TDOA/FDOA 복합 위치추정 시스템에서 FDOA 측정 정확도에 따른 추정 성능 기여도 분석

김동규(Dong-Gyu Kim),김용희(Yong-Hee Kim),한진우(Jin-Woo Han),송규하(Kyu-Ha Song),김형남(Hyoung-Nam Kim) 대한전자공학회 2014 전자공학회논문지 Vol.51 No.5

현대 전자전 지원 시스템에서는 TDOA (time difference of arrival)나 FDOA (frequency difference of arrival)와 같은 비도래각 정보를 이용하여 미상 신호원의 위치를 추정하는 정밀 위치추정 기법의 필요성이 높아지고 있다. 기존의 단일 TDOA 기반 기법에 관한 연구는 위치추정 알고리즘뿐만 아니라 측정 정확도 향상에 대해 다양한 진척이 이루어졌으며, 최근에는 TDOA와 FDOA 정보를 동시에 사용하여 적은 수신단 수로 보다 많은 정보를 획득할 수 있고 신호원의 속도 추정이 가능한 복합 위치추정 시스템에 관한 연구가 수행되고 있다. 이러한 과정에서 TDOA/FDOA 복합 위치추정 시스템이 기존 단일 TDOA 시스템을 대체할 수 있는 추정 성능을 갖기 위해 요구되는 FDOA 측정 정확도와 성능분석 과정이 필요하다. 본 논문에서는 CRLB (Cramer-Lao lower bound)의 분석을 통해 TDOA/FDOA 위치추정 시스템이 단일 TDOA 위치추정 시스템에 비해 향상된 추정 정확도를 갖기 위해 요구되는 FDOA 측정 정확도의 기준과 이에 따른 기여도를 분석하고, Gauss-Newton 알고리즘을 이용하여 분석 결과를 검증한다. In modern electronic warfare systems, the necessity of a more accurate estimation method based on non-AOA (arrival of angle) measurement, such as TDOA and FDOA, have been increased. The previous researches using single TDOA have been carried out in terms of not only the development of emitter location algorithms but also the enhancement of measurement accuracy. Recently, however, the combined TDOA/FDOA method is of considerable interest because it is able to estimate the velocity vector of a moving emitter and acquire a pair of TDOA and FDOA measurements from a single sensor pair. In this circumstance, it is needed to derive the required FDOA measurement accuracy in order that the TDOA/FDOA combined localization system outperforms the previous single TDOA localization systems. Therefore, we analyze the contribution of FDOA measurement accuracy to emitter location, then propose the criterion based on CRLB (Cramer-Rao lower bound). Simulations are included to examine the validity of the proposed criterion by using the Gauss-Newton algorithm.

VHF 대역 통신 신호에서 TDOA/FDOA 정보 추출을 위한 순차 추정 알고리즘

김동규(Dong-Gyu Kim),김용희(Yong-Hee Kim),박진오(Jin-Oh Park),이문석(Moon Seok Lee),박영미(Young-Mi Park),김형남(Hyoung-Nam Kim) 대한전자공학회 2014 전자공학회논문지 Vol.51 No.7

