一种新的基于TDOA与GROA的无源定位算法

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1、航空学报ActaAeronauticaefAstronauticaSinicaSep．252015V01．36No．93034—3040ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaaedu．crlhkxb@buaa．edu．ca一种新的基于TDOA与GROA的无源定位算法杜彦伸*，魏平，张花国电子科技大学电子工程学院，成都611731摘要：针对基于到达时间差(TDOA)与到达增益比(GROA)的辐射源无源定位问题，提出了一种新的定位算法。首先通过引入一个中间变量，根据TDOA和GROA测量模型，构造一个约束加权最小二乘(CWLS)估计。

2、由于这个CWLS问题是非凸的优化问题，现有的方法不能很好地求解。为此，提出了一种有效的方法可以求解到其全局最优解。最后，所提算法被推广到观测站存在自定位误差时的定位求解。计算机仿真结果验证了所提算法能够获得优于传统两步加权最小二乘法(2WLS)的定位性能，能够在更大的噪声条件下达到克拉美罗下界(CRLB)。关键词：无源定位；到达时间差；到达增益比；约束加权最小二乘；自定位误差中图分类号：V556；TN971文献标识码：A文章编号：i000—6893(2015)09—3034—07近年来，无源定位技术作为信号处理领域的重要研究内容，已经在无线通信、导航、空管和雷达等军民用

3、领域得到了广泛的研究与应用口‘4]。在典型的无源定位系统中，多个观测站分布在空间中的不同位置，接收目标发射或者反射的信号。由于相对位置的不同，不同的观测站接收到信号的参数不尽相同。这些参数包括到达时间口。6]、到达时间差(TDOA)[7-9]、到达频率差[1“11]、接收信号强度(RSS)[12。41以及到达角度口5‘161等。定位系统先测量出这些参数，然后就可以利用其估计出信号源的位置。基于TDOA和基于RSS的定位技术作为普遍使用的定位技术，得到了许多深入的研究。但是，许多现存的文献集中在单独使用TDOA或者RSS来进行定位。实际上，这2种测量信息可以综合在一起进而

4、提供精度更高的定位结果。在文献[17]中，Ho和Sun提出联合使用到达增益比(GROA)与TDOA来对目标进行定位。这里的GROA被定义为RSS之比。其证明了增加GROA信息可以提高定位精度，且提高的幅度随着信号的速度与带宽之比(c／B)的增大而增大。但是由于具有高度非线性的关系，将GROA和TDOA测量值精确转换为目标位置估计不是一项容易的工作。一种直接的方法是根据测量方程构建极大似然估计(MLE)，然后通过一些局部搜索的算法在给定的初始值附近搜索。但由于MLE的非凸性质，其对初始值的精确度要求甚高，否则可能收敛到局部最小甚至发散。为了解决这个问题，文献[17]提出了

5、一种闭式的代数求解方法：两步加权最小二乘法(2WLS)。该方法的第1步通过引入额外的中间变量将非线性的测量方程转化为线性方程，从而得到一个WLS估计；第2步利用中间变量与目标位置的关系来构建第2个WLS估计进而提高定位精度。在信噪比比较高的情况下，2WLS法能够达到克拉美罗下界(CRLB)的定位精度，但是在信噪比比较低收稿日期：2014-09—11；退修日期：2014—12—17；录用日期：2015-01．13；网络出版时间：2015-01—1916：15网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929V201501191616002htmI基金

6、项目：国家自然科学基金(61201282)*通讯作者Tel：028·61831099E-mail：duyanshen@hotmailcorn引用摇武；DuYS。WeiP．ZhangHG．AnovelsolutionforpassivesourcelocalizationalgorithmusingTDOAandGROAmeasurements!JjActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2015，36(9)：3034—3040．桂彦馋，魏平．张花旨．一截耨的基于TDOA与GROA的无源定位算法!Jj航空学报．2015．36(9)：3034

7、．3040杜彦伸等：一种新的基于TDOA与GROA的无源定位算法的情况下效果欠佳。文献[18]将该方法推广到了观测站存在自定位误差的定位情况。为了克服现有方法存在的问题，本文提出一种新的定位求解算法。首先，通过引入～个中间变量，根据TDOA和GROA测量模型，构造一个约束加权最小二乘(CWLS)估计。虽然该CWLS估计是一个非凸的优化问题，但是可以借用文献[19]的思想来求解到其全局最优解，从而使高估计精度得到保证。之后将所提算法推广到观测站具有自定位误差的定位情况。最后，通过计算机仿真实验证明了所提算法相比现有算法的估计精度有所提高。由