Я бы наверное сперва составил новую выборку 
 
где 

 - имеет в качестве распределений смесь нормальных 

Тогда задача сводится к классической (безо всяких неравноточных измерений) - оценке параметров у распределения с плотностью 

 по предоставленной выборке.
Но это если я ничего на засыпающую голову не напутал :)