無源時差定位系統(tǒng)最優(yōu)布站方法研究

(西安電子科技大學(xué)電子信息攻防對抗與仿真技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西西安 710071)

0 引言

無源定位系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域，其基本原理是通過測量目標(biāo)輻射源的發(fā)射信號，對目標(biāo)進(jìn)行定位。常用的無源定位技術(shù)有：基于到達(dá)時間(Time of Arrival , TOA)、到達(dá)時間差(Time Difference of Arrival, TDOA)、到達(dá)角度(Angle of Arrival, AOA)、到達(dá)頻率差(Frequency Difference of Arrival,FDOA)等[1]。其中，TDOA技術(shù)因其較高的定位精度得到廣泛的研究和應(yīng)用。當(dāng)定位技術(shù)確定時，影響定位精度的主要因素有基站布局、時差測量誤差、布站誤差等[2]。本文主要研究在不同時差測量誤差影響下的TDOA定位系統(tǒng)的最優(yōu)布站方法。

目前研究各種無源定位系統(tǒng)布站方法的文獻(xiàn)中，大多是使用解析法，假設(shè)TDOA測量誤差為恒定高斯分布，理論推導(dǎo)后得到基站在一些特定位置時的布站方法，其求解較復(fù)雜且不具有普遍適用性。如文獻(xiàn)[3]通過半正定規(guī)劃的方法研究了傳感器網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)定位節(jié)點(diǎn)的選擇。文獻(xiàn)[4]研究了直線、梯形、平行四邊形、長方形、菱形、倒三角、正方形和Y形八種規(guī)則布站時的定位誤差，指出Y形布站覆蓋范圍最大，各個方向定位精度較好。文獻(xiàn)[5]通過對克拉美羅下界的跡的表達(dá)式推導(dǎo)得到：當(dāng)接收站包圍目標(biāo)并呈等角布站時布站最優(yōu)。文獻(xiàn)[6]通過改變規(guī)則圖形布站的基線長度和基線指向，研究了不規(guī)則布站的布站策略。文獻(xiàn)[7]將TDOA系統(tǒng)布站問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題進(jìn)行求解，使用遺傳算法(Genetic Algorithm , GA)來求解最優(yōu)布站，具有普遍適用性，但是該方法仍然是假設(shè)TDOA測量誤差為恒定高斯分布，未考慮基站和目標(biāo)的位置、目標(biāo)信號帶寬、接收機(jī)噪聲帶寬等因素對TDOA測量誤差的影響，而且遺傳算法調(diào)節(jié)參數(shù)較多，收斂速度較慢，需要較多次迭代才能解得最優(yōu)布站位置。

針對以上問題，本文以TDOA無源定位系統(tǒng)為研究對象，求解出更符合實(shí)際情況的TDOA測量誤差，并在此基礎(chǔ)上用粒子群算法(Particle Swarm Optimization，PSO)求解指定范圍內(nèi)的最優(yōu)布站位置。

1 三維空間TDOA定位模型

假設(shè)在三維空間中，待定位目標(biāo)輻射源位置為x=[x,y,z]T，接收基站位置si=[xi,yi,zi]T，i=0,1,…,n，表示為向量形式為s=[s0,s1,…,sn]T，輻射源到接收站的歐氏距離為ri=‖x-si‖，i=0,1,…,n。設(shè)定s0為主接收基站，輻射源信號傳播速度為c，可得式(1)：

ri0=cti0=Δri0+cni0,i=1,2,…,n

(1)

式中，ri0為實(shí)際測得的第i號基站與主站到目標(biāo)輻射源距離的差值，ti0為實(shí)際測得的第i號基站與主站到目標(biāo)輻射源的時差，Δri0為第i號基站與主站在不含測量誤差情況下到目標(biāo)輻射源距離的差值，ni0為第i號基站與主站的實(shí)際時差測量誤差。

將式(1)表示為向量形式：

z=h(x)+e

(2)

式中，z=[r10,r20,…,rn0]T，e=[cn10,cn20,…,cnn0]T,h(x)=[r1-r0,r2-r0,…,rn-r0]T。

三維空間TDOA定位即是在已知接收站的位置和測量時差的基礎(chǔ)上，對目標(biāo)的位置u進(jìn)行求解。

2 不同TDOA測量誤差下定位精度的CRLB分析

在無源時差定位問題中，目標(biāo)的定位誤差會存在CRLB。CRLB的跡表示了無偏的目標(biāo)位置估計量在各個維度上方差的和，工程中一般以它來衡量目標(biāo)定位性能。在定位方法一定時，TDOA測量誤差的計算方式不同，會影響CRLB的求解。

