一種基于線性關(guān)系的兩步估計(jì)高精確時(shí)差定位算法
【專利摘要】基于我們申請(qǐng)并已公布的專利201110197395.5（一種基于線性關(guān)系的高精確時(shí)差定位算法），本發(fā)明進(jìn)一步公開了一種基于線性關(guān)系的兩步估計(jì)高精確時(shí)差定位算法。首先利用已公布專利201110197395.5中的方法完成輻射源位置的初步估計(jì)。在關(guān)鍵的第二步估計(jì)中，基于第一步估計(jì)得到的輻射源位置得到另一線性方程組，該方程組以輻射源位置修正量為變量。基于最小均方原則，第二步估計(jì)得到輻射源位置修正量。綜合兩步估計(jì)結(jié)果，得到輻射源位置最終估計(jì)值。由于兩步估計(jì)中皆用線性關(guān)系，所得解唯一。通過第二步估計(jì)技術(shù)對(duì)已公布專利201110197395.5所得結(jié)果進(jìn)行修正，本發(fā)明方法大幅度提高了估計(jì)精度和魯棒性。
【專利說明】一種基于線性關(guān)系的兩步估計(jì)高精確時(shí)差定位算法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及時(shí)差定位算法，尤其是基于線性關(guān)系的高精確高魯棒性時(shí)差定位算 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 時(shí)差定位屬于雙曲定位范疇，又稱"反羅蘭定位法"。用三個(gè)以上已知相對(duì)距離 的感知器，測量同一輻射源發(fā)出的信號(hào)，根據(jù)信號(hào)到達(dá)各接收點(diǎn)的時(shí)間差，確定發(fā)射源的位 置。時(shí)差定位技術(shù)在機(jī)場進(jìn)近著陸、移動(dòng)車輛及其它輻射目標(biāo)定位、嵌入聲納或雷達(dá)陣列構(gòu) 成定位系統(tǒng)等方面都具有重要應(yīng)用。此外，在軍事上，可以對(duì)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度、實(shí)時(shí)、隱蔽 定位，發(fā)展該技術(shù)可有效提高衛(wèi)星對(duì)地目標(biāo)偵查能力，掌握信息化戰(zhàn)場的主動(dòng)性。
[0003] 時(shí)差定位的基礎(chǔ)是精確獲得接收輻射源信號(hào)的不同傳感器間時(shí)差信號(hào)，可以通過 最大似然估計(jì)、聯(lián)合估計(jì)及相關(guān)估計(jì)等方法求得，也可以通過一些信號(hào)模型實(shí)現(xiàn)。獲得時(shí)差 信號(hào)后，時(shí)差定位算法對(duì)估計(jì)輻射源位置具有關(guān)鍵作用。目前所用時(shí)差定位算法主要有泰 勒級(jí)數(shù)法、分而治之法、球面交叉法、球面插值法，F(xiàn)ang方法，Chan方法以及約束條件下的 全局最小方差定位方法。最近有結(jié)合時(shí)差和頻差進(jìn)行定位的報(bào)道，但時(shí)差定位本身尚需進(jìn) 一步研究。
[0004] 泰勒級(jí)數(shù)法首先對(duì)雙曲定位方程同時(shí)線性化，用泰勒級(jí)數(shù)估計(jì)這些線性代數(shù)方程 的最小均方誤差解。泰勒級(jí)數(shù)法最大的問題是其收斂性沒有保障，所求解是否是輻射源位 置與初始估計(jì)密切相關(guān)。相關(guān)估計(jì)方法的實(shí)質(zhì)在于尋找相關(guān)函數(shù)的"尖峰"。而當(dāng)SNR達(dá)不 到要求時(shí)，特別是處理窄帶信號(hào)時(shí)，相關(guān)峰"寬胖"不明顯，在其周圍還有若干干擾峰存在， 導(dǎo)致所謂的"模糊"現(xiàn)象，影響估計(jì)的準(zhǔn)確性及其方差性能。當(dāng)時(shí)差值分組合理時(shí)，分而治 之法是無偏的。否則該方法產(chǎn)生的均方誤差超過Cramer-Rao下界。因此，如何恰當(dāng)?shù)亟o時(shí) 差值分組是十分關(guān)鍵的。球面交叉法利用交叉球面確定輻射源位置，其利用的代數(shù)關(guān)系為 輻射源距離的二次式?；诮⒃谳椛湓淳嚯x和輻射源深度基礎(chǔ)上的誤差方程組，球面插 值法把距離差轉(zhuǎn)化為位置估計(jì)。在最大似然意義下，F(xiàn)ang方法是最優(yōu)的。但是這種方法只 適合二維定位。通過把三維定位問題分解為多個(gè)二維定位問題，F(xiàn)ang方法也可用于三維定 位。Y. T. Chan和K. C. Ho在1994年提出的Chan方法，對(duì)于固定輻射源給出了近似最大 似然估計(jì)的閉式解，已成為公認(rèn)的解決雙曲線定位的最好方法之一，并得到了廣泛的應(yīng)用。 盡管給出的方法在理論上可以趨于精確值，但是在運(yùn)算過程中需要對(duì)大地坐標(biāo)系與空間坐 標(biāo)系的進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并且迭代的數(shù)值需要近似，這些都會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定的誤差和模糊。
