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1、(10)申请公布号 CN 103901397 A (43)申请公布日 2014.07.02 CN 103901397 A (21)申请号 201410092380.6 (22)申请日 2014.03.13 G01S 5/00(2006.01) (71)申请人 中国民用航空总局第二研究所 地址 610041 四川省成都市高新区高新技术 开发区二环路南二段 17 号 (72)发明人 吴宏刚 郭建华 何东林 金立杰 (74)专利代理机构 成都九鼎天元知识产权代理 有限公司 51214 代理人 钱成岑 詹永斌 (54) 发明名称 复杂环境下场面多点定位位置解的取舍方法 (57) 摘要 本发明公开了一种。
2、复杂环境下场面多点定位 位置解的取舍方法， 主要负责多点定位系统复杂 实际场面环境下 TDOA 到目标定位位置的汇算以 及定位位置的自检输出功能。其主要原理是通过 判断 chan 氏多点定位算法两步位置估计残差样 本是否符合正常噪声水平下的概率分布来对定位 结果进行后续处理与取舍操作。 符合时， 当次定位 结果直接输出 ； 否则依次去掉每一个站点保留另 外m-1个站点定位m次， 取两步位置估计残差样本 出现概率最大的定位组合， 如出现概率满足预定 门限， 输出对应定位解， 否则舍去解。本发明考虑 了两次位置估计值的相关性、 计算量少， 不需其他 先验信息， 利于通用化和简单化， 可满足复杂场面。
3、 环境多点定位工程应用需求。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103901397 A CN 103901397 A 1/1 页 2 1. 一种复杂环境下场面多点定位位置解的取舍方法， 其特征在于包括以下步骤 ： 第一步， 输入 m 个检测站点的 TDOA、 测量噪声以及站点位置信息进行初始化， 设定 i=0 ； 第二步， 利用 chan 氏多点定位算法依次计算出第一次位置估计随机向量样本值 和第二次位置估计随机向量样本值其中， 为。
4、目标第一次估计的水平位置样本值，为目标第一次估计位置到参与定 位的第 1 个站点的距离样本值 ；为目标第二次估计的水平位置样本值 ； 第三步， 利用第二步的相关结果推导计算出两次位置估计残差的协方差矩阵 并利用第二步中的两次位置估计样本值计算出两次位置估计残 差样本值 第四步， 检测 i 是否为零， 如为零， 则执行第五步 ； 如不为零， 执行第六步、 第七步 ； 第五步， 判断是否符合的条件， 如符合， 则舍去定位解 ； 如不符 合， 则统计残差值然后执行第八步 ； 第六步， 记录统计残差值 第 七 步，判 断 i 是 否 等 于 m，如 等 于 m，则 寻 找 最 小 统 计 残 差 值 。
5、g=ming(1),g(2).g(m)， 然后执行第八步 ； 如不等于 m， 则将 i 值加 1 之后再去掉第 i 个 检测站点保留另外 m-1 个检测站点参与定位， 然后对参与定位的 TDOA、 测量噪声、 站点位置 计算更新， 计算完之后回到第二步 ； 第八步， 判断是否符合统计残差值 g 概率门限 的条件， 若成立， 则输出 g 对应的位 置解 ； 若不成立， 则继续判断 i 是否为 0， 若 i 为 0， 则将 i 值加 1 之后再去掉第 i 个站点保 留另外 m-1 个站点参与定位， 然后对参与定位的 TDOA、 测量噪声、 站点位置计算更新， 计算 完之后回到第二步 ； 若 i 不。
6、为 0， 则舍去定位解。 权 利 要 求 书 CN 103901397 A 2 1/6 页 3 复杂环境下场面多点定位位置解的取舍方法 技术领域 0001 本发明涉及民用航空领域中多点定位技术领域， 特别是一种复杂环境下场面多点 定位位置解的取舍方法。 背景技术 0002 基于到达时差 （TDOA） 定位原理的多点定位系统与传统一二次雷达相比具有定位 精度高、 成本低和安装容易等优点， 是国际民航组织 （ICAO） 提出的先进场面活动引导与控 制系统 （Advanced Surface Movement Guidance and Control Systems， A-SMGCS） 的核心 技术。