(3)

F為Fisher信息矩陣：

F=E{[xlnp(z|h(x))][xlnp(z|h(x))]T}

(4)

CRLB=F-1=(QTR-1Q)-1

(5)

式中，

(6)

R=cov(e·eT)=

(7)

假設(shè)σ0=σ1=…=σn=σs時，

(8)

實(shí)際應(yīng)用中，基站的觀測性能受多種因素的影響，此時可將TDOA測量誤差的方差視為由目標(biāo)信號參數(shù)、信噪比和傳播距離等決定的一個函數(shù)，表示為：ni0～(0,σ2(x)),i=1,2,…,n，因此提出一種更接近實(shí)際情況的計算CRLB的方法。假設(shè)三維空間TDOA定位模型在視距環(huán)境中，則第i個基站接收信號的功率可由電磁波在自由空間的傳播損耗模型來確定[9]：

(9)

(10)

SNR為某一參考距離r處的信噪比，則第i個定位基站處接收信號的信噪比可以表示為

(11)

由TDOA測量相關(guān)理論可知，當(dāng)多種可用技術(shù)用于測量TDOA時，該估計將是無偏的而且其方差可以達(dá)到時差測量的CRLB[10]。利用互相關(guān)法測量信號時間差的精度極限可以表示為[11]

(12)

式中，B為接收信號的均方根等效帶寬，Bn為噪聲信號的均方根等效帶寬，T為信號相對于采樣周期的時間長度，SNRi0為相關(guān)后信號對噪聲的功率比，兩者都是無單位的比值。SNRi0可表示為

i=1,2,…,n

(13)

式(11)和式(13)代入式(12)中可得第i號基站和主站所測輻射源信號的TDOA下界為

(14)

由式(14)可以看出,TDOA測量誤差與目標(biāo)輻射源和基站間的距離、目標(biāo)信號帶寬，目標(biāo)信號累積時間、接收機(jī)的噪聲帶寬、參考距離及其對應(yīng)信噪比有關(guān)。

此時假設(shè)主站和不同基站間的TDOA測量誤差相互獨(dú)立，則測量向量z的似然函數(shù)為

(15)

此時，距離誤差的協(xié)方差矩陣為

(16)

將式(15)代入式(4)中，可得F的各個元素為

Fij=(QTR(x)-1Q)ij+

(17)

其中，Q可以用式(6)來表示。則有

(18)

則CRLB的跡為

J=tr(CRLB)=tr(F-1)

(19)

3 基于粒子群算法的最優(yōu)布站方法

在求解最優(yōu)布站位置時，輻射源目標(biāo)的具體位置是未知的，為確保目標(biāo)區(qū)域的整體定位精度，本文采用的方法是將目標(biāo)區(qū)域離散化，目標(biāo)區(qū)域的整體定位精度可以表示為

(20)

式中，θ=[x0,y0,z0,x1,y1,z1,…,xn,yn,zn]為參與定位的n+1個基站的位置，N為目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的輻射源目標(biāo)個數(shù)。則在基站指定布站區(qū)域內(nèi)，用粒子群算法對目標(biāo)函數(shù)f(θ)迭代尋優(yōu)，使函數(shù)f(θ)的值最小時的變量θ即為基站的最優(yōu)布站位置。粒子群算法求解最優(yōu)布站流程為：

1) 種群初始化：隨機(jī)產(chǎn)生規(guī)模為M個粒子的種群，設(shè)定迭代次數(shù)、在布站區(qū)域內(nèi)初始化粒子θ中每個基站的三維坐標(biāo)位置和坐標(biāo)移動速度。

2) 根據(jù)目標(biāo)函數(shù)f(θ)計算每個粒子的定位誤差，獲取粒子個體的歷史最佳位置、種群的歷史最佳位置、個體最佳適應(yīng)度、種群最佳適應(yīng)度。粒子定位誤差越小，其適應(yīng)度越高，布站位置越好。

