基于信道模型的短波时差测量克拉美罗界分析

短波时差定位的关键在于高精度时差的提取.电离层的复杂性使得基于互相关的传统时差测量估计算法不能提取短波信号中的时延信息,该文利用国际参考电离层(IRI)模型获取电离层的电子密度信息,以数值型三维射线追踪的方法构建Vogler信道模型,得到短波信号的时延估计,并推导了在多普勒扩展不影响信号相关性时的短波时差测量克拉美罗界(CRLB).仿真结果表明,短波时差测量CRLB与采样时间、电波频率、输入信噪比有关,且冬季的时差测量CRLB低于夏季.

基于克拉美罗界加权的GNSS干扰源定位方法

利用多普勒测量信息,低轨卫星能够实现对全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)干扰源的快速普查。然而,由于低轨卫星的高动态特性,获得的多普勒观测量有限,导致基于经典最小二乘(least squares,LS)算法得到的定位精度有限。为提高GNSS干扰源的定位精度,提出一种基于多普勒测量克拉美罗界(Cramér-Rao bound,CRB)加权的LS定位算法,利用多普勒采样时刻的信噪比计算多普勒观测量的CRB,在LS定位算法中进行加权,使不同时刻多普勒观测量的噪声服从同方差性,则关于干扰源位置的LS解接近最优估计。在不同采样率、信噪比以及采样时长下,仿真验证了所提算法的有效性,同时通过构建基于FPGA的GNSS干扰采集和定位系统进行了实验验证。仿真及实测结果表明,该算法能够有效提升定位精度,相较于LS算法,定位性能改善比例为17.43%。

宽带频率步进信号参数估计的克拉美罗界研究

随着宽带雷达技术的发展,经典窄带信号参数估计的克拉美罗(CR)界已经不能再作为参数估计算法的评估标准。该文以宽带频率步进雷达为应用背景,首先推导了宽带频率步进信号参数估计的CR界,给出了Fisher信息阵元的闭合表达式。然后深入揭示了宽带CR界的特性,证明了频率步进信号参数估计的性能不仅与信号带宽、信噪比有关,还会受到相对带宽的影响。最后验证了窄带CR界只是宽带CR界的一个特例,宽带CR界综合考虑了宽带模型下各种因素的影响,在理论分析中有更加全面的指导意义。

运动双基地MIMO雷达参数估计的克拉美罗界

在杂波环境下,该文研究了目标、发射站及接收站均运动时双基地多输入多输出(MIMO)雷达参数估计的克拉美罗界(CRB)。首先建立了运动双基地MIMO雷达的数学模型,推导了杂波背景下多目标参数估计CRB的一般表示式,然后给出了无杂波时单目标波离方向(DOD)、波达方向(DOA)以及速度CRB的闭式解,并分析了各参数对CRB性能的影响。理论与仿真实验表明:无杂波时的参数估计性能优于杂波背景下的参数估计性能;目标DOD(DOA)的估计性能与收发站速度、目标速度无关,而目标速度的估计性能将随着收、发站和目标速度的增大而下降。

相对定位估计的修正克拉美罗界

为定量地比较无线传感器网络中相对定位系统的时间同步误差对TOA机制与TDOA机制定位估计性能的影响,分析了同步误差的组成,将同步误差计入观测模型,在此观测模型下修正了TOA机制与TOA/RSS混合机制CRB,并在相同的参考节点布局下分别与TDOA机制和TDOA/RSS混合机制的CRB做比较。新的观测模型表明,在观测方程中,发送端时钟误差同时也是未知量;TOA机制可解出该未知量,用于消除同步误差;而TDOA机制牺牲一个观测量用以消除发送端时钟误差,降低了系统时间同步要求,也即消除了一个未知量。理论证明及仿真结果均表明,在等量的同步误差和相同的参考节点布局下TOA机制与TDOA机制CRB相等以及TOA/RSS与TDOA/RSS混合机制CRB相等,而RSS机制分别与TOA机制、TDOA机制的混合,提高了TOA机制、TDOA机制在近距离定位时的性能。

