一种基于完好性检测的tdoa无源定位方法
【技术领域】
[0001] 发明涉及到一种无源定位方法，特别是一种基于完好性检测技术的TDOA无源定 位方法。
【背景技术】
[0002] 技术TDOA定位具有定位精度高，系统易拓展等特点，被广泛应用于无源定位服务 或无源信号侦查应用中。其工作原理是：是通过测量多个无线电信号到达不同监测传感器 的信号传输时间差，构建距离差的几何交会来实现对发射信号的信号源进行定位。
【发明内容】
[0003] 技术领域描述本发明目的在于提供一种完好性检测的TDOA无源定位方法，实现 了一定置信度条件下的高精度的TDOA定位结果计算。一种基于完好性检测技术的TDOA无 源定位方法的具体步骤：第一步：搭建TDOA无源定位系统，搭建TDOA无源定位系统，包括 ： 相关检测TDOA计算模块；Levenberg-Marqardt正则化定位计算模块；最小二乘残差的完好 性检测模块；基于最大似然的故障识别检测模块。基于相关检测TDOA计算模块的功能是完 成距离差距离测量计算；Levenberg-Marqardt正则化定位计算模块的功能是完成TDOA非 线性方程组的快速迭代收敛，得到方程组的解；基于最小二乘残差的完好性检测模块的功 能是对TDOA的定位结果进行完好性检测，即定位结果在一定的置信度范围内满足定位精 度要求；基于最大似然的故障识别检测模块是在完好性检测的基础上，基于最大似然原理 识别剔除存在故障的传感器输出的TDOA结果。定位结果滤波计算模块是对TDOA系统一段 时间内的连续输出的定位结果进行滤波处理，降低定位结果的随机误差，提高定位精度。第 -步：基于相关检测 iTDOA计算|旲块完成TDOA距尚差的计算，基于相关检测TDOA计算I旲块 将两个传感器A/D采样记录的同一信号的离散信号数据进行相关处理，选择最大相关值对 应时间差作为TDOA时间差，据此得到距离差.第三步：Levenberg-Marqardt正则化定位 计算模块完成TDOA定位结果的初步计Levenberg-Marqardt正则化定位计算模块根据TDOA 的几何关系建立定位方程组，该方程组为多个双曲面方程组成的非线性方程组.由于方 程组包含信号源3维位置坐标，即3个未知数，因此距离差的数据量N > 3。方程组对应的 向量形式为：R = F (X)+E (1)其中：R为NXl距离差向量；E为NXl距离差的噪声向量 如果各个监测传感器位置分布合理，则（1)对应的问题可以利用非线性最小二乘解算， 但是传感器位置分布不太合理，则问题就变成一个非线性的病态方程，方程难以快速收敛， Levenberg-Marqardt正则化方法选择正则化因子，构建正则化方程，确保非线性方程组的 快速收敛到正确结果。其计算过程如下： 1)采取迭代算法，需要计算之前给出信号源的初始位置，这样便于程序快速收敛。 如果第1次TDOA定位，可以用传感器位置坐标的平均值作为信号源的初始位置，如果 不是第1次定位，可以将上一时刻的定位结果作为本次定位解算的初值。初始点选为 ，确定终止控制常数ε，计算
【主权项】
1.一种基于完好性检测的TDOA无源定位方法，其特征在于该方法的具体步骤为： 第一步：搭建TD0A无源定位系统 搭建TD0A无源定位系统，包括：相关检测TD0A计算模块；Levenberg-Marqar化正则化 定位计算模块；最小二乘残差的完好性检测模块；基于最大似然的故障识别检测模块；基 于相关检测TD0A计算模块的功能是完成距离差距离测量计算； Levenberg-Marqar化正则化定位计算模块的功能是完成TD0A非线性方程组的快速迭 代收敛，得到方程组的解； 基于最小二乘残差的完好性检模块的功能是对TD0A的定位结果进行完好性检测，即 定位结果在一定的置信度范围内满足定位精度要求； 基于最大似然的故障识别检测模块是在完好性检测的基础上，基于最大似然原理识别 剔除存在故障的传感器输出的TD0A结果；第二步；基于相关检测TD0A计算模块完成TD0A 距离差的计算 基于相关检测TD0A计算模块将两个传感器A/D采样记录的同一信号的离散信号数据 进行相关处理，选择最大相关值对应时间差作为TD0A时间差，据此得到距离差. 