3) 按粒子群算法粒子更新公式[12]更新粒子位置和速度，繼續(xù)執(zhí)行流程2)，直到迭代到指定次數(shù)。迭代后所求得的適應(yīng)度最高的粒子即為最優(yōu)布站位置，其對應(yīng)的函數(shù)值即為定位誤差。

4 算法仿真和結(jié)果分析

本節(jié)主要是采用粒子群算法，對三維空間中不同TDOA測量誤差下最優(yōu)布站位置和布站性能進(jìn)行仿真和分析。仿真參數(shù)設(shè)置為：

1) 定位系統(tǒng)參數(shù)：定位基站個數(shù)為4，基站區(qū)域?yàn)镽1:{x∈[-25,25],y∈[-25,25],z∈[0,5]}，目標(biāo)區(qū)域?yàn)镽2:{x∈[-100,200],y∈[0,200],z∈[5]}，單位為km。信號等效帶寬B=500 kHz，噪聲等效帶寬Bn=1 MHz，時間長度T=1 000，參考距離r=100 m處的信噪比為30 dB，即SNR=1 000。

2) 粒子群算法參數(shù)：種群規(guī)模為200，最大迭代次數(shù)為200次，變量維數(shù)為12，自我學(xué)習(xí)因子c1=1.5，群體學(xué)習(xí)因子c2=1.5，慣性權(quán)重ω取0.9～0.4，隨迭代次數(shù)的增加線性遞減。

圖1 不同迭代次數(shù)后基站最優(yōu)布站時的定位誤差

圖2 迭代200次后最優(yōu)布站的位置

圖3 PSO-NEW算法最優(yōu)布站時定位誤差等高線圖

圖1為隨迭代次數(shù)的增加，3種算法求解得到的基站最優(yōu)布站對目標(biāo)區(qū)域的定位誤差。圖2為迭代200次后，3種算法求解后得到的最優(yōu)布站三維坐標(biāo)圖，不同算法求解得到的基站位置用不同形狀的圖形來區(qū)分。從圖1可以看出：當(dāng)TDOA測量誤差為恒定高斯分布時，粒子群算法(PSO)比遺傳算法(GA)收斂速度更快，更適用于需要快速作出反應(yīng)的無源定位環(huán)境，兩者定位精度基本相同。從圖2可以看出：當(dāng)TDOA測量誤差為恒定高斯分布時，PSO算法和GA算法求解的最優(yōu)布站位置基本相同。從圖1還可以看出：當(dāng)TDOA測量誤差為多種因素綜合影響的函數(shù)時，用PSO算法求得最優(yōu)布站所對應(yīng)的定位誤差與TDOA測量誤差為恒定高斯分布時相比，定位誤差由1.092 5 km下降到0.529 81 km，說明此時求解的最優(yōu)布站位置更好，可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域更高精度的定位。

圖3為PSO-NEW算法200次迭代后求得的最優(yōu)布站位置所對應(yīng)的定位誤差CRLB的等高線圖，從圖中可以看出，目標(biāo)區(qū)域R2內(nèi)，定位誤差以布站區(qū)域?yàn)橹行南蛩闹苤饾u遞增，目標(biāo)區(qū)域的定位誤差基本都在2 km以內(nèi)，進(jìn)一步證明本文所提算法求得的布站位置對目標(biāo)區(qū)域的整體定位性能良好。

5 結(jié)束語

本文研究了三維時差定位系統(tǒng)模型，提出了一種更符合實(shí)際情況的TDOA測量誤差的計算方法，并推導(dǎo)出在不同時差測量誤差影響下，目標(biāo)區(qū)域定位誤差的CRLB。本文以定位誤差CRLB的跡的平均值最小為優(yōu)化目標(biāo)，用粒子群算法求解最優(yōu)布站。仿真結(jié)果表明：本文所提算法求解的最優(yōu)布站位置，與假設(shè)TDOA測量誤差為恒定高斯分布時相比，其定位誤差明顯減小，目標(biāo)區(qū)域整體定位性能良好；與用遺傳算法求解的最優(yōu)布站位置相比，其收斂速度快且調(diào)節(jié)參數(shù)少，更適用于需要快速作出反應(yīng)的偵察定位場合；同時，本文所提算法無需像解析法中那樣針對特定情況推導(dǎo)最優(yōu)布站位置，在理論上可以求解在任意布站區(qū)域內(nèi)的最優(yōu)布站，求解簡單且具有普遍適用性。