최근 전자전 지원 시스템 분야에서는 TDOA(time difference of arrival)와 FDOA(frequency difference of arrival) 정보를 활용한 고 정밀 위치 추정 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. TDOA/FDOA 위치 추정 시스템은 TDOA와 FDOA 정보를 추출하는 단계와 추출한 정보로부터 신호원의 위치를 추정하는 두 단계로 나뉘며, 정보 추출 단계에서 보편적으로 사용하는 알고리즘으로 CAF(complex ambiguity function) 기반 방법이 알려져 있다. 하지만 기존의 CAF 기반 알고리즘은 VHF대역의 통신 신호로부터 TDOA 및 FDOA 정보를 추출하는 경우, 많은 연산량으로 인해 제한된 시간에 처리하기 어려운 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 통신 신호 기반 TDOA/FDOA 정보 추출을 연산량 측면에서 효율적으로 수행하기 위해 개선된 CAF 기반 순차 추정 알고리즘을 제안하고, 기존 CAF기반 알고리즘과 연산량을 비교 분석한다. 또한 제안한 알고리즘의 추출 성능을 검증하기 위해 CRLB(Cramer-Lao lower bound)를 이용해 유도된 이론적 한계 성능과 비교 분석한다. In modern electronic warfare systems, a demand on the more accurate estimation method based on TDOA and FDOA has been increased. TDOA/FDOA localization consists of two-stage procedures; the extraction of information from signals, and the estimation of emitter location. CAF(complex ambiguity function) is known as a basic method in the extraction stage. However, when we extract TDOA and FDOA information from VHF(very high frequency) communication signals, conventional CAF algorithms may not work within a permitted time because of much computation. Therefore, in this paper, an improved sequential estimation algorithm based on CAF is proposed for effective calculation of extracting TDOA and FDOA estimates in terms of computational complexity. The proposed method is compared with the conventional CAF-based algorithms through simulation. In addition, we derive the optimal performance based on the CRLB(Cramer-Lao lower bound) to check the extraction performance of the proposed method.

통신 신호에서 TDOA/FDOA 정보 추출을 위한 2-단계 전역 최적화 알고리즘

김동규(Dong-Gyu Kim),박진오(Jin-Oh Park),이문석(Moon Seok Lee),박영미(Young-Mi Park),김형남(Hyoung-Nam Kim) 대한전자공학회 2015 전자공학회논문지 Vol.52 No.4

TDOA (time difference of arrival)와 FDOA (frequency difference of arrival) 정보를 활용한 고 정밀 위치 추정 방법에 대한 연구는 최근 전자전 시스템 분야의 핵심 주제이다. TDOA/FDOA 위치 추정 시스템은 TDOA와 FDOA 정보를 추출하는 단계와 추출한 정보로부터 신호원의 위치를 추정하는 두 단계로 나뉘며, 정보 추출 단계에서 CAF (complex ambiguity function) 기반의 다양한 알고리즘이 제안되었다. 미상 신호원과 수신단간의 이격이 수백km인 전자전 지원 시스템 환경에서 기존의 CAF 기반 알고리즘을 사용하여 통신 신호로부터 TDOA 및 FDOA 정보를 추출하는 경우, 고 정밀 위치 추정을 위해서는 수신단에서 장시간의 수집시간이 요구된다. 이러한 수집시간의 증가는 신호처리를 위해 수신단으로부터 중앙처리장치로 데이터를 전송하는 데 소요되는 시간을 수용할 수 없을 만큼 늘어나게 할뿐만 아니라, 데이터량의 증가로 인한 연산량의 증가까지 야기하게 된다. 따라서 본 논문에서는 전자전 환경에서 통신 신호 기반 TDOA/FDOA 정보의 정밀 추정에 요구되는 수집시간을 CRLB (Cramer-Lao lower bound)를 이용하여 이론적으로 분석하고, 고 정밀 추정을 위해 장 시간동안 수집된 대용량의 데이터를 이용하였을 때, 기존의 알고리즘과 정확도는 유사하면서 전송시간 및 연산량을 최소화하는 2-단계 전역 최적화 알고리즘을 제안한다. 또한 제안한 알고리즘을 기존 CAF 기반 알고리즘과 연산량을 비교 분석하고, CRLB를 통해 유도된 한계 성능과 비교 분석하여 알고리즘의 성능을 검증한다. In modern electronic warfare systems, a demand on the more accurate estimation method based on TDOA and FDOA has been increased. TDOA/FDOA localization consists of two-stage procedures: the extraction of information from signals and the estimation of emitter location. Various algorithms based on CAF(complex ambiguity function), which is known as a basic method, has been presented in the area of extractions. When we extract TDOA and FDOA information using a conventional method based on the CAF algorithm from communication signals, considerably long integration time is required for the accurate position estimation of an unknown emitter far from sensors more than 300 km. Such long integration time yields huge amount of transmission data from sensors to a central processing unit, resulting in heavy computiational complexity. Therefore, we theoretically analyze the integration time for TDOA/FDOA information using CRLB and propose a two-stage global optimization algorithm which can minimize the transmission time and a computational complexity. The proposed method is compared with the conventional CAF-based algorithms in terms of a computational complexity and the CRLB to verify the estimation performance.

