无源定位——存在站址误差的DOA定位CRLB

供稿:hz-xin.com     日期:2025-01-18
在无源定位技术中,DOA定位(Direction of Arrival)是关键环节,它能够估计目标到达观测站的方位角和仰角。在进行DOA定位时,观测模型是构建在理想条件下,即观测站坐标和目标位置已知且无误差。然而,实际操作中观测站可能存在位置误差,这对DOA定位的精度有着直接影响。

首先,基于n个观测站进行定位,假设第i个观测站的坐标向量表示为xi,目标的位置向量为θ。方位角和仰角可通过以下公式表示:

θi = arctan(xi2/xi1) (方位角)

θi = arctan(sqrt(xi1^2 + xi2^2)/xi3) (仰角)

其中,θi分别表示目标到达第i个观测站的方位角和仰角的真实值。由于实际测量总会存在噪声,我们将得到带有测量噪声的值。基于此,构建观测模型如下:

θi = θi + εi (方位角)

θi = θi + εi (仰角)

其中εi为噪声向量,其均值为0,协方差矩阵为σi^2。因此,DOA观测向量为:

θ = [θ1, θ2, ..., θn]

其协方差矩阵为Σ。

实际中,观测站可能处于运动状态,导致观测站位置出现误差。将位置误差建模为δi,实际观测站位置表示为xi + δi,则所有观测站位置向量组合为:

θ = [θ1 + δ1, θ2 + δ2, ..., θn + δn]

其协方差矩阵为Δ。

在存在站址误差的环境下,定位的不确定性将增加。此时,未知向量为θ,测量向量为角度测量值yi。对数似然函数表示为:

Fisher信息矩阵表示为:

其中,Fisher信息矩阵的逆提供了Cramer-Rao Lower Bound (CRLB),它是估计量误差的下界。在存在站址误差的DOA定位中,CRLB表示为:

其中,σθ^2表示目标定位的CRLB,σy^2表示观测定位的CRLB。

为了验证理论分析的正确性,可以通过MATLAB进行仿真,模拟不同条件下(如不同噪声水平、不同站址误差)的DOA定位性能,并与理论CRLB进行对比,以评估定位算法的精度。