近场目标方位和距离估计的克拉美-罗界研究

针对现有单源情况下近场目标定位的窄带克拉美-罗界(Cramér-Rao Bound,CRB)都是基于均匀直线阵模型,且没能全面分析其CRB的特性和具体的影响因素。该文首先推导了基于窄带模型的单源费雪信息矩阵,进而通过求舒尔补和雅克比变换,得到非均匀线阵条件下近场测距和测向的非矩阵形式的闭式CRB解析式。通过对该式从阵列相关因素(如阵列结构、阵列孔径等)和目标信号相关因素(如目标信号频率和信噪比等)两方面进行分析,揭示了影响目标角度和距离估计性能的物理因素,为后续阵列及信号的设计提供了理论指导。在最大孔径给定的情况下,可通过设计合理的阵元配置方式,实现最优的测距和测向效果。蒙特卡洛仿真结果验证了理论分析和上述结论的正确性。

基于TOA的水下目标定位算法克拉美罗界

对基于到达时间估计的水下主动目标定位方法的定位误差克拉美罗界进行了分析,针对现有误差分析过程中时间测量误差假设不适用于非合作目标情况的问题,提出了时间测量误差可变的定位误差分析方法,推导了时间测量误差随目标位置变化时定位误差的克拉美罗下界,并进行了计算机蒙特卡罗仿真实验,结果表明经过修正后的克拉美罗下界整体上小于修正前克拉美罗下界,且在定位范围内,修正后克拉美罗下界的分布变化趋势与蒙特卡罗统计实验的定位方差分布变化趋势更加相符。

MIMO雷达GMTI性能及DOA估计的克拉美·罗界分析

研究了MIMO雷达GMTI性能及其DOA估计的克拉美.罗界(CRB)。首先建立机载平台下MIMO雷达信号模型,通过对系统参数设置,可使MIMO雷达工作在3种不同模式中。接着分析了MIMO雷达GMTI性能,并推导出了在MIMO雷达空时信号模型下,利用空时联合域信息时DOA估计的CRB。仿真结果表明,无论是GMTI性能还是DOA估计性能,MIMO雷达均优于相控阵雷达,尤其是发射稀疏阵MIMO雷达性能最佳。同时,利用空时联合域信息能有效改善MIMO雷达DOA估计的CRB,在目标多普勒频率相差较大时效果更加明显。

多载波雷达系统的信息量及克拉美罗界

采用香农信息论的思想方法,以接收信号与被测目标的距离⁃幅相之间的互信息为测度,提出了目标距离信息和幅相信息的统一定义及描述方法,并推导出目标距离信息和幅相信息的闭合表达式,从而建立起多载波雷达系统的信息理论模型。研究表明,目标距离信息和幅相信息将产生相互影响,幅相信息通常依赖于距离信息。当目标的散射系数服从复高斯分布时,目标的幅相信息只与信噪比有关,而与距离信息无关。本文进一步研究了目标的距离信息量与最大似然估计之间的关系。理论分析与数值仿真结果表明,在高信噪比条件下,Cramer⁃Rao界就是距离信息量的渐近上界。然而,实际雷达系统通常工作于中等信噪比环境,长期以来,其理论上界并不清楚。现在,目标的距离信息量可作为最大似然估计的性能上界,为实际系统的性能提供了比较的依据。这一结论显示雷达信息理论对实际应用具有重要的指导作用。

反射与噪声对室内可见光定位系统精度影响及其克拉美罗界

基于到达信号强度(RSS)测距的方法,可见光室内定位系统中因为墙面反射和外界噪声等存在干扰,从而产生误差.将计算机图形学中的Phong模型应用到可见光定位的墙面反射模型中,通过计算仿真反射和噪声信号到达接收端的强度,与发射端直射到接收端的信号强度进行对比,发现干扰信号中反射信号的强度与直射强度处于同一个数量级上,因此干扰对于可见光定位系统误差的影响不容忽略.仿真得到这些干扰对于最终定位系统造成的误差,并且与表示定位性能的克拉美罗下界进行对比,发现最大误差达到1.82 m,平均误差为0.12 m,干扰现象在墙角区域明显.