UWB 시스템에서의 MHP 펄스를 이용한ToA와 TDoA의 Hybrid 방식

황대근,황재호,김재명 한국ITS학회 2011 한국ITS학회논문지 Vol.10 No.1

현재 목표기기(target node)의 위치를 측정하는 기술 중에 가장 정확도가 높다고 평가되는 방법은 ToA(Time of Arrival) 거리 측정(Ranging) 기술과 TDoA(Time Difference of Arrival) 거리 측정 기술을 이용한 위치 측정 방법이다. ToA와 TDoA는 시간을 기반으로 하는 거리 측정 기술이기 때문에 여러 개의 참조기기(Reference node)와 목표기기 사이의 시간 동기화와 오프셋이 중요시 된다. 참조기기와 목표기기 사이의 시간 동기화가 정확하게 이루어지지 않거나 참조기기 간 시간 오프셋이 발생할 경우 정확한 시점에서 신호를 검출할 수 없게 되어 거리오차가 발생하게 되고, 이러한 거리오차를 일반적인 위치 측정 알고리즘에 적용하게 되면 목표 기기의 정확한 위치를 측정할 수 없다. 따라서 본 논문에서는 참조기기와 목표기기 사이에 시간 동기화가 맞지 않을 경우와 참조기기와 참조기기 사이의 시간 오프셋이 발생할 경우에 위치 측정의 오차를 줄이는 ToA와 TDoA의 Hybrid 방식을 제안한다. 각각의 펄스가 직교성을 갖는 특징을 지닌 MHP(Modified Hermite Polynomial) 펄스를 이용하여 참조기기들이 각기 다른 MHP 펄스를 송수신하도록 하고 이를 통해 한 번의 MHP 펄스 송수신만으로 TDoA와 ToA 두 가지 방법을 모두 이용하여 각각의 거리를 측정하고 위치 계산을 할 수 있도록 한다. Hybrid 방식은 TDoA와 ToA 방법을 이용한 거리 측정을 반복적인 계산을 통해 실제 거리 오차가 적은 방법을 선택하여 목표기기의 위치를 좀 더 정확하게 측정할 수 있음을 시뮬레이션을 통해 보였다. Recently, ToA and TDoA estimation are favorable among all of estimation techniques because they have the best accuracy in estimating position. ToA and TDoA estimation are typical techniques based on time. So, it is important to have the time syncronization and offset between a target node and several reference nodes. If they don't have the time syncronization between a reference node and target node or have a time offset among reference nodes, the positioning error will increase due to the ranging error. The conventional positioning algorithm does not have a accurate device's position because ranging error is added the calc dation of the position. In this paper, we propose a hybrid method of ToA and TDoA ll increase due. We use MHP pulse that has orthogonal pulse instead of the existing pulse to transmit and receive pulses between a target node and reference nodes. We can estimate the target node's position by ToA and TDoA estimation to transmit and receive MHP pulses only once. When the proposed Hybrid method iteratively calculate the distance, we can select the ranging technique to have more accurate position. The simulation results confirm the enhancement of the Hybrid method.

