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基于TDOA和TOA的定位技术研究

赵海霞  
【摘要】:无论是在民用系统还是在军用系统中,对目标的精确定位,都有着非常重要的作用。有源定位、无源定位以及自定位是目前常见的三种目标定位问题。其中,无源定位是在对目标不发射电磁波的条件下,通过测量辐射源诸如通信发射机、雷达等的电磁波,来确定目标的位置信息。其定位方式决定了无源定位具有隐蔽性强、不易被察觉的优点,因而使其成为现代一体化防空系统、远程预警系统以及机载对敌等方面的重要组成部分,在电子对抗领域发挥着与日俱增的关键作用。目前,在对目标的定位问题中,常用的定位参数主要有到达时差(TDOA)、到达时间(TOA)、到达角(AOA)以及它们的混合参数等。一方面,本文分别研究并分析了基于TDOA信息的静止目标和基于TDOA/FDOA信息的运动目标的定位算法。对于静止目标,主要介绍了几种经典的TDOA无源定位算法,并分析了各自的定位性能;对于运动目标,主要研究了几种常用的基于TDOA测量值和FDOA测量值的联合定位算法。另一方面,本文还介绍了一种基于TOA测量值的MDS(multi-dimensional scaling)定位算法,并对该算法进行改进,提出了一种新的利用多个时刻TOA测量值的MDS定位算法,大大提高了定位精度。本文的所有工作主要着眼于下述几个方面:(1)第一章首先简要叙述了几种常见的目标定位问题,尤其是无源定位的研究背景、研究意义及其发展历史和研究现状。随后重点介绍了用于定位的几种主要方法及其数学模型,同时研究了对于各种定位算法的常用的定位精度评价指标。(2)第二章首先介绍了TDOA定位算法的基本原理以及估计TDOA值的主要方法,然后重点介绍了3种典型的TDOA定位算法,包括加权最小二乘(WLS)算法、泰勒级数法以及Chan算法,并分别分析比较了各算法的优缺点及其定位性能。(3)第三章首先介绍了一种近些年提出的多维尺度分析(MDS)算法以及它在TOA定位问题中的应用,随后在此基础上对该算法进行改进,针对多运动基站的TOA定位模型,提出了一种新的利用多个时刻TOA测量值的MDS定位算法,该算法考虑了二阶误差项的影响,在传统MDS算法的基础上利用了多个时刻的基站位置信息和TOA测量信息,进一步提高了定位精度。(4)第四章主要研究了针对运动目标的定位问题,介绍了几种常用的基于TDOA测量值以及FDOA测量值的联合定位算法,包括总体最小二乘(TLS)算法、泰勒级数法以及两步最小二乘算法,并分析比较了它们各自对目标位置和速度的估计性能。


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