7、。 近年来， 随着航空流量和安全需求的快速增长， 该技术将会成为不久将来各繁忙机场 场面空管监视的首选方案。 0003 由于 chan 氏多点定位算法是一种求解双曲线方程组的闭式非递归算法， 该算法 采用两步加权最小二乘 （WLS） 估计， 无需先验位置信息， 计算量小， 在零均值高斯分布环境 下， 定位精度能达到克莱美罗界 (Cramer-Rao lower bound,CRLB)， 性能稳定， 从工程应用 角度来说适合于场面多点定位的解算。 然而， 在复杂的实际场面环境下， 要使多点定位监视 系统对场面有效目标的定位精度、 更新率、 覆盖率和误识别率等指标达到国际民航规范要 求， 该算法输。
8、出结果的适应性还面临如下挑战 ： 0004 第一个挑战， 由于定位解在计算前并没有目标在地面或者空中的先验信息， 因此 机场周边空中的飞机目标在进行二维解算输出时， 由于其本身 GDOP 很差 （即位于站点布局 外围） 以及算法模型不匹配等原因， 导致输出的定位解出现两种情况 ： 一、 在机场外围 （即非 监视区域） 形成定位误差很大的断续点迹 ； 二、 在场面形成虚假目标对空管监视造成严重干 扰。 0005 针对第一个挑战的第一种情况， 现有方法可以根据输出位置结果反算 GDOP， 通过 设置 GDOP 阈值对机场外围目标进行排除， 但这种单一的方法不能有效地解决形成虚假目 标的第二种情况。。
9、 0006 第二个挑战， 由于机场周边复杂的设施环境以及目标与目标、 目标与远端站点之 间错综复杂、 随时变化的位置关系， 难免造成目标与站点间视距遮挡从而形成较大误差的 TDOA 检测。此种情形下， chan 氏多点定位算法将会输出误差较大的定位位置解， 为多点定 位系统后端的目标关联与跟踪模块提供错误的输入信息， 从而形成目标航迹断裂、 目标航 迹误关联与误跟踪等严重监视干扰。 0007 针对第二个挑战， 现有相关文献提出通过比较 TDOA 残差来对受干扰的检测站点 进行识辨， 但是未考虑两个被比较的 TDOA 之间的相关性， 因此该模型存在着理论缺陷。另 外这种识辨方法仅停留在 “已知某。
10、一场面目标 TDOA 检测受到干扰” 的先验前提下， 但由于 在实际环境中并无目标在地面或空中的先验信息， 因此如果单纯用此种方法， 也很难将其 与实际的工程应用相结合。 发明内容 说 明 书 CN 103901397 A 3 2/6 页 4 0008 本发明的发明目的在于 ： 针对当前研究现状以及场面多点定位系统工程实施过程 中遇到的上述两种问题， 在完整的理论分析推导基础上， 提供一种复杂环境下场面多点定 位位置解的取舍方法。 0009 本发明采用的技术方案是这样的 ： 一种复杂环境下场面多点定位位置解的取舍方 法， 包括以下步骤 ： 0010 第一步， 输入 m 个检测站点的 TDOA、。
11、 测量噪声以及站点位置信息进行初始化， 设定 i=0 ； 0011 第二步， 利用 chan 氏多点定位算法依次计算出第一次位置估计随机向量样本 值和第二次估计随机向量样本值其中， 为目标第一次估计的水平位置样本值，为第一次估计目标到参与定位的 第 1 个站点的距离样本值 ；为目标第二次估计的水平位置样本值 ； 0012 第三步， 利用第二步的相关结果推导计算出两次位置估计残差的协方差矩阵 并利用第二步两次位置估计样本值计算两次位置估计残差样本 值 0013 第四步， 检测 i 是否为零， 如为零， 则执行第五步 ； 如不为零， 执行第六步、 第七步 ； 0014 第五步， 判断是否符合的条件。