TDoA 확률화 이미지를 활용한 딥러닝 기반 타겟 추적 모델

이성호,심재웅 한국통신학회 2023 韓國通信學會論文誌 Vol.48 No.7

UWB(Ultra Wide Band)기반 실내 측위 방식 중 TDoA(Time Difference of Arrival)를 활용한 방식은 범용적으로 사용되는 방식이지만, AWGN(Additive White Gaussian Noise)이 많은 환경일 때 위치 추적 성능이 현저히 떨어진다. TDoA의 AWGN을 제거하는 방법이 많이 연구되어 왔지만 해당 방식은 별도의 측위 방법을 또 필요로하며 다양한 환경에 대한 강건성(Robustness)이 부족하다. 본 논문에서는 AWGN이 포함된 TDoA를 그대로 사용해 물체의 위치를 강건하게 추정하는 ‘TDoA probabilistic image based target tracking(TPITT)’ 방법을 제안한다. TPITT는 TDoA를 통해 각 영역에 물체가 존재할 확률을 이미지화하고, 'Convolution-LSTM' 모델을 통해 물체의좌표를 추정한다. 실험을 통해 제안하는 방법이 다양한 환경에서 강건하고 낮은 예측 오차를 보임을 입증하였다. 특히, AWGN이 많은 환경에서 사전 연구 ‘TDoA image based target tracking(TITT)’에 비해 제안 방법이 더 효과적임을 확인하였다.

Analysis of TDOA and TDOA/SS Based Geolocation Techniques in a Non-Line-of-Sight Environment

Jiyan Huang,Qun Wan 한국통신학회 2012 Journal of communications and networks Vol.14 No.5

The performance analysis of wireless geolocation in a non-line-of-sight (NLOS) environment is a very important issue. Since Cramer-Rao lower bound (CRLB) determines the physical impossibility of the variance of an unbiased estimator being less than the bound, many studies presented the performance analysis in terms of CRLB. Several CRLBs for time-of-arrival (TOA),pseudo-range TOA, angle-of-arrival (AOA), and signal strength (SS) based positioning methods have been derived for NLOS environment. However, the performance analysis of time difference of arrival (TDOA) and TDOA/SS based geolocation techniques in a NLOS environment is still an opening issue. This paper derives the CRLBs of TDOA and TDOA/SS based positioning methods for NLOS environment. In addition, theoretical analysis proves that the derived CRLB for TDOA is the same as that of pseudo-range TOA and the TDOA/SS scheme has a lower CRLB than the TDOA (or SS) scheme.

Analysis of TDOA and TDOA/SS Based Geolocation Techniques in a Non-Line-of-Sight Environment

Huang, Jiyan,Wan, Qun The Korea Institute of Information and Commucation 2012 Journal of communications and networks Vol.14 No.5

The performance analysis of wireless geolocation in a non-line-of-sight (NLOS) environment is a very important issue. Since Cramer-Rao lower bound (CRLB) determines the physical impossibility of the variance of an unbiased estimator being less than the bound, many studies presented the performance analysis in terms of CRLB. Several CRLBs for time-of-arrival (TOA), pseudo-range TOA, angle-of-arrival (AOA), and signal strength (SS) based positioning methods have been derived for NLOS environment. However, the performance analysis of time difference of arrival (TDOA) and TDOA/SS based geolocation techniques in a NLOS environment is still an opening issue. This paper derives the CRLBs of TDOA and TDOA/SS based positioning methods for NLOS environment. In addition, theoretical analysis proves that the derived CRLB for TDOA is the same as that of pseudo-range TOA and the TDOA/SS scheme has a lower CRLB than the TDOA (or SS) scheme.

