張正明 陳永海

摘 要：該文針對(duì)移動(dòng)通信被動(dòng)定位的定位精度問(wèn)題，采用了多參數(shù)融合定位和對(duì)多個(gè)定位值的加權(quán)融合定位方法，分析和仿真表明該方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：無(wú)源定位 被動(dòng)定位 數(shù)據(jù)融合 移動(dòng)通信

中圖分類(lèi)號(hào)：TN92，TN96 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（a）-00-02

對(duì)移動(dòng)通信設(shè)備的定位是移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要任務(wù)之一，為了提高定位精度，需要綜合利用多種定位技術(shù)，數(shù)據(jù)融合定位實(shí)際上是利用多個(gè)不同參數(shù)測(cè)量或相同參數(shù)測(cè)量的定位信息對(duì)目標(biāo)的綜合定位方法。

不同于主動(dòng)定位系統(tǒng)，被動(dòng)定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)有其自身特點(diǎn)，主要是通過(guò)被動(dòng)測(cè)量移動(dòng)設(shè)備的輻射信號(hào)參數(shù)來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，這些參數(shù)主要包括目標(biāo)信號(hào)的到達(dá)角（AOA）、到達(dá)時(shí)間差（DTOA）和多普勒頻率（FD）等。在通信定位中，主要應(yīng)用的是基于AOA的交叉定位方式和基于DTOA的雙曲線定位

方式[1，2，5]。

在被動(dòng)定位系統(tǒng)中，觀測(cè)信息包括輻射源信號(hào)參數(shù)和位置數(shù)據(jù)兩種，前者提供目標(biāo)的信號(hào)屬性，而后者提供定位信息，數(shù)據(jù)融合定位就是充分利用這些信息，提高的信息空間的維數(shù)，有利于提升系統(tǒng)的分辨特性，有利于提高被動(dòng)定位系統(tǒng)的定位

精度[3]。

1 多參數(shù)融合定位

數(shù)據(jù)融合定位可以分為多個(gè)層次，一種最直接的方法是在信號(hào)參數(shù)部分進(jìn)行融合定位，有時(shí)也稱為多參數(shù)定位，這種方法所需處理的數(shù)據(jù)信息量大，并且需要多參數(shù)的定位算法。

對(duì)于平面目標(biāo)來(lái)說(shuō)，AOA測(cè)量確定一條方向線，TDOA測(cè)量確定一條雙曲線，這兩條曲線相交于一點(diǎn)，就是目標(biāo)的位置。在直角坐標(biāo)系中，設(shè)主基站的坐標(biāo)為（0，0），測(cè)向角為β，輔助基站的坐標(biāo)為（b，0），到達(dá)時(shí)間測(cè)量值分別為t1，t2，則到達(dá)時(shí)間差為τ=t1-t2，目標(biāo)的坐標(biāo)為E（rx，ry）。

圖1 AOA-DTOA融合定位位置圖

根據(jù)時(shí)差關(guān)系可以得到

（1）

可以解得目標(biāo)的坐標(biāo)為

（2）

當(dāng)考慮基站的方位角測(cè)量噪聲和時(shí)間差測(cè)量噪聲時(shí)，且假設(shè)時(shí)間差和方位角測(cè)量噪聲均值為零，相互之間獨(dú)立。則定位精度的幾何稀釋?zhuān)℅DOP）為

（3）

（4）

其中，

它表示輔助基站到目標(biāo)所在方向的距離與R2和R2在該方向投影之差的比值的平方。在基線中垂線上時(shí)，m=tg2β，距離越遠(yuǎn)，m值越大。

圓概率誤差（CEP）為

（5）

由上面的分析可知，使用AOA和DTOA進(jìn)行聯(lián)合定位時(shí)，在整個(gè)定位空間中，相對(duì)于基站的不同位置，其定位的CEP相差是很大的，在某些位置上很小，在有些位置上很大，甚至說(shuō)非常大，影響定位的可信度。

2 定位結(jié)果的融合定位

在對(duì)移動(dòng)通信設(shè)備的被動(dòng)定位系統(tǒng)中，可以利用單參數(shù)或多參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位，但是其定位精度受空間位置的影響很大，因此必須采用更多的基站信息，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。我們可以通過(guò)對(duì)各種定位精度的先驗(yàn)信息選擇合適的算法，來(lái)提高定位的準(zhǔn)確度[4]。

增加定位目標(biāo)信息特征矢量的維數(shù)，能夠達(dá)到更好的定位效果。目標(biāo)位置融合有以下五種方法：狀態(tài)矢量加權(quán)法、簡(jiǎn)單協(xié)方差加權(quán)融合法、復(fù)雜協(xié)方差加權(quán)融合法、選擇法、增強(qiáng)法。因此，被動(dòng)定位系統(tǒng)的位置關(guān)聯(lián)問(wèn)題將立足于信號(hào)參數(shù)和位置的雙波門(mén)的多維信息的綜合處理技術(shù)。