12、， 如符合， 则舍去定位解 ； 如不符合， 则统计残差值然后执行第八步 ； 0015 第六步， 记录统计残差值 0016 第 七 步，判 断 i 是 否 等 于 m，如 等 于 m，则 寻 找 最 小 统 计 残 差 值 g=ming(1),g(2).g(m)， 然后执行第八步 ； 如不等于 m， 则将 i 值加 1 之后再去掉第 i 个 检测站点保留另外 m-1 个检测站点参与定位， 然后对参与定位的 TDOA、 测量噪声、 站点位置 计算更新， 计算完之后回到第二步 ； 0017 第八步， 判断是否符合统计残差值 g 概率门限 的条件， 若成立， 则输出 g 对应 的位置解 ； 若不成立，。
13、 则继续判断 i 是否为 0， 若 i 为 0， 则将 i 值加 1 之后再去掉第 i 个检 测站点保留另外 m-1 个检测站点参与定位， 然后对参与定位的 TDOA、 测量噪声、 站点位置计 算更新， 计算完之后回到第二步 ； 若 i 不为 0， 则舍去定位解。 0018 综上所述， 由于采用了上述技术方案， 本发明的有益效果是 ： 0019 1、 解决了背景技术中所描述的两个问题， 具备工程实现价值 ； 0020 2、 在分析计算两次chan氏多点定位算法位置估计残差样本d的随机特性时， 考 虑了 chan 氏多点定位算法两次位置估计值的相关性， 而现有的理论模型采用 TDOA 残差比 较。
14、是没有考虑两个比较 TDOA 相关性的， 相比之下， 本发明理论模型要更加完善与合理 ； 0021 3、 利用 chan 氏多点定位算法内部的一些已知变量经过简单运算就可在干扰检测 站点检测之前对目标的粗略位置进行较好的判断， 节省了很多计算量， 因此本发明在增加 说 明 书 CN 103901397 A 4 3/6 页 5 定位系统计算负担不明显且保证正常定位解有效输出的同时， 大大提高了系统的鲁棒性 ； 0022 4、 本发明在整个过程当中， 并不需要目标其他先验信息参与， 使得其工程应用更 加通用化和简单化。 附图说明 0023 图 1 是本发明所述方法的流程图。 具体实施方式 0024。
15、 下面结合附图， 对本发明作详细的说明。 0025 如图 1 所示， 一种复杂环境下场面多点定位位置解的取舍方法， 包括以下步骤 ： 0026 第一步， 输入 m 个检测站点的 TDOA、 测量噪声以及站点位置信息进行初始化， 设定 i=0。 0027 第二步， 利用 chan 氏多点定位算法依次计算出第一次位置估计随机向量样本值 和第二次位置估计随机向量样本值其中， 为目标第一次估计的水平位置样本值，为目标第一次估计位置到参与定 位的第 1 个站点的距离样本值 ；为目标第二次估计的水平位置样本值 ； 0028 第三步， 利用第二步的相关结果推导计算出两次位置估计残差的协方差矩阵 并利用第二步。
16、两次位置估计样本值计算两次位置估计残差样本 值 0029 第三步中利用第二步的相关结果推导计算两次位置估计残差的协方差矩阵 S(i) 的具体过程如下 ： 0030 假设 chan 氏多点定位算法第一次估计随机向量 r1(i)=x1(i),y1(i),d1(i)， 其 中， x1(i)、 y1(i) 为目标第一次估计随机位置， d1(i) 为目标到参与定位的第 1 个站点的随机 距离 ； 第二次估计随机向量 r2(i)=x2(i),y2(i)， 其中， x2(i)、 y2(i) 为目标第二次估计随 机位置 ； 检测站点个数为 m， 当第 i(i=0,1,2.m) 个检测站点不参与定位情况下 (i。
17、=0 表示 m 个检测站点全部参与定位 )， 参与定位远端接收基站平面坐标为 (Xj(i),Yj(i)， 其中 i=0 时 j=1,2.m ； i 0 时 j=1,2.m-1。 0031 由 chan 氏多点定位算法第二步估计结论可知 0032 R(i)=K(i)L(i) (1) 0033 其中待分析随机量 ： 0034 R(i)=(x2(i)-X1(i)2 (y2(i)-Y1(i)2T， 0035 0036 已知量 0037 K(i)=(PT-1(i)P)-1PT-1(i)， 说 明 书 CN 103901397 A 5 4/6 页 6 0038 P=10;01;11， 0039 (i)=4。
