基于最大似然估计的TDOA∕FDOA无源定位偏差补偿算法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMar．252015V01．36No．3979．986ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．cnDOI：10．7527／S1000—6893．2014．0317基于最大似然估计的TDOA／FDoA无源定位偏差补偿算法周成，黄高明*，单鸿昌，高俊海军工程大学电子工程学院，武汉430033摘要：在到达时差／到达频差(TDOA／FDOA)无源定

2、位系统中，定位问题的非线性使得定位的结果存在偏差，特别是在噪声较大或者接收站布站不合理的情况下，定位的偏差尤其显著。针对这一问题，提出了一种基于最大似然估计的偏差补偿算法。该方法分为3步：首先，利用最大似然估计器对目标的位置和速度进行求解；其次，通过利用目标定位的估计值和含噪的测量值，对目标的位置和速度偏差值进行理论分析和推导；最后，将最大似然估计解减去理论偏差值，得到经过偏差补偿的新的目标定位解。理论分析和实验仿真证明，在一定噪声的情况下，所推导的目标位置和速度的理论偏差值与实际偏差值相符，并

3、且经过偏差补偿后的定位算法，在保持目标定位的均方根误差(RMSE)与原最大似然算法一致的情况下，Ifl标的位置和速度偏差值远远小于原最大似然算法的偏差值，目标定位精度得到了有效的提高。关键词：无源定位；偏差补偿；最大似然估计；到达时差；到达频差中图分类号：V247；TN97文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)03—0979—08无源定位技术是接收站本身不发射信号，而是通过被动接收目标发射或者反射的信号完成定位的一种技术，它被广泛应用于传感器网络[1。2]、无线通信‘3。“、麦克

4、风阵列睁63和声纳‘7刮等领域。无源定位技术按照测量参数的不同，可以分为到达角度(AngleofArrival，AOA)、到达时间(TimeofArrival，TOA)、到达时差(TimeDifferencesofArrival，TDOA)、到达频差(Fre—quencyDifferencesofArrival，FDOA)、接收信号强度(ReceivedSignalStrength，RSS)以及上述参数相互组合的无源定位技术体制[9]。其中，随着信息网络支撑条件的不断完善，TDOA／FDOA联合

5、无源定位技术得到了迅速发展，通过估计目标到多个接收站之间的TDOA和FDOA，多站协同得到目标的位置和速度，与其他定位体制相比，具有全面、实时性好和定位精度高的优势，特别适合多站协同对运动目标快速精确定位‘10

6、。在TDOA／FDOA无源定位系统中，由于定位问题的非线性使得定位的结果存在偏差[11

7、。因此，为了衡量一个目标位置和速度估计器的性能需要联合考虑目标位置和速度估计的方差和偏差这2个指标。当噪声较小或者接收站布站合理时，目标位置和速度的估计偏差影响不明显，可以忽略，但是当噪声较大或者接收

8、站布站不合理时，估计偏差的影响将变得极其显著n2

9、。特别地，随着超宽带技术的发展，目前已经可以实现在短时间内对目标的TDOA和FDOA值进行多次的测收稿日期：2014一09．09；退修日期：2014-10．23；录用日期：2014-11-19；网络出版时间：2014-12—0216：35网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／10．7527／S1000·68932014．0317html基金项目：国家自然科学基金(60901069)；国家“863”计划(2013AAXXXX

10、061)*通讯作者Tel．：027—65461241E-mail：hgaom—paper@163．com钟用棒武IZhouc，HuangGM。ShahHC，eta1．BiascompensationalgorithmbasedOnmaximumlikelihoodestimationforpassiveIocaliza—tionusingTDOAandFDOAmeasurements[J]．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2015，36(3)：979-98

11、6．属成，黄高明，单鸿昌。等。基f最大似然估计的TDOA／FDOA无源定位偏差补偿算法￡Jj．航空学报，2015，36(3)：979-986．980航空学报Mar．252015V01．36No．3量，然后通过多次测量数据融合的方法来提高目标定位的精度口引。但是，该方法只能有效降低目标估计的方差值，目标估计的偏差不随测量的次数增加而降低口卜”]。在目标跟踪的应用环境下，通过把各个独立时刻的测量结果有机结合，形成目标的运动轨迹，而定位偏差的存在，会极大地影响目标跟踪的效果[14

12、。因此，如何去除目标