一种基于观测站数目最小化的TDOA/FDOA无源定位算法

在三维（3D）运动目标无源定位系统中，无模糊定位最少需要4个观测站。而传统的两步加权最小二乘（TSWLS）及其改进的闭式算法至少需要5个观测站进行求解，当减少一个观测站时，这些闭式算法往往无法提供可靠解。针对这一问题，提出一种最小化观测站数目的到达时间差（TDOA）与到达频率差（FDOA）定位算法。该算法是一种闭式解法并且能够在三维场景下仅使用4个观测站进行定位。该算法分为两步：第1步分离传统的TSWLS算法中未知参数空间，建立了一组新的等式，并且利用加权最小二乘（WLS）算法得到目标位置与速度的初始值；第2步利用泰勒级数展开算法将中间变量线性化，对目标位置和速度初始值进一步校正。理论分析证明了在适当的噪声水平下该算法能够达到克拉美罗界（CRLB）。此外，计算机仿真表明仅使用4个观测站时，该算法对于近场以及远场目标参数的估计精度在测量噪声较小时可以实现CRLB；并且还表明使用5个观测站估计时，该算法比TSWLS及其改进算法能更好地适应大的测量噪声。     

传感器参数误差下的运动目标TDOA/FDOA无源定位算法

在运动目标无源定位系统中，许多算法的前提是精确已知传感器的位置以及速度，但实际情况下可利用的传感器的参数均会存在一些噪声扰动。针对这一问题，提出一种改进的两步加权最小二乘（TSWLS）时差（TDOA）与频差（FDOA）定位算法。该算法是一种闭式算法并且分为2步。第1步与经典的两步加权最小二乘算法相同，第2步进一步研究了额外变量与目标参数之间的关系并且建立了新的矩阵方程。随后，利用加权最小二乘技术给出了最终解。理论分析证明了在测量噪声较小时该算法能够达到克拉美罗界（CRLB）。所提算法具有计算复杂度低，实时性高的优点；另外，经过适当的维度调整，该算法同样适用于对多非相交源进行定位求解。计算机仿真进一步证明了理论分析的正确性。     

一种考虑传感器位置误差的改进源定位算法

在无线传感器网络的定位问题中,通过移动目标与传感器之间的到达时差(TDOA)与到达频差(FDOA)测量量可以估计目标的位置和速度。但是,当传感器自身信息存在误差时,传统的定位方法将失去精确的定位效果。针对带有传感器误差的源定位问题,基于极大似然(ML)法获取一个封闭的近似解。提出了一种改进的近似极大似然(AML)算法,更新带有传感器误差的代价函数,不仅能实现实时定位,而且保证全局收敛。仿真结果表明,本文算法在存在传感器误差场景下依然可以达到克拉美-罗下限(CRLB),比已有的改进两步加权最小二乘(2-step WLS)法更有效。     

双机协同无源定位算法

相较于有源定位,只能利用到达角(Angle of Arrival,AOA)的双机协同无源定位对目标的观测维度很低,这会导致对目标的定位精度低或迭代收敛速度慢等问题发生。对此,利用有限的测量值研究更优秀的算法以提高定位精度具有实际意义。首先,介绍了普通最小二乘法、加权最小二乘法、总体最小二乘法 3种基于最小二乘算法的定位算法;然后,介绍了高斯-牛顿迭代法(Gauss-Newton iteration method,GNIM)和加权工具变量伪线性估计法 (Weighted Instrumental Variable Pseudolinear Estimation Method,WIVPLE)2种基于最大似然估计的定位算法;最后,使用蒙特卡洛法在不同误差条件和几何构型下对这些算法的定位精度进行仿真实验。     

一种新的基于TDOA与GROA的无源定位算法

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。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)。     

传感器位置误差条件下的约束总体最小二乘时差定位算法

 现代定位系统中,传感器往往被安放在运动平台上,其位置无法精确得知,存在估计误差,将严重影响对目标的定位精度。针对这一问题,提出基于约束总体最小二乘(CTLS)的到达时差(TDOA)定位算法。首先通过引入中间变量,将非线性TDOA定位方程转化为伪线性方程,再利用CTLS技术,全面考虑伪线性方程所有系数中的噪声。在此基础上推导了定位方程的目标函数,再根据牛顿迭代方法,进行数值迭代,快速得到精确解。采用一阶小噪声扰动分析方法,对该算法的理论性能进行了分析,证明了算法的无偏性和逼近克拉美-罗下限(CRLB)。仿真实验表明,该算法克服了现有总体最小二乘(TLS)算法不能达到CRLB、两步加权最小二乘(two-step WLS)算法在较高噪声时性能发散的缺陷,在较高噪声时定位精度仍然能达到CRLB。     

