[發(fā)明專利]一種非直達(dá)波環(huán)境下GSM-R干擾源定位算法評(píng)價(jià)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610131281.3
• 申請(qǐng)日: 2016-03-08
• 公開（公告）號(hào): CN105792352B
• 公開（公告）日: 2018-12-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張俊輝;吳保德;張洪巖;黃際彥
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國鐵建電氣化局集團(tuán)北方工程有限公司;電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W64/00
• 分類號(hào): H04W64/00
• 代理公司: 成都點(diǎn)睛專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51232
• 代理人: 葛啟函

1.一種非直達(dá)波環(huán)境下GSM-R干擾源定位算法評(píng)價(jià)方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：通過定位系統(tǒng)接收到的n個(gè)TOA和n個(gè)AOA測(cè)量值，構(gòu)建非直達(dá)波環(huán)境下TOA/AOA定位算法的CRLB下限計(jì)算模型；具體為：

在一個(gè)基于TOA/AOA的GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾源混合定位系統(tǒng)中，假設(shè)GSM-R網(wǎng)絡(luò)中含有n個(gè)移動(dòng)站，其中第i個(gè)移動(dòng)站的位置坐標(biāo)為(x_i,y_i),i＝1,2,...,n，待定位的干擾源位置坐標(biāo)為(x,y)；首先，定義未知參數(shù)矢量為：

Z＝[x y]^T

干擾源到第i個(gè)移動(dòng)站的距離測(cè)量值r_i和弧度測(cè)量值θ_i為：

其中d_i和為干擾源到第i個(gè)移動(dòng)站的真實(shí)距離值和弧度值，n_ri和n_θi分別為直達(dá)波環(huán)境下的距離測(cè)量值和弧度測(cè)量值的測(cè)量噪聲，服從零均值的高斯分布方差為和b_ri為距離測(cè)量值的非直達(dá)波誤差，b_θi為弧度測(cè)量值的非直達(dá)波測(cè)量誤差；距離測(cè)量值和弧度測(cè)量值的殘差可表示為v_ri＝n_ri+b_ri和v_θi＝n_θi+b_θi；GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾源定位系統(tǒng)中直達(dá)波環(huán)境下的測(cè)量噪聲n_ri和n_θi與非直達(dá)波環(huán)境下的非直達(dá)波誤差b_ri和b_θi相互獨(dú)立；

CRLB定義為新息矩陣J的逆，即：

新息矩陣J定義為：

其中m＝[r^T θ^T]為距離和弧度測(cè)量值矢量，f(m；Z)為GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾源TOA/AOA定位系統(tǒng)的距離測(cè)量值和弧度測(cè)量值的聯(lián)合概率密度函數(shù)；

因?yàn)閒(m；Z)＝f(m|Z)f(Z)，則由新息矩陣J的定義可得：

其中f(m|Z)為GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾源TOA/AOA定位系統(tǒng)中的距離測(cè)量值和弧度測(cè)量值的聯(lián)合條件概率密度函數(shù)，因?yàn)榫嚯x測(cè)量值r_i和弧度測(cè)量值θ_i相互獨(dú)立，可得：

對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)并對(duì)未知參數(shù)矢量Z求偏導(dǎo)數(shù)可得：

將上式帶入到新息矩陣J中，并將求得的新息矩陣J帶入到中可得非直達(dá)波環(huán)境下GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾源TOA/AOA定位算法定位性能的評(píng)價(jià)方法CRLB下限的計(jì)算值；

步驟2：建立基于非參數(shù)核方法的非直達(dá)波誤差分布模型，并由此模型推導(dǎo)出距離測(cè)量值和弧度測(cè)量值的非直達(dá)波誤差概率密度函數(shù)，再結(jié)合直達(dá)波測(cè)量誤差的概率密度函數(shù)求得非直達(dá)波環(huán)境下GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾源TOA/AOA定位系統(tǒng)中距離測(cè)量值和弧度測(cè)量值的條件概率密度函數(shù)；具體為：

為求取CRLB下限需要對(duì)非直達(dá)波誤差進(jìn)行建模，采用基于電波傳播幾何特性的非直達(dá)波定位算法所采用的建模方法，將非直達(dá)波誤差建模為相互獨(dú)立的服從某種分布的隨機(jī)誤差，具體為：首先建立基于非參數(shù)核方法的非直達(dá)波誤差分布模型，該模型可適應(yīng)于任意分布，基于此模型推導(dǎo)出非直達(dá)波誤差概率密度函數(shù)，并結(jié)合直達(dá)波誤差概率密度函數(shù)求出非直達(dá)波環(huán)境下GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾源TOA/AOA定位系統(tǒng)中距離測(cè)量值和弧度測(cè)量值的條件概率密度函數(shù)；