數(shù)據(jù)融合技術(shù)的主要思想，是對(duì)各個(gè)子狀態(tài)空間的重疊部分進(jìn)行融合，對(duì)各個(gè)子狀態(tài)空間的互補(bǔ)部分進(jìn)行集成，構(gòu)造高精度的全觀測(cè)空間。

具體地說(shuō)，在觀測(cè)狀態(tài)空間重疊時(shí)，采用加權(quán)法，根據(jù)每個(gè)系統(tǒng)定位誤差的大小確定權(quán)因子的大?。辉跔顟B(tài)空間互補(bǔ)或者雖然重疊但定位性能差別較大時(shí)，采用選擇法。選擇法是加權(quán)法在傳感器定位性能差別較大時(shí)的近似，在滿足條件的情況下，精度和加權(quán)法相當(dāng)，計(jì)算量卻小很多。

因此，被動(dòng)定位系統(tǒng)的融合算法應(yīng)以加權(quán)法為基礎(chǔ)，主要解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，即：

（1）不同模型的觀測(cè)空間的劃分。

（2）權(quán)因子的選擇。

對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，空間的劃分準(zhǔn)則和定位系統(tǒng)所采用的參數(shù)和定位算法等息息相關(guān)，并且獨(dú)立于其他因素。對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，由于空間位置是決定其觀測(cè)誤差的主要因素，故航跡算法應(yīng)選擇能夠反映被動(dòng)定位系統(tǒng)的空間觀測(cè)特性的參數(shù)作為加權(quán)因子，簡(jiǎn)單有效地完成融合。

對(duì)于測(cè)角定位和測(cè)時(shí)差定位，或者用測(cè)角和測(cè)時(shí)差綜合定位來(lái)說(shuō)，它們的CEP是不同的，在不同的空間位置其區(qū)別是比較大的，這樣用CEP作為衡量觀測(cè)誤差大小的指標(biāo)，分別繪制交叉定位系統(tǒng)、雙曲線定位或其他定位方法的誤差分布圖。我們可以看到，不同參數(shù)定位情況下，不同的基站配置、參數(shù)測(cè)量精度，不同的空間位置，CEP的大小是不一樣的，并且有一定的規(guī)律性。某些區(qū)域CEP較小，某些區(qū)域CEP則較大。因此可以根據(jù)這一特點(diǎn)，對(duì)不同區(qū)域采用不同的加權(quán)值對(duì)定位值做處理，以提高定位精度。

當(dāng)基站位置固定時(shí)，不同測(cè)量空間在空間上每一點(diǎn)的CEP是可以事先求得的，與目標(biāo)特性無(wú)關(guān)。對(duì)于加權(quán)法的權(quán)因子選擇，采用權(quán)因子法。因其計(jì)算簡(jiǎn)單，物理意義明確，經(jīng)過(guò)仿真，能夠驗(yàn)證其有效性。

設(shè)Xi是融合前各種定位的位置矢量，i代表定位系統(tǒng)序號(hào)，X是融合后的位置矢量，則有：

（6）

（7）

當(dāng)CEPi之間相差不大時(shí)，融合定位相當(dāng)于各種定位結(jié)果的算術(shù)平均，當(dāng)CEPi之間相差比較大時(shí)，則最小的CEP所對(duì)應(yīng)的ki最大，所占權(quán)重最大，最大的CEP所對(duì)應(yīng)的ki最小，所占權(quán)重最小。

可以用等效等高CEP線來(lái)表示不同定位方法所得到的定位CEP。對(duì)于不同基站，不同定位方法，使用CEP加權(quán)融合算法，就意味著空間上一點(diǎn)對(duì)應(yīng)于各種定位的多個(gè)CEP值，被加權(quán)求和，最后得到的值稱為等效CEP，能夠表征CEP加權(quán)融合算法之后全空間的誤差分布。通過(guò)繪制等效等高CEP曲線圖，就可以直觀有效地分析經(jīng)過(guò)加權(quán)算法后的空間誤差分布。它和各個(gè)單站的原CEP等高線圖相比較，可以輔助分析加權(quán)法的改善程度，進(jìn)而分析適合使用加權(quán)法的區(qū)域。

3 結(jié)語(yǔ)

該文采用了多參數(shù)融合定位和對(duì)定位結(jié)果的加權(quán)融合定位方法，分析和仿真表明該方法的可行性和有效性。

參考文獻(xiàn)

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