移动通信的数据融合被动定位研究

张正明 陈永海

摘 要：该文针对移动通信被动定位的定位精度问题，采用了多参数融合定位和对多个定位值的加权融合定位方法，分析和仿真表明该方法的可行性和有效性。

关键词：无源定位 被动定位 数据融合 移动通信

中图分类号：TN92，TN96 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（a）-00-02

对移动通信设备的定位是移动通信系统的重要任务之一，为了提高定位精度，需要综合利用多种定位技术，数据融合定位实际上是利用多个不同参数测量或相同参数测量的定位信息对目标的综合定位方法。

不同于主动定位系统，被动定位系统的数据有其自身特点，主要是通过被动测量移动设备的辐射信号参数来对目标进行定位，这些参数主要包括目标信号的到达角（AOA）、到达时间差（DTOA）和多普勒频率（FD）等。在通信定位中，主要应用的是基于AOA的交叉定位方式和基于DTOA的双曲线定位

方式[1，2，5]。

在被动定位系统中，观测信息包括辐射源信号参数和位置数据两种，前者提供目标的信号属性，而后者提供定位信息，数据融合定位就是充分利用这些信息，提高的信息空间的维数，有利于提升系统的分辨特性，有利于提高被动定位系统的定位

精度[3]。

1 多参数融合定位

数据融合定位可以分为多个层次，一种最直接的方法是在信号参数部分进行融合定位，有时也称为多参数定位，这种方法所需处理的数据信息量大，并且需要多参数的定位算法。

对于平面目标来说，AOA测量确定一条方向线，TDOA测量确定一条双曲线，这两条曲线相交于一点，就是目标的位置。在直角坐标系中，设主基站的坐标为（0，0），测向角为β，辅助基站的坐标为（b，0），到达时间测量值分别为t1，t2，则到达时间差为τ=t1-t2，目标的坐标为E（rx，ry）。

图1 AOA-DTOA融合定位位置图

根据时差关系可以得到

（1）

可以解得目标的坐标为

（2）

当考虑基站的方位角测量噪声和时间差测量噪声时，且假设时间差和方位角测量噪声均值为零，相互之间独立。则定位精度的几何稀释（GDOP）为

（3）

（4）

其中，

它表示辅助基站到目标所在方向的距离与R2和R2在该方向投影之差的比值的平方。在基线中垂线上时，m=tg2β，距离越远，m值越大。

圆概率误差（CEP）为

（5）

由上面的分析可知，使用AOA和DTOA进行联合定位时，在整个定位空间中，相对于基站的不同位置，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，甚至说非常大，影响定位的可信度。

2 定位结果的融合定位

在对移动通信设备的被动定位系统中，可以利用单参数或多参数实现对目标的定位，但是其定位精度受空间位置的影响很大，因此必须采用更多的基站信息，对目标进行准确定位。我们可以通过对各种定位精度的先验信息选择合适的算法，来提高定位的准确度[4]。

增加定位目标信息特征矢量的维数，能够达到更好的定位效果。目标位置融合有以下五种方法：状态矢量加权法、简单协方差加权融合法、复杂协方差加权融合法、选择法、增强法。因此，被动定位系统的位置关联问题将立足于信号参数和位置的双波门的多维信息的综合处理技术。

数据融合技术的主要思想，是对各个子状态空间的重叠部分进行融合，对各个子状态空间的互补部分进行集成，构造高精度的全观测空间。

具体地说，在观测状态空间重叠时，采用加权法，根据每个系统定位误差的大小确定权因子的大小；在状态空间互补或者虽然重叠但定位性能差别较大时，采用选择法。选择法是加权法在传感器定位性能差别较大时的近似，在满足条件的情况下，精度和加权法相当，计算量却小很多。

因此，被动定位系统的融合算法应以加权法为基础，主要解决两个关键问题，即：

（1）不同模型的观测空间的划分。

（2）权因子的选择。

对于第一个问题，空间的划分准则和定位系统所采用的参数和定位算法等息息相关，并且独立于其他因素。对于第二个问题，由于空间位置是决定其观测误差的主要因素，故航迹算法应选择能够反映被动定位系统的空间观测特性的参数作为加权因子，简单有效地完成融合。

对于测角定位和测时差定位，或者用测角和测时差综合定位来说，它们的CEP是不同的，在不同的空间位置其区别是比较大的，这样用CEP作为衡量观测误差大小的指标，分别绘制交叉定位系统、双曲线定位或其他定位方法的误差分布图。我们可以看到，不同参数定位情况下，不同的基站配置、参数测量精度，不同的空间位置，CEP的大小是不一样的，并且有一定的规律性。某些区域CEP较小，某些区域CEP则较大。因此可以根据这一特点，对不同区域采用不同的加权值对定位值做处理，以提高定位精度。

当基站位置固定时，不同测量空间在空间上每一点的CEP是可以事先求得的，与目标特性无关。对于加权法的权因子选择，采用权因子法。因其计算简单，物理意义明确，经过仿真，能够验证其有效性。

设Xi是融合前各种定位的位置矢量，i代表定位系统序号，X是融合后的位置矢量，则有：

（6）

（7）

当CEPi之间相差不大时，融合定位相当于各种定位结果的算术平均，当CEPi之间相差比较大时，则最小的CEP所对应的ki最大，所占权重最大，最大的CEP所对应的ki最小，所占权重最小。

可以用等效等高CEP线来表示不同定位方法所得到的定位CEP。对于不同基站，不同定位方法，使用CEP加权融合算法，就意味着空间上一点对应于各种定位的多个CEP值，被加权求和，最后得到的值称为等效CEP，能够表征CEP加权融合算法之后全空间的误差分布。通过绘制等效等高CEP曲线图，就可以直观有效地分析经过加权算法后的空间误差分布。它和各个单站的原CEP等高线图相比较，可以辅助分析加权法的改善程度，进而分析适合使用加权法的区域。

3 结语

该文采用了多参数融合定位和对定位结果的加权融合定位方法，分析和仿真表明该方法的可行性和有效性。

参考文献

[1] 范平志，邓平，刘林.蜂窝网无线定位[M].北京：电子工业出版社，2002.

[2] 张正明，杨绍全，张守宏.平面时差定位精度分析[J].西安电子科技大学学报（自然科学版），2001（1）.

[3] 邓平，范平志.移动台定位估计数据融合增强模型及其仿真研究[J].通信学报，2003，24（11）.

[4] 郭亚丽，韩焱.基于传感器网络数据融合的目标定位方法[J].火力与指挥控制，2009.

[5] 吕明，郭士民.基于数据融合的时差定位处理算法的应用[J].仪器仪表学报，2007.