第H步；Levenberg-Marqar化正则化定位计算模块完成TD0A定位结果的初步计算Levenberg-Marqar化正则化定位计算模块根据TD0A的几何关系建 立定位方程组，该方程组为多个双曲面方程组成的非线性方程组.由于 方程组包含信号源3维位置坐标，即3个未知数，因此距离差的数据量 扣>3 ;方程组对应的向量形式为： R=F{X)+E(1) 其中；J为Wxl距离差向量； 里为Wxl距离差的噪声向量 如果各个监测传感器位置分布合理，则（1)对应的问题可W利用非线性最小二乘解算， 但是传感器位置分布不太合理，则问题就变成一个非线性的病态方程，方程难W快速收敛， Levenberg-Marqar化正则化方法选择正则化因子，构建正则化方程，确保非线性方程组的 快速收敛到正确结果；其计算过程如下： 1) 采取迭代算法，需要计算之前给出信号源的初始位置，该样便于程序快速收敛，如果 第1次TD0A定位，可W用传感器位置坐标的平均值作为信号源的初始位置，如果不是第1 次定位，可W将上一时刻的定位结果作为本次定位解算的初值，初始点选为义《，确定终止 控制常数C，计算曲a=|l?-护C义勺II，令!::=0，為>=lCr^ ; 2) 计算义=义*，巧巧对应的雅可比矩阵0 =巧义），构造增量正则化方程 (护谷+叫&1=姑》* ;简写为；胤*二施1 3) 通过求解增量正规方程，得到At，即 公二N^Gm、 (2) 4) 若II*-巧JT* +这*)|<值*令义义*夺在*，若|公|<￡，停止迭代，输出结果； 否则，令lW=义*/W，置|：:=左音1，转到第2)步； 5)I*-巧义* + &叫|>0*，则令义W二10义t，重新解正规方程得到心，返回4) 第四步：基于最小二乘残差的完好性检测模块完成定位结果的完好性检测 距离差残差向量0包含了距离差测量误差的信息，可W用作判断有监测传感器存在 故障的依据，因此根据残差向量?建立统计检测量，统计检测量Tx满足自由度为B-3的/分布，每次定位解算之后将它与统计检测量口限值Tu进行比较，口限1*"根据给 定的虚梅概率计算得到，虚警概率选取0. 01 ;若，则说明传感器距离差测量结果可 信，非线性方程得到的定位结果在给定的概率条件下可信；若，就说明TD0A距离差 误差超过了正常水平，从而认为有传感器距离差测量结果不可信，需要近一步故障识别；第 五步；基于最大似然的故障监测模块完成故障传感器的检测和识别 基于最大似然的故障监测模块在完好性检测基础上，剔除故障传感器给出的测量结 果.根据? =S￡，可W计算 巧=.巧:成 I= 1，2，---,H (3) 其中： S=I-H(hT百何T 巧表示0的第I-个元素，表示矩阵S的第f个对角元，如果第f个传感器对应的最 大，那么根据似然估计理论，认为第i个出现故障的概率最大，由此就可判断出故障传感器。
2.在实际应用中，首先获取所有距离差残差的基础上计算，在检测出匹配定位结果 故障之后，从中剔除故障概率最大的传感器；再用剩下的传感器距离差测量结果进行故障 检测及剔除；反复迭代直到满足条件为止。
【专利摘要】本发明公开了一种基于完好性检测的TDOA无源定位方法，本方法的具体步骤包括：相关检测TDOA计算模块；Levenberg-Marqardt正则化定位计算模块；最小二乘残差的完好性检测模块；基于最大似然的故障识别检测模块等四个功能模块。通过相关检测TDOA计算模块得到距离差的测量结果，建立非线性方程组，采取了正则化方法，确保了非线性方程组的快速收敛；同时通过完好性检测，能够对TDOA定位系统各个传感器进行故障检测和识别，保障系统定位精度的可靠性，尤其适用无源定位的实际工程应用。
【IPC分类】G01S5-06
【公开号】CN104793179
【申请号】CN201410743452
【发明人】不公告发明人
【申请人】上海浩屹无线技术有限公司
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2014年12月9日