運(yùn)動(dòng)目標(biāo)多參數(shù)定位算法研究.pdf

1、在過(guò)去的幾十年中，由于目標(biāo)定位技術(shù)在雷達(dá)、聲吶、導(dǎo)航、電子偵查、緊急救援、無(wú)線通信等多種軍用和民用領(lǐng)域中具有重要的作用，因此得到了廣泛的研究與應(yīng)用。在常見(jiàn)的定位系統(tǒng)中，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定了接收信號(hào)的多個(gè)參數(shù)，如何利用這些參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位是研究中的重點(diǎn)。特別是對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)或者運(yùn)動(dòng)觀測(cè)站條件下的定位問(wèn)題，如何利用高度非線性的多普勒頻率和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位是當(dāng)前研究中的一個(gè)難點(diǎn)。本文針對(duì)多種場(chǎng)景下的定位問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究

2、，主要內(nèi)容和貢獻(xiàn)包括：
　　1.對(duì)基于到達(dá)時(shí)間差（TDOA）和到達(dá)頻率差（FDOA）聯(lián)合的被動(dòng)定位問(wèn)題進(jìn)行了研究。從信號(hào)的實(shí)際接收過(guò)程出發(fā)，建立了包含時(shí)頻差和相位差的多站接收信號(hào)模型。在此信號(hào)模型下提出了一種不進(jìn)行時(shí)頻差估計(jì)而直接利用所有接收數(shù)據(jù)進(jìn)行定位的極大似然（ML）估計(jì)，并分析了對(duì)應(yīng)的克拉美羅下界（CRLB）。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)證明了所提直接定位方法在定位精度上優(yōu)于現(xiàn)有的兩步定位方法。
　　2.對(duì)基于時(shí)延和多普勒頻率的

3、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)主動(dòng)定位問(wèn)題進(jìn)行了研究，主要對(duì)其中的分布式MIMO雷達(dá)定位進(jìn)行了研究。提出了一種利用時(shí)延和多普勒頻率估計(jì)進(jìn)行定位求解的分組兩步加權(quán)最小二乘（2WLS）算法。該算法綜合利用了時(shí)延和多普勒頻率信息，能夠同時(shí)估計(jì)目標(biāo)的位置和速度，并且具有顯式的求解過(guò)程，因此計(jì)算簡(jiǎn)單，而且不需要初始值。在時(shí)延和多普勒頻率測(cè)量誤差較小的條件下，所提算法對(duì)目標(biāo)位置與速度的估計(jì)精度均可達(dá)到CRLB界。
　　3.對(duì)基于唯多普勒頻率測(cè)量的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位問(wèn)題進(jìn)

4、行了研究。研究了一種主動(dòng)定位和一種被動(dòng)定位中的唯多普勒頻率觀測(cè)模型，并將這兩種觀測(cè)模型進(jìn)行了統(tǒng)一。對(duì)于唯多普勒頻率定位求解的問(wèn)題，現(xiàn)有可行的方法只有網(wǎng)格搜索法或者局部?jī)?yōu)化方法，前者計(jì)算量巨大，后者需要良好的初始值并且求解過(guò)程可能會(huì)發(fā)散。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文提出了使用凸優(yōu)化方法來(lái)進(jìn)行定位求解：在觀測(cè)站靜止和運(yùn)動(dòng)的條件下，分別提出了一種直接SDP算法和一種差分SDP算法來(lái)近似求解唯多普勒頻率定位ML估計(jì)。所提方法能夠同時(shí)估計(jì)目標(biāo)的位置和速

5、度，并且沒(méi)有初始值選擇和求解過(guò)程發(fā)散的問(wèn)題。
　　4.對(duì)運(yùn)動(dòng)觀測(cè)站通過(guò)唯多普勒頻率測(cè)量定位靜止目標(biāo)的問(wèn)題進(jìn)行了研究。由于現(xiàn)有的可行定位求解方法仍然只有網(wǎng)格搜索法或者局部?jī)?yōu)化方法，于是提出了一種2WLS方法、一種間接SDP方法和一種直接SDP方法。其中，2WLS方法具有顯式的求解過(guò)程，SDP方法為凸優(yōu)化方法，三種方法都不需要初始值并且沒(méi)有發(fā)散的問(wèn)題。然后揭示了對(duì)于靜止目標(biāo)的多普勒頻率測(cè)量和線陣方向測(cè)量之間具有可以相互等效的內(nèi)在聯(lián)系。

6、在二維平面定位問(wèn)題中，研究了將多普勒頻率測(cè)量等效為線陣方向測(cè)量的方法，從而利用二維平面中的交叉定位方法進(jìn)行定位求解。在三維空間定位問(wèn)題中，研究了將多普勒頻率測(cè)量和線陣方向測(cè)量相結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)俯仰角和方位角測(cè)量的方法。最后，對(duì)于三維空間中每個(gè)觀測(cè)站僅通過(guò)一個(gè)線陣測(cè)向?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行定位的問(wèn)題，傳統(tǒng)測(cè)向定位算法無(wú)法有效求解。針對(duì)這一難點(diǎn)，本文提出了將線陣方向測(cè)量等效為多普勒頻率測(cè)量從而通過(guò)所提多普勒頻率定位算法進(jìn)行定位求解的方法。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提

7、的參數(shù)轉(zhuǎn)換定位方法具有較好的定位性能。
　　5.對(duì)基于TDOA和到達(dá)幅度比（GROA）聯(lián)合的被動(dòng)定位問(wèn)題進(jìn)行了研究。首先在參數(shù)測(cè)量模型的基礎(chǔ)上構(gòu)造了約束加權(quán)最小二乘（CWLS）估計(jì)，然后分別提出了一種SDP方法對(duì)其進(jìn)行近似求解和一種多項(xiàng)式求根（ROOT）方法對(duì)其進(jìn)行直接求解。由于CWLS問(wèn)題的特殊性質(zhì)，所提SDP方法和ROOT方法在一般條件下都能夠求到CWLS問(wèn)題的最優(yōu)解，因此其定位精度比現(xiàn)有的近似求解CWLS問(wèn)題的2WLS方法更