18、B (i)cov(r1(i)B T(i)， 0040 0041 上式中， cov(r1(i) 为第一步位置估计向量 r1(i) 的协方差， 具体求解方法 可参考 chan 氏多点定位算法 ； x0,y0为目标位置的真值，为目标到第一个远端站 点的距离真值， 由于实际上目标位置的真值未知， 故可用第一次估计随机向量样本值 来近似。 0042 为了便于分析 chan 氏多点定位算法第一次和第二次位置估计残差值的协方差， 令 x1(i)=x0+e1(i)， y1(i)=y0+e2(i)， d1(i)=d10+e3(i)， x2(i)=x0+ex(i)， y2(i)=y0+ey(i)， 式中 e1(i。
19、)、 e2(i)、 e3(i) 分别为第一次估计 r1(i) 三个分量的误差值， ex(i)、 ey(i) 分别为第二次 估计位置 r2(i) 的误差值， 则两次位置估计残差向量 0043 0044 在零均值 TDOA 噪声条件下， 位置误差 e1(i)、 e2(i)、 e3(i) 和 ex(i)、 ey(i) 均值都 为零， 因此两次位置估计残差向量均值 E d(i)=0。 0045 由于 （1） 式存在非线性项， 直接计算两次位置估计残差向量 d(i) 的协方差比较 困难， 因此采用扰动法计算， 忽略误差值平方项， 保留线性项， 由 （1） 式可得 0046 0047 （3） 式中 B (。
20、i)=diagx0-X1(i),y0-Y1(i)， 真值 x0,y0可用第二次估计样本值 近似。 0048 由 （3） 式可得 0049 0050 将 （2） 式代入 （4） 式可得 0051 B (i) dT(i)=(K(i)B (i)-B (i)e(i) (5) 0052 式中 B (i)=B (i)0， e(i)=e1(i) e2(i) e3(i)T， 则由上式可得 0053 dT(i)=(B -1(i)K(i)B (i)-C(i)e(i) (6) 说 明 书 CN 103901397 A 6 5/6 页 7 0054 式中， C(i)=B -1(i)B (i)=I 2 0， I2表示二。
21、阶单位方阵。 0055 令 D(i)=B -1(i)K(i)B (i)-C(i)， 则考虑两次位置估计的相关性情况下， 由 E d(i)=0 的条件可知两次位置估计残差向量 d(i) 的协方差矩阵为 0056 0057 在 TDOA 噪声一定的情况下， 由定义可知 cov(r1(i) 中两个方向的方差大小和随 着目标位置 GDOP 的增大而增大的， 所以可以通过协方差矩阵 S(i) 的大小来对场内和场外 目标进行大致区分。 0058 第四步， 检测 i 是否为零， 如为零， 则执行第五步 ； 如不为零， 执行第六步、 第七步 ； 0059 第五步， 判断是否符合的条件， 如符合， 则舍去定位解。
22、 ； 如不符合， 则统计残差值然后执行第八步 ； 0060 第六步， 记录统计残差值 0061 第 七 步，判 断 i 是 否 等 于 m，如 等 于 m，则 寻 找 最 小 统 计 残 差 值 g=ming(1),g(2).g(m)， 然后执行第八步 ； 如不等于 m， 则将 i 值加 1 之后再去掉第 i 个 检测站点保留另外 m-1 个检测站点参与定位， 然后对参与定位的 TDOA、 测量噪声、 站点位置 计算更新， 计算完之后回到第二步 ； 0062 第八步， 判断是否符合统计残差值 g 概率门限 的条件， 若成立， 则输出 g 对应 的位置解 ； 若不成立， 则继续判断 i 是否为 。
23、0， 若 i 为 0， 则将 i 值加 1 之后再去掉第 i 个检 测站点保留另外 m-1 个检测站点参与定位， 然后对参与定位的 TDOA、 测量噪声、 站点位置计 算更新， 计算完之后回到第二步 ； 若 i 不为 0， 则舍去定位解。 0063 本方法涉及到三个模块， 它们分别为 ： 目标粗略位置检测模块、 位置定位解输出模 块和干扰站点检测模块。 0064 上述方法中， 第二、 三、 四、 六、 七步均在干扰站点检测模块中完成， 第五步是在目 标粗略位置检测模块中完成， 第八步在位置定位解输出模块中完成。 0065 关于目标粗略位置检测模块 0066 在实际机场场面环境当中， 由于每个检。