基于CDMA蜂窝网的飞行器三维定位算法

针对中低空飞行器提出了一种将码分多址(CDMA)蜂窝网导频信号被动定位与惯性导航系统进行组合的导航定位方法。该定位方法是根据CDMA蜂窝网导频信号的到达时差（TDOA）进行两次加权最小二乘解算,并利用飞行器惯性组合的原始信息进行解模糊,从而实现中低空飞行器的三维实时定位。蒙特卡罗仿真证明：在高斯白噪声条件下,该算法运算速度快,精度高,其均方误差逼近克拉美罗下界（CRLB）,为组合导航实时性要求提供了理论参考。     

基于定位误差修正的运动目标TDOA/FDOA无源定位方法

针对时差(TDOA)、频差(FDOA)无源定位的两步加权最小二乘(TSWLS)方法定位均方根误差(RMSE)和定位偏差适应测量噪声能力差的问题,在分析了影响两步法定位性能的因素基础上提出一种基于一阶泰勒级数展开的定位误差修正方法。该方法的第1步和两步法相同;其第2步避免了两步法第2步中引入估计偏差的平方运算,利用一阶泰勒级数展开得到第1步定位误差的线性最小均方估计,修正第1步定位结果得到目标位置和速度的最终估计,从理论上证明了该方法可以达到定位的克拉美罗下限(CRLB)。计算机仿真对比了新方法和TSWLS方法、基于泰勒级数(TS)展开的迭代极大似然(ML)方法以及约束总体最小二乘(CTLS)方法的定位性能,新算法复杂度和两步法相当,且均方误差和定位偏差低于两步法、泰勒级数法和CTLS方法。     

基于变权重最小二乘法的发动机气路故障诊断

针对航空发动机气路部件故障诊断中存在的严重故障诊断问题,提出基于变权重最小二乘法进行发动机故障诊断.该方法在发动机仿真实验的基础上采用加权最小二乘法进行故障诊断,并对算法进行了改进,根据初期诊断结果对故障权重系数矩阵进行修正,使诊断结果更加合理可信.仿真表明,基于变权重最小二乘法的发动机气路故障诊断能快捷有效地诊断气路部件严重故障.      

适用于混合网格的约束最小二乘重构方法

为强化边界条件对计算流体力学(CFD)计算中流场重构过程的影响,基于三维任意多面体混合网格,对一种约束最小二乘法进行了研究。通过对不同边界类型的透明化处理,统一了约束方程组的形式,从而简化了该方法的应用。为了充分吸收消去法和加权法各自求解约束方程组的优点,提出了混合采用两种方法的思路。针对层流平板研究了加权法中加权系数如何取值问题,数值实验表明加权系数取到5基本已经足够大。最后通过亚声速层流平板和跨声速湍流ONERA-M6算例对比了混合法、加权法与原始最小二乘法,计算结果表明:约束最小二乘法相比原始最小二乘法的流场重构更加准确,特别是对边界质量较差网格的计算优势更为突出;混合消去加权法相比单独采用加权法的计算结果也有所改善。     

Closed form algorithm of double-satellite TDOA+AOA localization based on WGS-84 model

In this paper, we consider the double-satellite localization under the earth ellipsoid model of the Wideband Geodetic System(WGS-84) using the Time Difference of Arrival(TDOA)and the Angle-of-Arrival(AOA).Several closed-form solution algorithms via the pseudolinearization of the measurement equations are presented to efficiently estimate the location.These algorithms include the Weighted Least Squares(WLS), the Constrained Total Least Squares(CTLS), and the Taylor-Series Iteration(TSI).Performance comparison of the proposed methods with the Cramér-Rao Lower Bound(CRLB) in the simulation is shown to demonstrate that the proposed algorithms are feasible and have stable performance.     

A direct position determination method with combined TDOA and FDOA based on particle filter

The localization of a stationary transmitter using moving receivers is considered. The original Direct Position Determination (DPD) methods, with combined Time Difference of Arrival (TDOA) and Frequency Difference of Arrival (FDOA), do not perform well under low Signal-to-Noise Ratio (SNR), and worse still, the computation cost is difficult to accept when the computational capabilities are limited. To get better positioning performance, we present a new DPD algorithm that proves to be more computationally efficient and more precise for weak signals than the conventional approach. The algorithm partitions the signal received with the same receiver into multiple non-overlapping short-time signal segments, and then uses the TDOA, the FDOA and the coherency among the short-time signals to locate the target. The fast maximum likelihood estimation, one iterative method based on particle filter, is designed to solve the problem of high computation load. A secondary but important result is a derivation of closed-form expressions of the Cramer-Rao Lower Bound (CRLB). The simulation results show that the algorithm proposed in this paper outperforms the traditional DPD algorithms with more accurate results and higher computational efficiency, and especially at low SNR, it is more close to the CRLB.     

