移動通信的數(shù)據(jù)融合被動定位研究

張正明 陳永海

摘 要：該文針對移動通信被動定位的定位精度問題，采用了多參數(shù)融合定位和對多個定位值的加權(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：無源定位 被動定位 數(shù)據(jù)融合 移動通信

中圖分類號：TN92，TN96 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（a）-00-02

對移動通信設(shè)備的定位是移動通信系統(tǒng)的重要任務之一，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)融合定位實際上是利用多個不同參數(shù)測量或相同參數(shù)測量的定位信息對目標的綜合定位方法。

不同于主動定位系統(tǒng)，被動定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)有其自身特點，主要是通過被動測量移動設(shè)備的輻射信號參數(shù)來對目標進行定位，這些參數(shù)主要包括目標信號的到達角（AOA）、到達時間差（DTOA）和多普勒頻率（FD）等。在通信定位中，主要應用的是基于AOA的交叉定位方式和基于DTOA的雙曲線定位

方式[1，2，5]。

在被動定位系統(tǒng)中，觀測信息包括輻射源信號參數(shù)和位置數(shù)據(jù)兩種，前者提供目標的信號屬性，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層次，一種最直接的方法是在信號參數(shù)部分進行融合定位，有時也稱為多參數(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。

對于平面目標來說，AOA測量確定一條方向線，TDOA測量確定一條雙曲線，這兩條曲線相交于一點，就是目標的位置。在直角坐標系中，設(shè)主基站的坐標為（0，0），測向角為β，輔助基站的坐標為（b，0），到達時間測量值分別為t1，t2，則到達時間差為τ=t1-t2，目標的坐標為E（rx，ry）。

圖1 AOA-DTOA融合定位位置圖

根據(jù)時差關(guān)系可以得到

（1）

可以解得目標的坐標為

（2）

當考慮基站的方位角測量噪聲和時間差測量噪聲時，且假設(shè)時間差和方位角測量噪聲均值為零，相互之間獨立。則定位精度的幾何稀釋（GDOP）為

（3）

（4）

其中，

它表示輔助基站到目標所在方向的距離與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，m=tg2β，距離越遠，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進行聯(lián)合定位時，在整個定位空間中，相對于基站的不同位置，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，甚至說非常大，影響定位的可信度。

2 定位結(jié)果的融合定位

在對移動通信設(shè)備的被動定位系統(tǒng)中，可以利用單參數(shù)或多參數(shù)實現(xiàn)對目標的定位，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，對目標進行準確定位。我們可以通過對各種定位精度的先驗信息選擇合適的算法，來提高定位的準確度[4]。

增加定位目標信息特征矢量的維數(shù)，能夠達到更好的定位效果。目標位置融合有以下五種方法：狀態(tài)矢量加權(quán)法、簡單協(xié)方差加權(quán)融合法、復雜協(xié)方差加權(quán)融合法、選擇法、增強法。因此，被動定位系統(tǒng)的位置關(guān)聯(lián)問題將立足于信號參數(shù)和位置的雙波門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，是對各個子狀態(tài)空間的重疊部分進行融合，對各個子狀態(tài)空間的互補部分進行集成，構(gòu)造高精度的全觀測空間。

具體地說，在觀測狀態(tài)空間重疊時，采用加權(quán)法，根據(jù)每個系統(tǒng)定位誤差的大小確定權(quán)因子的大??；在狀態(tài)空間互補或者雖然重疊但定位性能差別較大時，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的近似，在滿足條件的情況下，精度和加權(quán)法相當，計算量卻小很多。

因此，被動定位系統(tǒng)的融合算法應以加權(quán)法為基礎(chǔ)，主要解決兩個關(guān)鍵問題，即：

（1）不同模型的觀測空間的劃分。

（2）權(quán)因子的選擇。

對于第一個問題，空間的劃分準則和定位系統(tǒng)所采用的參數(shù)和定位算法等息息相關(guān)，并且獨立于其他因素。對于第二個問題，由于空間位置是決定其觀測誤差的主要因素，故航跡算法應選擇能夠反映被動定位系統(tǒng)的空間觀測特性的參數(shù)作為加權(quán)因子，簡單有效地完成融合。

對于測角定位和測時差定位，或者用測角和測時差綜合定位來說，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作為衡量觀測誤差大小的指標，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，對不同區(qū)域采用不同的加權(quán)值對定位值做處理，以提高定位精度。

當基站位置固定時，不同測量空間在空間上每一點的CEP是可以事先求得的，與目標特性無關(guān)。對于加權(quán)法的權(quán)因子選擇，采用權(quán)因子法。因其計算簡單，物理意義明確，經(jīng)過仿真，能夠驗證其有效性。

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，X是融合后的位置矢量，則有：

（6）

（7）

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

可以用等效等高CEP線來表示不同定位方法所得到的定位CEP。對于不同基站，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對應于各種定位的多個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。通過繪制等效等高CEP曲線圖，就可以直觀有效地分析經(jīng)過加權(quán)算法后的空間誤差分布。它和各個單站的原CEP等高線圖相比較，可以輔助分析加權(quán)法的改善程度，進而分析適合使用加權(quán)法的區(qū)域。

3 結(jié)語

該文采用了多參數(shù)融合定位和對定位結(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

[1] 范平志，鄧平，劉林.蜂窩網(wǎng)無線定位[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[2] 張正明，楊紹全，張守宏.平面時差定位精度分析[J].西安電子科技大學學報（自然科學版），2001（1）.

[3] 鄧平，范平志.移動臺定位估計數(shù)據(jù)融合增強模型及其仿真研究[J].通信學報，2003，24（11）.

[4] 郭亞麗，韓焱.基于傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合的目標定位方法[J].火力與指揮控制，2009.

[5] 呂明，郭士民.基于數(shù)據(jù)融合的時差定位處理算法的應用[J].儀器儀表學報，2007.