24、测站点均可对几十公里甚至几百公里内的 目标进行检测， 因此在位置定位解算模块会有大量场外目标的 TDOA 灌入。如不及时进行分 辨清理， 由于其一般不满足定位输出条件， 导致后端的干扰站点检测模块长期满负荷执行， 大大降低中心站的运行效率， 轻者影响目标定位结果的实时性， 重者导致多点定位系统的 瘫痪。此目标粗略位置检测模块主要功能正是为了区分目标在场内 （即监视区域） 还是场外 （即非监视区域） 。 由前面分析可知 ： 在TDOA检测随机噪声稳定的情况下， 两次估计残差协方 差矩阵S随着目标所在位置GDOP值的增大而增大。 因此可以根据系统测量噪声大小和场面 站点布局， 设定一个位置距离标准。
25、差门限判断值 1， 当满足条件 时， 认为此组配对 TDOA 来自于场外某一目标， 由于不在监视区域， 可以舍弃当次定位解， 直 说 明 书 CN 103901397 A 7 6/6 页 8 接处理下一组配对 TDOA ； 否则认为配对 TDOA 来自于场面监视区域的某一个目标， 再检测当 次检测站点 TDOA 是否受到干扰， 以及当次统计残差值 g 是否小于概率门限 从而决定此 次位置解是否有效输出。 0067 由于该目标粗略位置检测模块功能主要是为了把大量源于离机场较远目标的 TDOA 从检测的 TDOA 配对组中分离开来， 同时为了不影响场内和机场周边较近位置目标的 监视功能， 门限判断。
26、值 1 可合理放大， 其具体取值可在系统计算效率与监视区域覆盖范 围之间进行折中处理。 0068 关于干扰站点检测子模块 0069 由于机场周边复杂的设施环境以及目标与目标、 目标与远端检测站点之间错综复 杂、 随时变化的位置关系， 难免造成目标与检测站点间视距遮挡从而形成较大误差的 TDOA 检测。如果不对其进行分离处理的话， 会给多点定位系统后端的目标关联与跟踪带来严重 干扰。本模块的主要功能就是对来自于场面的这种 TDOA 干扰检测进行识辨和分离， 为定位 系统后端提供稳定可靠的观测点迹数据。其主要原理为， 通过设置一定的概率门限 来检 测当次残差样本是否符合正常噪声情况下协方差为 S(。
27、0) 的二维正态分布。若残差 样本出现的概率满足一定门限， 则信任全部参与检测站点的 TDOA ； 否则， 认为检测站 点当中存在异常检测站点形成了大误差的 TDOA， 接下来把每个检测站点依次去掉留剩下的 m-1 个检测站点计算 m 次， 取统计残差值 g 最小的组合， 认为其对应去掉的检测站点存在大 误差 TDOA 检测干扰， 同时保留此组合的定位解， 根据最小统计残差值 g 是否小于概率门限 从而决定此次位置解是否有效输出。 0070 关于位置定位解输出模块 0071 该模块的主要功能是根据残差样本出现的概率是否大于事先预定好的概率 门限 从而输出或舍弃当次定位解。由于在实际环境当中会面。
28、临各种复杂不定的检测误 差因素， 由此也会给定位解、 残差样本以及其协方差矩阵 S(i) 的计算带进局部误差， 另一方面考虑到多点定位系统更多时候是要对一些较大误差的定位解进行检测和舍弃， 而 对正常波动范围或者较小误差的定位解通过后端跟踪模块处理是具备一定容忍性的， 因此 在给定的概率门限 基础上， 应适当扩大门限范围， 以满足定位更新率的需求， 同时能够 拦截定位误差较大的定位测量值。当全部检测站点经干扰站点检测模块检测为正常后， 直 接输出当次定位解 ； 否则去掉受干扰的某一检测站点， 判定剩余检测站点解算时候残差样 本的出现概率是否满足概率门限 ， 如满足， 则输出去掉干扰检测站点后剩余检测 站点组合解算的定位解， 如不满足， 认为原始检测站点当中有可能存在多个检测站点受到 检测干扰， 由于定位情况将会异常复杂， 直接舍弃当次定位解。 0072 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 103901397 A 8 1/1 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103901397 A 9 。