[0005] 除上述問題以外，所有以上方法都還具有一共同缺陷：即使時(shí)差值足夠，輻射源位 置也不能唯一求出。球面交叉法和Fang方法求解一個(gè)二次式，一般都產(chǎn)生兩個(gè)解。簡單認(rèn) 為其中一解在合理范圍，而摒棄另外一解。這在一些極端情況下并不適用。球面插值法運(yùn) 行一次得到輻射源距離和輻射源深度信息，但其必須運(yùn)行兩次，所以也會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)解。Chan 方法利用的幾何關(guān)系是輻射源位置向量的二次式，即使在二維空間中使用四個(gè)甚至更多的 感知器，仍然會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)解，甚至?xí)a(chǎn)生復(fù)數(shù)解。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，這些已有方法都必須 結(jié)合一定先驗(yàn)知識(shí)，判定各所求解的合理性。
[0006] 2012年發(fā)明人劉怡光等在已公布專利201110197395. 5 (-種基于線性關(guān)系的高 精確時(shí)差定位算法）中提出了一種新型求解輻射源位置的線性方法

【權(quán)利要求】
1. 基于線性關(guān)系的兩步估計(jì)高精確時(shí)差定位算法，該方法首先利用已公布專利 201110197395. 5中的方法完成輻射源位置的初步估計(jì)；在關(guān)鍵的第二步估計(jì)中，基于第一 步估計(jì)得到的輻射源位置得到另一線性方程組，該方程組以輻射源位置修正量為變量；基 于最小均方原則，第二步估計(jì)得到輻射源位置修正量；綜合兩步估計(jì)結(jié)果，得到輻射源位置 最終估計(jì)值；由于兩步估計(jì)中皆用線性關(guān)系，所得解唯一；通過第二步估計(jì)技術(shù)對(duì)已公布 專利201110197395. 5所得結(jié)果進(jìn)行修正，本發(fā)明方法大幅度提高了估計(jì)精度和魯棒性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線性關(guān)系的兩步估計(jì)高精確時(shí)差定位算法，其特征在于 它的步驟如下： 步驟一：利用已公布專利201110197395. 5中的方法完成輻射源位置的初步估計(jì)； 步驟二：基于第一步估計(jì)得到的輻射源位置得到另一線性方程組，該方程組以輻射源 位置修正量為變量； 步驟三：基于最小均方原則，第二步估計(jì)得到輻射源位置修正量； 步驟四：綜合兩步估計(jì)結(jié)果，得到輻射源位置最終估計(jì)值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于線性關(guān)系的兩步估計(jì)高精確時(shí)差定位算法，其特征在于 步驟一：基于我們申請(qǐng)并已公布的專利201110197395. 5,構(gòu)建線性方程組，以輻射源位置 向量為變量，各接收傳感器的位置向量和時(shí)差為系數(shù)或偏移向量；在定位傳感器足夠時(shí)，用 最小均方誤差法從線性定位方程組初步估計(jì)輻射源位置 r = (ArAy1ArB (1) 矩陣J中第i行定義為,矩陣f中第i行定義為 之=+ IWw-! + w
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于線性關(guān)系的兩步估計(jì)高精確時(shí)差定位算法，其特征在于 步驟二：基于（1)式的估計(jì)所得r，可得到信號(hào)從r傳播到弋的時(shí)間||r -乃I/r與實(shí)際量 測所得時(shí)間?,之差為 Sti = - ||r - Ti I / c (2) 假設(shè)r修正為^ 時(shí)滿足 ||r + fir - JriI = Cti (3) 則由⑵和（3)得到 ||r + fir - r,.|| - |r - ^.|] = CSti (4) 進(jìn)一步本發(fā)明得到以輻射源位置修正量為變量的另一組線性方程組為 Κδτ = L (5) 其中矩陣JT的第i行定義為2(^.+1 - ，矩陣i；的第i行定義為 2ψ?】.|η. - r| - 5ii+1|ri+1 - _r||]+ (CvJij.)2 - (c5ii+J。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于線性關(guān)系的兩步估計(jì)高精確時(shí)差定位算法，其特征在 于步驟三：基于最小均方原則，第二步估計(jì)得到輻射源位置修正量 &' = If1Kj1KjL (6) 〇
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于線性關(guān)系的兩步估計(jì)高精確時(shí)差定位算法，其特征在于 步驟四：綜合兩步估計(jì)結(jié)果，得到輻射源位置最終估計(jì)值 Trjt = r + Sr (7) 以上基于最小均方原則求解線性關(guān)系的兩步估計(jì)高精確時(shí)差定位算法，僅為本發(fā)明的 基于線性關(guān)系的兩步估計(jì)高精確時(shí)差定位算法的較佳實(shí)例之一，并非用于限定本發(fā)明的實(shí) 質(zhì)技術(shù)內(nèi)容范圍，實(shí)質(zhì)內(nèi)容已廣泛地定義于權(quán)利要求書中，任何他人所完成的技術(shù)實(shí)體和 方法，若是與權(quán)利要求書中所定義者完全相同，或同一等效變更(如采用其它等效方法推導(dǎo) 出的線性關(guān)系)，均將被視為涵蓋于此專利保護(hù)范圍之內(nèi)。
【文檔編號(hào)】G01S5/00GK104375118SQ201410636004
【公開日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月13日
【發(fā)明者】劉怡光, 曹麗萍 申請(qǐng)人:四川大學(xué)