TDMA系统目标多站定位理论与算法研究

【摘要】：时分多址(TDMA)系统以其组网灵活、支持多业务等特点,在无线通信中占有重要位置。无源定位技术以其隐蔽能力强、作用距离远等特点在现代信息化战争中获得广泛应用。针对单站TOA(到达时间)系统、单站TOA和DOA(到达方向)系统、双站TOA系统以及三站TOA系统,利用TDMA系统特征,本文研究获取TDMA目标位置参数的算法以及提高参数估计精度的途径。 本论文以TDMA系统的运动目标(终端)无源态势信息获取算法为主,在多站无源定位中兼顾TDMA固定目标定位,主要的创新之处如下: 1.实现了TDMA系统特征和目标位置参数估计算法的有机统一。首先,TDMA系统是一个同步系统,任意两个时隙信号的发射时间间隔为时隙持续时间的整数倍,可以认为TDMA时隙信号是准周期信号。TDMA的同步特性是进行单站和多站纯TOA目标运动分析的基础。其次,TDMA系统是一个多目标系统,多目标之间是同步的,运用于多目标同步特性能够提高多目标的定位精度。 2.在单站纯TOA目标运动分析中,提出了适合任何快拍数的以距离和速度为变量的封闭形式距离和速度估计算法,分析了目标相向运动和相背运动对距离和速度估计精度的影响,提出了前向和后向估计算法。为充分利用整个快拍数据的信息,给出了全局最小二乘测距测速算法,做到了距离和速度总体最优估计。 3.在单站TOA和DOA目标运动分析中,运用参数化目标运动分析的方法分析目标位置的可观测性条件,并推导了定位精度的理论算法。该定位算法不需要对非线性观测方程进行任何线性化处理,用三个以上目标位置的测量值实现对TDMA目标的单站定位。 4.在双站纯TOA目标运动分析中,对目标各种位置参数的可观测性进行了分析,给出了三维目标各种距离和速度的估计算法,对估计精度进行了仿真对比分析;提出了二维目标的位置坐标和速度分量的估计算法,在一般意义下能够得到目标位置坐标和速度分量的二值估计,给出以两个接收站的轴线为对称的上下两条目标运动航迹,借助目标活动的区域或方向测量值可以去掉目标的虚假航迹,实现二维目标的定位。 5.在三站纯TOA目标运动分析中,分析了三维目标各种距离和速度的估计算法;提出了二维目标的位置坐标和速度分量的估计算法,只要三个接收站不在一条直线上,能够实现二维目标的位置坐标和速度分量的唯一估计;同时给出了三维目标的位置坐标和速度分量的估计算法,在一般意义下能够得到目标位置坐标和速度分量的二值估计,由于空中飞行目标的高度不可能为负值,去掉目标的虚假位置,可以实现三维目标的定位。 6.对于传统的三站时差定位系统,根据TDMA系统的基站位置坐标已知的情况,由时隙信号的TOA可以推算出目标的距离,提出了两种TDOA和TOA联合定位的算法,可以提高时差定位算法的精度。在TDMA系统多目标情况下,即使不知道基站位置坐标,给出了两种多目标联合时差定位算法,避免了传统时差定位算法中的模糊和无解情况,由于利用所有目标的时差信息对目标进行定位,在多目标情况下提高了目标定位的精度。对于运动TDMA目标,提出了三种在三站时差定位系统中实现目标定位的算法。采用目标运动分析的方法,对TDMA目标位置的可观测性进行分析,实现了目标运动分析时差定位算法。运用目标运动分析测距算法,提出了测距与传统时差定位和目标运动分析时差定位相结合的两种定位算法,充分利用了目标的运动特性,提高了TDMA目标的定位精度。 与现有的纯方位目标运动分析和多站时差定位相比,本文深入研究了单站、双站和三站的纯TOA目标运动分析,提出了距离速度估计闭式解及其性能改进算法;利用TDMA系统的时间同步特征,实现了多种TDMA系统单目标和多目标的时差定位算法,不仅提高了定位精度,还避免了模糊与无解现象。该研究成果对实际TDMA系统目标无源定位具有指导意义,部分算法已在实际的单站和多站定位系统中得到应用。