Joint TDOA,FDOA and differential Doppler rate estimation: Method and its performance analysis

Considering the estimation accuracy reduction of Frequency Difference of Arrival(FDOA) caused by relative Doppler companding, a joint Time Difference of Arrival(TDOA),FDOA and differential Doppler rate estimation method is proposed and its Cramer-Rao low bound is derived in this paper.Firstly, second-order ambiguity function is utilized to reduce the dimensionality and estimate initial TDOA and differential Doppler rate.Secondly, the TDOA estimation is updated and FDOA is obtained using cross ambiguity function, in which relative Doppler companding is compensated by the existing differential Doppler rate.Thirdly, differential Doppler rate estimation is updated using cross estimator.Theoretical analysis on estimation variance and Cramer-Rao low bound shows that the final estimation of TDOA, FDOA and differential Doppler rate performs well at both low and high signal–noise ratio, although the initial estimation accuracy of TDOA and differential Doppler rate is relatively poor under low signal–noise ratio conditions.Simulation results finally verify the theoretical analysis and show that the proposed method can overcome relative Doppler companding problem and performs well for all TDOA, FDOA and differential Doppler rate estimation.     

基于频率补偿的时延估计方法

无源时差定位中,当目标处于运动状态时,多普勒频率的存在将导致时延差估计精度变差。自相关法和互相关法相结合的多普勒频差估计方法可以获得可靠性较高、估计精度较好的频差估计结果。对该结果进行频差补偿后,采用基于相位谱的时延估计方法获得两信号间的时延差。经过仿真验证,这种基于频差补偿的时延估计方法可以有效降低多普勒频差对时延差估计精度的影响。     

双基地及其联网系统的定位方法及精度分析

讨论的双基地系统中,发射站只起照射目标的作用,而接收站测量距离和、方位角及俯仰角。分析了双基地系统的目标定位方法和定位误差。通过分析定位精度在受控区域内的分布,提示了双基地系统的定位性能。文中对组网双基地系统的定位处理方法进行了讨论,其中采用WLS(Weighted Least Square)算法进行数据融合处理,仿真结果表明,联网双基地系统的定位精度大有提高。     

Accurate single-observer passive coherent location estimation based on TDOA and DOA

This paper investigates the problem of target position estimation with a single-observer passive coherent location(PCL) system. An approach that combines angle with time difference of arrival(ATDOA) is used to estimate the location of a target. Compared with the TDOA-only method which needs two steps, the proposed method estimates the target position more directly. The constrained total least squares(CTLS) technique is applied in this approach. It achieves the Cramer–Rao lower bound(CRLB) when the parameter measurements are subject to small Gaussian-distributed errors. Performance analysis and the CRLB of this approach are also studied. Theory verifies that the ATDOA method gets a lower CRLB than the TDOA-only method with the same TDOA measuring error. It can also be seen that the position of the target affects estimating precision.At the same time, the locations of transmitters affect the precision and its gradient direction.Compared with the TDOA, the ATDOA method can obtain more precise target position estimation.Furthermore, the proposed method accomplishes target position estimation with a single transmitter,while the TDOA-only method needs at least four transmitters to get the target position. Furthermore,the transmitters' position errors also affect precision of estimation regularly.     

回溯降维相干分布式非圆信号DOA快速估计

在相干分布式非圆(CDNC)信号波达方向(DOA)估计中,针对阵列输出矩阵扩展后维数增加带来的较大运算量问题,基于降维的多级维纳滤波(MSWF)技术,引入回溯优化思想,提出了一种快速估计算法。该算法首先利用信号非圆特性扩展阵列输出矩阵,然后通过MSWF递推分解快速求出信号子空间,避免了计算阵列协方差矩阵及特征分解,并且在递推过程中引入回溯优化机制提高了各级匹配滤波器的估计性能,最后由最小二乘(LS)或者总体最小二乘(TLS)得到DOA估计。仿真分析表明,所提算法与相干分布式非圆信号旋转不变子空间算法(CDNC-ESPRIT)性能相当,但复杂度得到了大幅度降低,相比于基于MSWF的非圆信号快速子空间(NC-MSWF-FS)算法,在较小的复杂度代价下大幅度提升了低信噪比时的估计性能,并且对初始参考信号的选取具有了较强的鲁棒性。