移動通信的數據融合被動定位研究

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，采用了多參數融合定位和對多個定位值的加權融合定位方法，分析和仿真表明該方法的可行性和有效性。

關鍵詞：無源定位 被動定位 數據融合 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

對移動通信設備的定位是移動通信系統的重要任務之一，為了提高定位精度，需要綜合利用多種定位技術，數據融合定位實際上是利用多個不同參數測量或相同參數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，被動定位系統的數據有其自身特點，主要是通過被動測量移動設備的輻射信號參數來對目標進行定位，這些參數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]。

在被動定位系統中，觀測信息包括輻射源信號參數和位置數據兩種，前者提供目標的信號屬性，而后者提供定位信息，數據融合定位就是充分利用這些信息，提高的信息空間的維數，有利于提升系統的分辨特性，有利于提高被動定位系統的定位

精度[3]。

1 多參數融合定位

數據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部分進行融合定位，有時也稱為多參數定位，這種方法所需處理的數據信息量大，并且需要多參數的定位算法。

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

根據時差關系可以得到

（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 定位結果的融合定位

在對移動通信設備的被動定位系統中，可以利用單參數或多參數實現對目標的定位，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，能夠達到更好的定位效果。目標位置融合有以下五種方法：狀態矢量加權法、簡單協方差加權融合法、復雜協方差加權融合法、選擇法、增強法。因此，被動定位系統的位置關聯問題將立足于信號參數和位置的雙波門的多維信息的綜合處理技術。

數據融合技術的主要思想，是對各個子狀態空間的重疊部分進行融合，對各個子狀態空間的互補部分進行集成，構造高精度的全觀測空間。

具體地說，在觀測狀態空間重疊時，采用加權法，根據每個系統定位誤差的大小確定權因子的大??；在狀態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，精度和加權法相當，計算量卻小很多。

因此，被動定位系統的融合算法應以加權法為基礎，主要解決兩個關鍵問題，即：

（1）不同模型的觀測空間的劃分。

（2）權因子的選擇。

對于第一個問題，空間的劃分準則和定位系統所采用的參數和定位算法等息息相關，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的空間觀測特性的參數作為加權因子，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、雙曲線定位或其他定位方法的誤差分布圖。我們可以看到，不同參數定位情況下，不同的基站配置、參數測量精度，不同的空間位置，CEP的大小是不一樣的，并且有一定的規律性。某些區域CEP較小，某些區域CEP則較大。因此可以根據這一特點，對不同區域采用不同的加權值對定位值做處理，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。對于加權法的權因子選擇，采用權因子法。因其計算簡單，物理意義明確，經過仿真，能夠驗證其有效性。

設Xi是融合前各種定位的位置矢量，i代表定位系統序號，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果的算術平均，當CEPi之間相差比較大時，則最小的CEP所對應的ki最大，所占權重最大，最大的CEP所對應的ki最小，所占權重最小。

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，被加權求和，最后得到的值稱為等效CEP，能夠表征CEP加權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過加權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，可以輔助分析加權法的改善程度，進而分析適合使用加權法的區域。

3 結語

該文采用了多參數融合定位和對定位結果的加權融合定位方法，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.蜂窩網無線定位[M].北京：電子工業出版社，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.移動臺定位估計數據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.基于傳感器網絡數據融合的目標定位方法[J].火力與指揮控制，2009.

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