[发明专利]基于TDOA的区间化无源定位方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于TDOA(Time Difference Of Arrival,到达时间差)的区间化无源定位方法，包括：将观测站组中的三个观测站与辐射源之间产生的两个TDOA测量值区间化，得到两个TDOA测量区间；将先验辐射源位置区间均匀划分为多份，形成多条切割线；选取参考观测站对切割线求解TDOA方程，找到每个TDOA测量区间在各切割线上的离散交点；根据各切割线上的离散交点，画出外接矩形即为一条时差线区间逼近区域；对所有TDOA区间测量的外接矩形交叠运算，并对相交区域构建外接矩形；将外接矩形作为新的先验辐射源位置区间，经过迭代运算不断缩小位置区间直至其外接矩形的面积大小收敛，得到源位置估计区间，并取面积作为算法可靠度，取中点为定位结果。本发明具有定位精度高、鲁棒性良好、利于多系统融合的优点。

技术领域

本发明涉及无源定位技术领域，特别涉及一种基于TDOA的区间化无源定位方法及系统。

背景技术

在现有环境下，例如雷达定位、声源定位等场景，要对非合作的辐射源进行定位时，缺乏辐射源与观测站之间的数据传输合作，这将对定位带来很大的困难。目前对于无源定位大多基于AOA(Angle Of Arrival,到达角度)、TDOA、FDOA(Frequency Difference OfArrival,到达频率差)及其联合定位。像基于TDOA的无源定位方法，不需要辐射源到观测站的距离，只需通过多个观测站之间的合作，即可得到辐射源到不同观测站之间的距离差或者时间差，从而建立相应的TDOA方程，并最终求解得到辐射源的估计结果。然而在实际定位场景中，由于在测量TDOA时存在一定的噪声干扰，产生测量误差，再加之TDOA方程本身存在的非线性问题，这都给无源定位问题增加了难度。

通过泰勒级数展开并配合最小二乘进行求解的方案，想要通过缩小测量误差来提高定位精度，虽克服了一定的噪声问题，但由于初始位置限制，可能导致解陷入局部最优，产生非凸性问题。目前，通过凸松弛技术，将非凸性问题转化为半定规划问题的方案，以及将非凸目标函数变为两个凸函数精准差的方案都很好地解决了非凸性问题。但是上述方案复杂度较高，受限于位置初始化问题。

现有的另一种针对无源定位的主流方案则是TSWLS(Two-Stage Weighted LeastSquares,两步加权最小二乘)方法，此类方法经过多年改进，不断克服了定位精度、噪声影响、符号模糊等问题，目前通过此类方法已经可以得到逼近CRLB(Cramer-Rao LowerBound,克拉美罗下界)的定位结果。但是此方案对观测站的数量有一定要求，往往观测站数量越少，定位精度越差。

上述的无源定位解决方案，均是基于数值计算，所得到的位置估计结果也为数值解。虽有一定的定位精度，但却无法对定位结果的可信度提供依据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于TDOA的区间化无源定位方案，该方案在基础的TDOA定位原理上结合了区间分析法、二分法、迭代法，解决了现有无源定位方案存在的适应噪声能力有限，无法保证数值定位结果的可靠度等问题，并且本发明有利于多系统融合，定位结果精度高，鲁棒性良好，可以保证定位结果的可靠度，设备复杂度不高，环境包容度高。

为了解决上述问题，本发明提供了基于TDOA的区间化无源定位方法，其包括以下步骤：

S1、在四个观测站中选取其中三个，利用三个观测站构建观测站组，根据UBB理论，确定观测站组中的三个观测站与源之间产生的两个TDOA测量区间；

S2、在二维坐标下，根据先验知识确定先验辐射源位置区间，并在其中一个坐标轴上将先验辐射源位置区间均匀划分为多份，形成多条切割线；

S3、在观测站组的三个观测站中选取一个观测站作为参考观测站，通过二分法对所述切割线求解TDOA方程，将TDOA测量区间的上界值与下界值分别带入TDOA方程，得到上界与下界对应的近似解，找到每个TDOA测量区间在各个切割线上的离散交点；