값은 Δe로 표현되며, 시간 측정오차는 σt로 주파수 측정오차는 σf로 이루어진 측정오차행렬 R은 수식 3으로 표현되는 경우, 상기 가중치인 Δx는 수식 4로 표현되는 것을 특징으로 하는 신호원 위치추정방법.
수식 2:
Figure 112012094345237-pat00012

수식 3:
Figure 112012094345237-pat00013

수식 4:
Figure 112012094345237-pat00014
The method of claim 2,
E, the position / velocity vector estimate, is represented by Equation 2, and the difference between the TDOA and FDOA measurements and the TDOA and FDOA estimates is represented by Δe, the time measurement error is σ t, and the frequency measurement error is σ f . When the measurement error matrix R is formed by Equation 3, the weight Δx is represented by Equation 4.
Equation 2:
Figure 112012094345237-pat00012

Equation 3:
Figure 112012094345237-pat00013

Equation 4:
Figure 112012094345237-pat00014
제3항에 있어서,
상기 (f)단계에서 결정된 최종 위치/속도벡터는, 최종 위치벡터가 (Px, Py)이고, 최종 속도벡터가 (Vx, Vy)인 경우, 수식 5로 표현되는 것을 특징으로 하는 신호원 위치추정방법.
수식 5:
Figure 112012094345237-pat00015
The method of claim 3,
The final position / velocity vector determined in the step (f) is represented by Equation 5 when the final position vector is (P x , P y ) and the final velocity vector is (V x , V y ). Source location estimation method.
Equation 5:
Figure 112012094345237-pat00015
외부로부터 신호를 감지하기 위한 3개 이상의 안테나를 포함하는 수신부; 및
상기 수신부에서 감지되어 처리된 정보를 기초로, 상기 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 따른 신호원 위치추정방법을 수행하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호원 위치추정장치.
A receiver including three or more antennas for sensing a signal from the outside; And
And a control unit for performing the signal source position estimation method according to any one of claims 1 to 4, based on the information detected and processed by the receiver.
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