中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院智能仿生研究中心徐升研究團(tuán)隊(duì)在基于分布式 TOA 多傳感器系統(tǒng)的三維目標(biāo)定位方法研究中取得進(jìn)展。相應(yīng)研究成果為“Xu S, Ou YS, Wu XY. Optimal sensor placement for 3-D time-of-arrival target localization [J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2019, 67(19): 5018-5031(三維目標(biāo)定位中的分布式信號(hào)傳輸時(shí)間傳感器最優(yōu)分布策略研究)”。

在目標(biāo)精確定位研究領(lǐng)域，如何采用分布式多傳感器系統(tǒng)精確定位靜態(tài)目標(biāo)是一個(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題。該研究圍繞此問(wèn)題，對(duì)如何分布多個(gè)信號(hào)接收時(shí)間(Time-of-arrival，TOA)傳感器位置來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度定位單個(gè)靜態(tài)目標(biāo)的問(wèn)題展開研究。其中，TOA 傳感器可由多個(gè)無(wú)人機(jī)、無(wú)人艇等移動(dòng)平臺(tái)搭載，而靜態(tài)目標(biāo)可以是敵對(duì)雷達(dá)站、被困人員、水下信標(biāo)等。因此，所提出方法應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了軍事打擊、水下探索、民用搜救等。

該研究首先采用 MATLAB 軟件結(jié)合基于梯度下降法編寫程序，將多個(gè)傳感器任意分散到三維空間中，并將目標(biāo)位置設(shè)置在坐標(biāo)原點(diǎn)。然后解算各個(gè)傳感器與目標(biāo)之間的真實(shí)幾何相對(duì)關(guān)系。接著，以克拉美羅下界的跡(tr(CRLB))為梯度法中的代價(jià)函數(shù)，自動(dòng)解算多個(gè)傳感器如何移動(dòng)可以使得代價(jià)函數(shù)減小，并收斂到全局最小位置。最后，將獲得的最優(yōu)傳感器分布與理論值相對(duì)比，以驗(yàn)證所提出方法的優(yōu)越性。此外，該研究還采用了實(shí)際估計(jì)策略進(jìn)行驗(yàn)證，將多個(gè)傳感器按照不同的幾何分布排布在不同的具體位置上，確定仿真中的具體量測(cè)噪聲方差，使用了最大似然估計(jì)算法，并采用了蒙特卡洛隨機(jī)進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，從而驗(yàn)證所提出理論的有效性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，極大似然估計(jì)在實(shí)際估計(jì)問(wèn)題中所求得最優(yōu)分布下的均方誤差與理論推導(dǎo)的結(jié)果基本一致。實(shí)驗(yàn)示例中，按照所提方法排布 N 個(gè)量測(cè)方差噪聲為 σ2的 TOA 傳感器，目標(biāo)估計(jì)的最小均方差可以達(dá)到 9σ2/(4N)，與文中首次提出的最佳精度理論的相關(guān)結(jié)論一致。

所提出的方法可以快速評(píng)估 TOA 三維目標(biāo)定位策略的最佳可達(dá)精度，并提供改善估計(jì)精度的傳感器分布策略。該方法可應(yīng)用于軍事偵察，包括敵方雷達(dá)站、艦船、潛艇等目標(biāo)的精確定位，也可用于無(wú)人機(jī)搜救、海上信標(biāo)搜索、以及地下礦物探查等民用領(lǐng)域。

采用 3 個(gè) TOA 傳感器時(shí)最佳幾何分布示例(含俯視圖）