可靠声路径匹配波束强度处理目标深度估计的克拉美罗界研究

深海可靠声路径被动目标深度估计是利用可靠声路径声场时空特性进行目标深度信息拾取,是深海目标探测中的关键问题。为反映深度估计算法的理论性能,文章采用克拉美罗下界描述参数无偏估计方差的最小值,作为无偏估计量的性能下限,通过理论推导了宽带匹配波束强度处理的克拉美罗界,基于仿真数据分析了信噪比、处理带宽、目标距离、俯仰角估计误差等因素对目标深度估计性能的影响。

马尔可夫蒙特卡罗的室内定位算法

针对无线局域网室内定位中接收功率受干扰影响导致位置估计精度偏低的问题,构建基于传播损耗模型的似然函数模型,采用马尔可夫蒙特卡罗抽样方法进行位置估计.该方法将干扰因素构建到模型中,运用随机抽样的方法解决估计问题,具有收敛速度快、估计精度高的优势.理论推导了该模型下坐标估计的克拉美罗界,并在仿真实验中,给出克拉美罗界在定位空间的分布.仿真实验表明,马尔可夫蒙特卡罗抽样方法可精确估计出目标位置,在相同仿真条件下,与共轭梯度法相比,马尔可夫蒙特卡罗抽样方法估计精度高、复杂度低.

利用蒙特卡罗的最大似然时延估计算法

针对最大似然时延估计算法的峰值搜索计算复杂度较高且容易陷入局部收敛，造成估计误差较大的问题。提出了一种利用蒙特卡罗的最大似然时延估计（MCML）算法。首先利用信道频域响应估计矢量建立似然函数；然后把时延估计问题转化为求解随机变量的期望问题，将采用指数化似然函数构造的标准化概率密度函数趋近于冲激函数，使得随机变量的方差趋近于零；最后采用蒙特卡罗方法对随机变量进行抽样，从而利用抽样的均值估计出时延。较之传统方法，蒙特卡罗方法避免了网格搜索，降低了计算复杂度，保证了全局收敛性和估计精度。仿真结果表明：在信噪比0～25dB的条件下，MCML算法均能始终逼近克拉美罗界；当信噪比为25dB时，MCML算法的时延估计分布范围缩小为马尔科夫链蒙特卡罗算法的34％。

基于PCRB的MPPT定量评价方法研究

针对光伏系统中最大功率点跟踪(MPPT)算法精度难以作出定量评价的问题,在对输出功率进行平方根容积卡尔曼滤波(SCKF)的基础上,利用功率突变检测理论实时地跟踪最大功率点,结合后验克拉美罗界(PCRB)得到功率值的定量误差,提出一种MPPT定量评价方法。最后,对此控制策略进行仿真分析,说明了该方案的有效性;同时,通过一系列在线实验证明了该方案的可行性。该方案不仅能避免多峰特性曲线的误跟踪现象,准确地寻找最大功率点,且能对MPPT控制精度作出定量的评价分析。

基于可见光通信的室内定位算法及相应参数估计克拉美罗界

基于可见光通信的新型室内定位方法具有传统无线定位方法难以替代的优势,且室内光源布局对定位性能的好坏有着直接影响。在满足室内光照条件要求的前提下,针对典型可见光通信室内定位模拟环境,推导了待测点的克拉美罗界(CRB)和定位性能最佳的光源布局,并使用高斯-牛顿算法进行了仿真分析,证明了文中推导的正确性。

非圆信号的DOA与阵列误差参数的联合估计性能界

为了确定非圆信号波达方向(direction-of-arrival,DOA)估计中参数化校正的方差下限,基于阵列误差影响下的随机性非圆信号模型与联合信源时域自相关特性的非圆信号模型,分别推导了DOA参数与阵列误差参数的联合估计克拉美罗界(Cramer-Rao bound,CRB)。通过将推导的非圆性能界与未利用非圆特性的性能界进行对比分析,理论证明了非圆性能界比未利用非圆特性的性能界更低,且两者的差异在低信噪比和大非圆率信号入射的情况下较大。实验结果不仅验证了理论分析的正确性,同时表明信源时域自相关信息有助于进一步提升阵列误差的校正精度。