고속 이동체 위치추정을 위한 TDOA/FDOA 결합 알고리즘

조태호,박종환,황석승 한국지능시스템학회 2023 한국지능시스템학회논문지 Vol.33 No.6

미사일이나 전투기와 같이 고속으로 이동하는 물체의 정확한 위치를 파악하는 것은 항공 우주 및 국방 분야에서 매우 중요한 문제이다. 이동체의 위치를 추정하기 위한 대표적인 기술로 TDOA(Time Difference of Arrival)와 FDOA(Frequency Difference of Arrival)가 있는데, 이동체가 저속으로 움직이는 일반적인 경우 우수한 추정성능을 보장하지만, 고속으로 움직이는 경우 기존의 TDOA 또는 FDOA 단일 기술로는 심각한 추정성능 열화가 나타날 수있다. 이러한 문제를 개선하기 위해, 본 논문은 기존 TDOA와 FDOA 기술을 결합하여 기존기술의 단점을 상호 보완한 고속 이동체 위치추정에 특화된 위치추정 알고리즘을 제안한다. 제안된 알고리즘은 TDOA를 사용하여 이동체의 초기 위치를 추정하고, 추정된 초기 위치를입력값으로 FDOA를 사용하여 고속으로 이동중인 이동체의 속도와 방향을 추정하여 이동경로를 예측한다. 제안된 알고리즘의 성능은 다양한 시나리오를 고려한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 확인된다. Determining the accurate location of the high-speed moving object such as amissile or fighter jet is a very important problem in fields of the aerospace anddefense. Typical technologies for estimating the location of a moving object includeTDOA (Time Difference of Arrival) and FDOA (Frequency Difference of Arrival). Ifthese techniques are employed alone, they guarantee the excellent estimationperformance for the low-speed moving object, but they may have the severeestimation performance degradation for the high-speed moving object. In order toenhance this problem, in this paper, we propose the combined location estimationalgorithm based on TDOA and FDOA, complementing the limitations of each other,specialized for the high-speed moving object. The proposed algorithm estimates theinitial position of the moving object by employing TDOA, and it estimates thespeed and direction of the moving object to predict its movement path by employingFDOA. The performance of the proposed algorithm is verified through computersimulations considering various scenarios.

3-D Sound Source Localization using Energy-Based Region Selection and TDOA

이은주,Yiwere, Mariam,Rhee, Eun Joo 한국정보통신학회 2017 한국정보통신학회논문지 Vol.21 No.2

본 논문에서는 에너지 기반 영역 선택과 TDOA에 의해 3차원에서 음원의 방위와 높이를 계산하여 음원 위치를 추정하는 방법을 제안한다. 본 연구의 목적은 음원 위치 추정에서 계산시간 감축으로, 수평면 3개 신호의 에너지 비교에 의한 영역 선택과 선택된 영역의 TDOA에 의해 방위각을 계산하고, 또 높이 계산을 위한 마이크로폰 신호와 가장 큰 에너지를 갖는 평면 신호와의 TDOA로 높이각을 추정하는 방법을 제안한다. 제안한 방법에 대한 음원 추정실험 결과 수평 방위각 추정에서 평균 $0.778^{\circ}$, 높이각 추정에서 $1.296^{\circ}$의 오류를 보여 기존의 방법과 정확도에서 유사하고, 추정은 1회 신호 에너지 비교와 2회의 TDOA계산으로 가능하여 처리 시간이 단축된다. This paper proposes a method for 3-D sound source localization (SSL) using region selection and TDOA. 3-D SSL involves the estimation of an azimuth angle and an elevation angle. With the aim of reducing the computation time, we compare signal energies to select one out of three regions. In the selected region, we compute only one TDOA value for the azimuth angle estimation. Also, to estimate the vertical angle, we choose the higher energy signal from the selected region and pair it up with the elevated microphone's signal for TDOA computation and elevation angle estimation. Our experimental results show that the proposed method achieves average error values of $0.778^{\circ}$ in azimuth and $1.296^{\circ}$ in elevation, which is similar to other methods. The method uses one energy comparison and two TDOA computations therefore, the total processing time is reduced.

TDOA기법 기반의 다중 재머 위치 추정 알고리즘 설계

강희원,임덕원,허문범,Kang, Hee Won,Lim, Deok Won,Heo, Moon-Beom 한국군사과학기술학회 2012 한국군사과학기술학회지 Vol.15 No.6

In case that multiple jammers are transmitting the signals which are the same type a general algorithm based on TDOA method cannot estimate the positions of multiple jammers because there are many TDOA measurements including true and false values. This paper, therefore, designs a new algorithm based on TDOA method to localize multiple jammers. In this algorithm, TDOA measurements are obtained by rotating the reference sensor, and then the positions of multiple jammers can be estimated by detecting congregated point among the multiple estimated positions from TDOA measurements. Through computer simulations, it is verified that this algorithm localizes the multiple jammers well. The performance of the algorithm are also analysed by changing the distance between sensors and jammer, and sampling frequency.