单站定位的伪目标动态可行域约束法

论文摘要

无线定位技术是利用技术手段对目标的信号进行测量,根据测量结果来估计待定位目标的空间坐标的技术集合。从观测站数量上划分,无线定位技术分为单站定位技术和多站定位技术,单站定位技术具有设备量小、成本低的优点,但由于单观测站获得的信息量少于多个观测站,因此,单站定位技术的实现难度较大。另外,在复杂的无线传播环境下,目标和观测站之间非视距（NLOS）传播普遍存在,对NLOS误差的抑制一直是无线定位领域研究的重要课题。而单站定位技术中使用的机动观测站在给系统增加信息量的同时,也使得NLOS传播对定位精度的影响更加严重,这也是单站定位技术中抗NLOS算法研究成果较少的原因。因此,本论文对NLOS环境下的单站定位技术展开了专门研究。本论文的研究分为两大部分,首先对NLOS传播模型和单站定位技术进行研究,旨在建立一种单站NLOS定位算法的抽象算法模型,对于不同的误差分布模型和不同算法准则,该模型具有一定的普遍适用性;其次针对某种NLOS误差分布模型和几种优化准则,进行了具体的研究。1.提出了伪目标动态可行域约束法,建立了算法中几个关键问题的基本模型。该方法把NLOS环境下散射体看作伪目标,随着观测站的机动测量,利用伪目标信息动态地构造真实目标位置可行域,通过在可行域内进行最优化求解得到真实目标位置估计值。算法中涉及的几个关键问题包括真实目标位置可行域构造,NLOS误差分布模型参数估计和观测站最优路径规划。2.选择单次反射圆模型（GBSBCM）为NLOS误差分布模型,对伪目标动态可行域约束法进行实例化研究。研究重点包括真实目标位置可行域构造,观测站最优路径规划,算法中关键参数估计以及性能分析。提出了两种真实目标位置可行域构造方法:角度约束法和分布约束法。两种可行域构造方法分别利用了GBSBCM的最大角度扩展特性和散射体位置分布特性,结合伪目标和观测站信息,形成对真实目标位置的约束。随着伪目标数目的增多和观测站获得的测量信息样本增多,可有效缩小可行域范围。提出了两种观测站最优路径规划算法,并进行了仿真比较。两种规划算法分别以可行域面积收敛最大化和几何精度稀释因子（GDOP）最小化为最优准则,基于动态规划理论,对观测站路径进行规划。对二者比较后得出结论,在定位观测的前期可以运用基于GDOP最小化的路径规划算法,快速降低伪目标定位误差,而在伪目标定位误差趋于收敛后,则应运用基于可行域面积收敛最大化的路径规划算法,使真实目标位置可行域范围迅速缩小,以缩短算法搜索时间和减小对真实目标的定位估计误差。提出了基于标准差匹配的散射区半径估计算法。NLOS误差分布模型的参数决定了对真实目标位置的约束条件,在算法实例中该参数为GBSBCM的散射区半径。基于标准差匹配的散射区半径估计算法中以散射体坐标为统计量,将其理论标准差值与样本标准差值进行比较,通过将二者差异最小化来寻找NLOS误差分布模型中关键参数的估计值。仿真实验证明,该算法能获得散射区半径较精确的估计值,增强了伪目标动态可行域约束法的可靠性和有效性。进行了算法性能分析。首先推导了伪目标位置估计的Cramer-Rao界,仿真分析了来波方向角和方向角变化率对伪目标定位精度的影响。其次,定义了“漏捕概率”以度量可行域的准确度,采用Monte-Carlo方法比较了算法实例中两种可行域构造方法的性能,并分析了伪目标动态可行域约束法的定位性能。仿真结果证明,伪目标动态可行域约束法在单观测站获得信息量有限的情况下充分利用多径信息,并通过观测站的有效机动使系统信息增益最大化,达到抑制NLOS误差的目的。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 主要的单站定位技术
• 1.2.1 蜂窝网中的单站定位技术
• 1.2.2 无源定位中的单站定位技术
• 1.3 国内外研究进展
• 1.3.1 蜂窝网中定位技术的国内外研究进展
• 1.3.2 单站无源定位技术的国内外研究进展
• 1.3.3 基于散射体信息定位算法的国内外研究进展
• 1.4 论文的主要内容和章节安排
• 1.4.1 论文的主要内容
• 1.4.2 论文的章节安排
• 第二章 非视距传播模型和双参数法
• 2.1 非视距传播模型
• 2.2 双参数法
• 2.2.1 双参数法的定位原理
• 2.2.2 双参数法的可观测条件
• 2.2.3 双参数法的仿真分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 伪目标动态可行域约束法
• 3.1 单站定位技术面临的问题
• 3.2 伪目标动态可行域约束法
• 3.2.1 NLOS 误差分布模型参数估计
• 3.2.2 真实目标位置可行域构造
• 3.2.3 观测站最优路径规划
• 3.3 本章小结
• 第四章 真实目标位置可行域构造
• 4.1 真实目标位置可行域构造
• 4.1.1 角度约束法
• 4.1.2 分布约束法
• 4.2 伪目标定位估计
• 4.2.1 单次测量定位
• 4.2.2 多次测量定位
• 4.3 本章小结
• 第五章 观测站最优路径规划研究
• 5.1 基于可行域面积收敛最大化的路径规划算法
• 5.1.1 算法模型
• 5.1.2 算法原理
• 5.1.3 算法仿真
• 5.2 基于GDOP 最小化的路径规划算法
• 5.2.1 GDOP 介绍
• 5.2.2 GDOP 计算方法
• 5.2.3 算法原理
• 5.2.4 算法仿真
• 5.3 两种最优路径规划算法的比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 关键参数估计
• 6.1 伪目标特征参数估计
• 6.1.1 伪目标来波方向角估计
• 6.1.2 伪目标数目估计
• 6.1.3 伪目标来波方向角变化率估计
• 6.2 散射区半径估计
• 6.2.1 算法原理
• 6.2.2 算法模型
• 6.2.3 算法仿真
• 6.3 最优化求解
• 6.3.1 最优化问题的数学模型
• 6.3.2 最优化问题的求解方法
• 6.4 本章小结
• 第七章 伪目标动态可行域约束法性能分析
• 7.1 伪目标位置估计的克拉美罗界
• 7.1.1 CRLB 推导
• 7.1.2 仿真分析
• 7.2 可行域范围的准确度
• 7.2.1 角度约束法准确度分析
• 7.2.2 分布约束法准确度分析
• 7.3 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者简历 攻读博士学位期间完成的主要工作