传感器网络信号稳健被动定位关键技术研究

To meet the urgent needs of robust passive multiple source localization based on wireless sensor networks under the complex electromagnetic environment of shadow fading effect and co-frequency aliasing interference, using the test data from the outdoor passive source localization test system under the typical urban environments, this project will bulid the localization model under wirless sensor networks which can vivid simulate the complex features of real wieless channel.Based on the localization model, in the “Localization Information Association Phase”, we will research the key technologies including the association metrics estimation method for Range Ratios of Arrival (RROA) under the shadow fading effect environment and the association metrics estimation method for Time Differences of Arrival (TDOA) under the co-frequency aliasing interference environment. In the “Metric-Fusion Localization Phase”, we will research the key technologies including the hybrid closed-form solution algorithm based on TDOA and RROA to jointly estimate the unknown sources and adjust erroneous sensor positions, and the bias reduction method for passive multiple sources localization based on TDOA and RROA. Using the wireless sensor network with the aperture of 400 meters, when the received SNR is larger than 5dB, the received SIR is larger than 0dB and the error power of sensor positions is larger than 100 square meters, we can localize multiple disjoint targets with the RMSE of less than 4 meters and bias of less than 2 meters, and we also can reduce the error power of sensor positions to less than 9 square meters.

本课题从阴影慢衰落效应与同频混叠干扰等复杂电磁环境传感器网络高可靠多目标联合被动定位的迫切需求出发，以前期典型城市环境下室外试验验证系统被动定位测试数据为基础，构建可真实模拟实际信道复杂特性的传感器网络定位模型；在“定位信息关联过程”，进行阴影慢衰落效应下信号到达距离比RROA定位关联矩阵估计方法、同频混叠干扰情况下信号到达距离差TDOA定位关联矩阵估计方法等关键技术研究；在“关联矩阵融合定位过程”，进行基于TDOA与RROA的多目标被动定位与传感器阵列节点位置误差联合校准算法、基于TDOA与RROA的多目标被动定位代数闭式解偏差消除算法等关键技术研究。拟在现有400米传感器网络阵列，当节点接收平均信噪比大于5dB、信干比大于5dB、传感器节点位置误差方差大于100平米时，平均被动定位均方误差小于10米，定位偏差小于6米，节点位置误差方差校准到小于16平米。

随着信息技术、通信技术和无线电业务的迅速发展，基于无线传感器网络的信号被动定位技术已成为国内外专家学者重要研究方向。本课研究内容以复杂电磁环境下传感器网络被动定位场景模型构建为基础，针对“定位信息关联过程”与“矩阵融合定位过程”所涉及关键技术进行了相关理论研究与技术突破。首先，针对信号被动定位的先决条件，首先在复杂电磁频谱环境下实现了功率谱密度较低的微弱信号感知检测，即判断了被定位微弱信号的有无；其次，在阴影慢衰落效应与同频混叠干扰等复杂电磁环境下，以前期典型城市等复杂电磁环境下室外试验验证系统被动定位测试数据为基础，构建了可真实模拟实际信道复杂特性的无线传输模型；然后，在“定位信息关联过程”，完成了阴影慢衰落效应复杂条件下信号到达距离比RROA定位关联矩阵估计方法、同频混叠干扰情况下信号到达距离差TDOA定位关联矩阵估计方法等关键技术研究；在“关联矩阵融合定位过程”，完成了基于TDOA或TDOA与AOA结合的信号源被动定位节点优选方法研究，同时完成了基于TDOA与RROA的多目标被动定位与传感器阵列节点位置误差联合校准算法、基于TDOA与RROA的多目标被动定位代数闭式解偏差消除算法、基于TDOA与AOA的多目标被动定位代数闭式解偏差消除算法等关键技术研究；最后，以电子侦察应用中的敌方雷达对抗定位为应用需求，研究了一种基于单架小型飞行器的敌方雷达信号参数估计与精确被动定位新算法，是一种全新的定位体制，仿真证明具有良好的定位精度。从研究成果看，本课题参研人员共在 SCI、 EI、 ISTP 检索源及国内外重要期刊、会议上发表相关学术论文 14 篇，申请国家发明专利 4 项，其中获得授权1项；组织出国参加国际重要学术会议和交流活动3 人次；培养博士研究生 1 名，硕士研究生 6名。顺利完成课题计划书所有要求任务。