運動目標(biāo)多參數(shù)定位算法研究.pdf

1、在過去的幾十年中，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。在常見的定位系統(tǒng)中，目標(biāo)的運動狀態(tài)決定了接收信號的多個參數(shù)，如何利用這些參數(shù)來實現(xiàn)目標(biāo)定位是研究中的重點。特別是對于運動目標(biāo)或者運動觀測站條件下的定位問題，如何利用高度非線性的多普勒頻率和目標(biāo)運動狀態(tài)之間的關(guān)系來實現(xiàn)目標(biāo)定位是當(dāng)前研究中的一個難點。本文針對多種場景下的定位問題進(jìn)行了深入的研究

2、，主要內(nèi)容和貢獻(xiàn)包括：
　　1.對基于到達(dá)時間差（TDOA）和到達(dá)頻率差（FDOA）聯(lián)合的被動定位問題進(jìn)行了研究。從信號的實際接收過程出發(fā)，建立了包含時頻差和相位差的多站接收信號模型。在此信號模型下提出了一種不進(jìn)行時頻差估計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，并分析了對應(yīng)的克拉美羅下界（CRLB）。理論分析和仿真實驗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.對基于時延和多普勒頻率的

3、運動目標(biāo)主動定位問題進(jìn)行了研究，主要對其中的分布式MIMO雷達(dá)定位進(jìn)行了研究。提出了一種利用時延和多普勒頻率估計進(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延和多普勒頻率信息，能夠同時估計目標(biāo)的位置和速度，并且具有顯式的求解過程，因此計算簡單，而且不需要初始值。在時延和多普勒頻率測量誤差較小的條件下，所提算法對目標(biāo)位置與速度的估計精度均可達(dá)到CRLB界。
　　3.對基于唯多普勒頻率測量的運動目標(biāo)定位問題進(jìn)

4、行了研究。研究了一種主動定位和一種被動定位中的唯多普勒頻率觀測模型，并將這兩種觀測模型進(jìn)行了統(tǒng)一。對于唯多普勒頻率定位求解的問題，現(xiàn)有可行的方法只有網(wǎng)格搜索法或者局部優(yōu)化方法，前者計算量巨大，后者需要良好的初始值并且求解過程可能會發(fā)散。為了解決這個問題，本文提出了使用凸優(yōu)化方法來進(jìn)行定位求解：在觀測站靜止和運動的條件下，分別提出了一種直接SDP算法和一種差分SDP算法來近似求解唯多普勒頻率定位ML估計。所提方法能夠同時估計目標(biāo)的位置和速

5、度，并且沒有初始值選擇和求解過程發(fā)散的問題。
　　4.對運動觀測站通過唯多普勒頻率測量定位靜止目標(biāo)的問題進(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)格搜索法或者局部優(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有發(fā)散的問題。然后揭示了對于靜止目標(biāo)的多普勒頻率測量和線陣方向測量之間具有可以相互等效的內(nèi)在聯(lián)系。

6、在二維平面定位問題中，研究了將多普勒頻率測量等效為線陣方向測量的方法，從而利用二維平面中的交叉定位方法進(jìn)行定位求解。在三維空間定位問題中，研究了將多普勒頻率測量和線陣方向測量相結(jié)合從而實現(xiàn)俯仰角和方位角測量的方法。最后，對于三維空間中每個觀測站僅通過一個線陣測向?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行定位的問題，傳統(tǒng)測向定位算法無法有效求解。針對這一難點，本文提出了將線陣方向測量等效為多普勒頻率測量從而通過所提多普勒頻率定位算法進(jìn)行定位求解的方法。仿真實驗驗證了所提

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