利用非參數(shù)核方法，非直達(dá)波誤差概率密度函數(shù)模型可構(gòu)造為如下形式：

其中exp(·)為高斯核函數(shù)，h為核函數(shù)窗口，M為樣本的數(shù)目，為非直達(dá)波誤差的樣本點(diǎn)，可由外場(chǎng)測(cè)試或信道模型得到；非參數(shù)核方法可以對(duì)任意分布的概率密度函數(shù)進(jìn)行建模，理論證明當(dāng)樣本點(diǎn)足夠多時(shí)，非參數(shù)核方法擬合的概率密度函數(shù)可以逼近真實(shí)的概率密度函數(shù)；

假設(shè)干擾源到第i個(gè)移動(dòng)站傳播信道中的距離和弧度非直達(dá)波誤差觀測(cè)值分別為{Sb_ri1 … Sb_riP}和{Sb_θi1 … Sb_θiP}，則根據(jù)非參數(shù)核方法構(gòu)造的非直達(dá)波誤差概率密度函數(shù)模型可得距離測(cè)量值和弧度測(cè)量值的非直達(dá)波誤差概率密度函數(shù)的近似值表達(dá)形式為：

直達(dá)波環(huán)境下的距離和弧度測(cè)量誤差的概率密度函數(shù)為：

根據(jù)距離和弧度的非直達(dá)波誤差概率密度函數(shù)和直達(dá)波環(huán)境下的距離和弧度測(cè)量誤差的概率密度函數(shù)可得距離測(cè)量值殘差v_ri和弧度測(cè)量值殘差v_θi的條件概率密度函數(shù)為：

因?yàn)関_ri＝r_i-d_i和因此距離測(cè)量值r_i和弧度測(cè)量值θ_i的條件概率密度函數(shù)為：

步驟3：將步驟2中求得的距離測(cè)量值和弧度測(cè)量值的條件概率密度函數(shù)帶入步驟1中的非直達(dá)波環(huán)境下TOA/AOA定位算法的CRLB的計(jì)算模型中，求得非直達(dá)波環(huán)境下GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾源TOA/AOA定位算法的CRLB下限，其求解過程為：

將距離測(cè)量值r_i和弧度測(cè)量值θ_i的條件概率密度函數(shù)代入到中可得：

其中g(shù)(v_ri|Z)和g(v_θi|Z)為距離測(cè)量值殘差v_ri和弧度測(cè)量值殘差v_θi的條件概率密度函數(shù)f(v_ri|Z)和f(v_θi|Z)對(duì)未知參數(shù)矢量Z的偏導(dǎo)數(shù)，如下所示：

將帶入到新息矩陣J中，并由鏈?zhǔn)椒▌t，可得最終新息矩陣J的計(jì)算公式為：

其中Q_r和Q_θ的表示形式如下所示：

Q_r＝diag{[A_r1 … A_rn]}

Q_θ＝diag{[A_θ1 … A_θn]}

其中和

由新息矩陣J和CRLB下限的定義可得非直達(dá)波環(huán)境下未考慮移動(dòng)站位置誤差的GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾源TOA/AOA定位算法的CRLB下限為：

步驟4：考慮移動(dòng)站可能存在位置誤差的情況，將移動(dòng)站位置誤差的概率密度函數(shù)帶入到步驟1中的非直達(dá)波環(huán)境下TOA/AOA定位算法的CRLB的計(jì)算模型中，并結(jié)合步驟3求取非直達(dá)波環(huán)境下考慮移動(dòng)站位置誤差的GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾源TOA/AOA定位算法的CRLB下限，求解過程為：

因?yàn)橐苿?dòng)站位置坐標(biāo)存在位置誤差，因此需要重新定義未知參數(shù)矢量：

Z＝[x y x₁ … x_n y₁ … y_n]^T

對(duì)帶位置誤差的移動(dòng)站位置坐標(biāo)進(jìn)行建模：

其中和是移動(dòng)站的真實(shí)坐標(biāo)值，n_xi和n_yi是位置誤差相互獨(dú)立且服從零均值方差為和的高斯分布，因此可得移動(dòng)站位置誤差的概率密度函數(shù)為：

由上式可得和為：

由和可得：

其中Q_Z＝diag{[Q_x Q_y]}，

因此由距離測(cè)量值r_i和弧度測(cè)量值θ_i的條件概率密度函數(shù)和Z＝[x y x₁ … x_n y₁ …y_n]^T以及新息矩陣J的定義可得考慮移動(dòng)站帶位置誤差情況的新息矩陣J′：

其中

由可得非直達(dá)波環(huán)境下考慮移動(dòng)站位置誤差的GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾源TOA/AOA定位算法的CRLB下限為：