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 :)