基于高度角随机模型的GNSS外辐射源雷达定位算法

针对GNSS外辐射源雷达定位时不同卫星对定位的误差贡献不同的问题,提出基于高度角随机模型的定位算法,理论分析目标位置估计量的克拉美罗界和统计特性,并计算卫星位置误差和地面站位置误差对定位误差的影响。仿真结果表明:所提出算法对不同GNSS卫星的直射、反射路径的伪距差测量值误差进行了合理分配,定位性能达到了克拉美罗界,且不会因为选星方案的改变而大幅恶化。对地面站位置误差和卫星位置误差的分析表明:地面站位置的标准差小于10 cm、卫星位置的标准差小于1 km时对定位总误差的贡献可以忽略不计。

一种协同二维DOA和TDOA观测量的超视距短波辐射源定位新方法

针对超视距远距离短波辐射源定位误差较大的问题,该文在观测站同时获得二维到达角度和到达时间差参数的场景下,提出一种协同这两种观测量的定位新方法。首先,基于单跳电离层虚高模型构建面向短波辐射源的二维到达角度和到达时间差的非线性观测方程。然后,将超视距定位几何模型与代数模型相结合,并依次将两种非线性观测方程转化为伪线性观测方程,进而提出一种无需迭代的两阶段协同定位方法。阶段1通过求解一元六次多项式的根获得目标位置向量闭式解,阶段2通过构建等式约束优化模型对阶段1的估计误差进行改良,并利用拉格朗日乘子技术得到精度更高的定位结果。最后,利用约束误差扰动理论对新提出的协同定位方法的估计性能进行理论分析,证明新方法具有渐近统计最优性,同时还利用约束误差扰动理论定量分析短波辐射源高度信息误差对定位精度产生的影响,并推导能确保地球椭圆约束产生性能增益的短波辐射源高度信息误差最大门限值。仿真实验结果验证该文新方法能够获得显著的协同增益。

基于线性调频连续波的合作式通信辐射源测距

针对加速运动目标参数估计中,离散多项式变换方法无法进行非整数估计的问题,本文提出基于瑞夫算法的离散多项式变换法和基于Chirp-Z变换的离散多项式变换法2种新型离散多项式变换算法,对加速运动目标速度和加速度进行估计,并对2种算法的估计误差和计算量进行了分析比较。结果表明:2种算法在信噪比-20 dB时均方误差开始接近克拉美罗界。基于瑞夫算法的离散多项式变换法与3次迭代基于Chirp-Z变换的离散多项式变换法均可在较低信噪比下可实现任意频率的有效估计且性能接近,二者均可实现低信噪比下速度、加速度的有效估计,但基于瑞夫算法的离散多项式变换法计算量远小于3次迭代基于Chirp-Z变换的离散多项式变换法。

Wi-Fi RTT/RSS混合定位CRLB推导与最优节点布局设计

基于精细时间测量协议(FTM)的Wi-Fi RTT定位是目前领域内的研究热点,但其定位算法性能的评估手段较为单一且缺乏理论基础,Wi-Fi接入点(AP)布局对于定位精度的影响也尚未深入研究。本文以智能手机Wi-Fi FTM为研究对象,推导了基于Wi-Fi RTT/RSS混合定位方法的克拉美罗下界(CRLB),阐明了单一定位与混合定位方法CRLB的理论关系,为算法性能评估确立了理论依据;研究了Wi-Fi AP布局对RTT/RSS混合定位精度的影响,以增强遗传算法(EGA)和CRLB为基础,设计了Wi-Fi RTT/RSS混合定位的最优节点布局方案。研究表明,Wi-Fi RSS/RTT混合定位可作为高效的FTM定位方法,提出的基于EGA和CRLB的最优节点布局方法能快速给出定位区域内的最优AP布局方案。试验结果表明,在最优节点布局下(7个Wi-Fi节点),Wi-Fi RSS、RTT和RSS/RTT混合定位在本文试验环境的理论精度分别为0.92、1.07和0.61 m。研究结果可为Wi-Fi FTM定位算法性能评估提供理论支持,也能为合理布设Wi-Fi节点、减少定位成本投入提供可行方案。