單通道雙基站超短波信號空間定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超短波無線電定位技術(shù)領(lǐng)域，涉及到雙基地超短波信號空間定位方 法，具體涉及到一種基于單通道偽多普勒測向及TD0A(到達時間差)估計的雙基站空間定位 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線電測向技術(shù)的發(fā)展是與電磁波及其應(yīng)用的研究工作密切聯(lián)系在一起的。每種 電磁輻射，不論以何種形式出現(xiàn)，都帶有方向信息。無線電測向按其測向原理的不同，可以 分為振幅法、相位法、多普勒法、到達時間差法、空間譜估計法等。振幅法測向是根據(jù)測向天 線陣列各陣元感應(yīng)來波信號后輸出信號的幅度大小，即利用天線各陣元的直接幅度響應(yīng)或 者比較幅度響應(yīng)，測得來波到達方向的方法。相位法測向是根據(jù)測向天線陣列各陣元之間 的相位差，測定來波到達方向的方法。如相位干涉儀測向、多普勒和準多普勒測向等。多普 勒法測向是利用測向天線自身以一定的速度旋轉(zhuǎn)引起的接收信號附加多普勒調(diào)制進行測 向的方法。本質(zhì)上屬于相位法測向。時差法測向是根據(jù)測得的來波信號到達測向天線陣列 中兩個及以上不同位置的陣元的時間差來測定來波到達方向的方法?？臻g譜估計測向是將 測向天線陣列接受的信號分解為信號與噪聲兩個子空間，利用來波方向構(gòu)成的矢量與噪聲 子空間正交的特性測向。在現(xiàn)有測向方法中，幅度測向法由于系統(tǒng)復(fù)雜，誤差較大，而多普 勒測向法則受噪聲和信號調(diào)制類型的影響較大，所以在實際應(yīng)用中受到一定限制。空間譜 估計測向法是近年來興起的測向體制之一，是一種高精度測向體制，但是，計算的復(fù)雜度使 得技術(shù)實現(xiàn)上也存在一定的困難，如相位一致的多通道接收機難以制作。因此，大多數(shù)寬帶 測向系統(tǒng)仍然是以干涉儀測向法為基礎(chǔ)的，具有高精度、算法簡單、高靈敏度等優(yōu)點。
[0003] 超短波信號由于頻段寬，通信容量大；視距以外的不同網(wǎng)絡(luò)電臺可以用相同頻率 工作;可用方向性較強的天線，有利于抗干擾;通信較穩(wěn)定等特點，廣泛的應(yīng)用于軍事通信、 地震災(zāi)害監(jiān)控、洪水預(yù)警等領(lǐng)域。因此，對此類信號進行定位是無線電測向中一項重要任 務(wù)。但針對具有較高中心頻率的超短波信號，為避免天線互耦的影響，基線間距離增大，從 而無法滿足條件:A/d>l/2，d為基線間距離，λ為超短波信號波長，故對此類信號的測向很 容易產(chǎn)生相位模糊的問題。目前解決相位模糊的方法主要有長短基線相結(jié)合法、曲線擬合 法、數(shù)據(jù)庫相關(guān)法等。長短基線相結(jié)合法是利用短距離的天線元得到粗略的距離，再利用長 基線由于相位模糊得到的多個解，從中得到精確值。但此方法不適用于高頻超短波信號，需 要短基線也很難得到精確解，同時此種方法需要雙通道或多通道接收系統(tǒng)，設(shè)備成本高，靈 活性差。曲線擬合法利用周期中的連續(xù)兩點作為基準，對信號每一點相位做整數(shù)倍周期的 加減，從而擬合成正弦波形。但信號頻率很高導(dǎo)致沒有連續(xù)的兩點，則無法實現(xiàn)曲線擬合。 數(shù)據(jù)庫相關(guān)法是通過比較入射信號的實測相位差信息與事先已存在的各方位、頻率入射信 號的相位差分布信息的相似性，從而得到入射信號的方位信息，但在無相位模糊或半模糊 區(qū)域，會存在相同的相關(guān)系數(shù)，導(dǎo)致出現(xiàn)多解的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有對目標超短波信號進行空間定位存在的問題，提供了一種單通道 雙基站超短波信號空間定位方法。本發(fā)明充分考慮實際應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用場合，采用簡單便 攜式的單通道測向系統(tǒng)，提出了偽多普勒測向技術(shù)和相關(guān)干涉儀相結(jié)合的測向方法，實現(xiàn) 了單通道到陣列下的高分辨測向。同時，針對超短波在較高頻段易引起相位模糊問題，本發(fā) 明將仿真信號直接提取相位作為數(shù)據(jù)庫，這里要求仿真信號與實測信號具有相同頻率，即 提取的相位具有相同的相位模糊，進而采用相似性度量函數(shù)對數(shù)據(jù)庫和實測相位進行匹配 搜索，求取目標源所在方位角，很好地解決了相位模糊問題;本發(fā)明進一步利用空間夾角把 方位角、俯仰角二維信息轉(zhuǎn)化為一維信息;采用單通道多普勒測向及TD0A估計的雙站定位 方法，實現(xiàn)了空間目標的精確定位，提高了測向系統(tǒng)的實時性，從實際應(yīng)用角度來看，減少 了系統(tǒng)的成本，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，具有重要的實際應(yīng)用價值。
[0005] 本發(fā)明提供的基于單通道準多普勒天線陣和參考天線的單通道雙基站超短波信 號空間定位方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟一:將準多普勒天線陣和參考天線利用GPS進行同步；
[0007] 步驟二:設(shè)置準多普勒天線陣單通道開關(guān)控制器的開關(guān)工作模式處在停留模式， 準多普勒天線陣和參考天線同步接收超短波信號;所述的停留模式下，開關(guān)靜態(tài)連通準多 普勒天線陣中的某一根天線；
[0008] 步驟三:針對高頻率超短波信號，影響其TD0A估計結(jié)果的因素主要有窄帶、分數(shù)時 延等問題，對步驟二得到的兩路具有時延信息的信號求取時延估計值，具體是:首先采用樣 條插值，求取分數(shù)時延，再利用希爾伯特差值與相關(guān)函數(shù)相結(jié)合的方法求取窄帶信號時延 估計值；
[0009] 步驟四：設(shè)置準多普勒天線陣單通道開關(guān)控制器的開關(guān)工作模式處在連續(xù)切換模 式，準多普勒天線陣和參考天線同步接收超短波信號;所述的連續(xù)切換模式下，開關(guān)以設(shè)定 的角頻率在準多普勒天線陣的天線中進行切換；
[0010] 利用步驟二得到的兩路同步信號對本步驟準多普勒天線陣接收的信號進行消除 調(diào)制信息和初始相位處理，得到僅包含準多普勒相位的信號；
[0011] 步驟五:對步驟四處理得到后形成的單脈沖準多普勒信號提取相位；
[0012] 步驟六:利用理論的準多普勒天線陣建立包含空間夾角的仿真相位差數(shù)據(jù)庫；
[0013] 步驟七:將實測的相位差，在包含空間夾角的仿真相位差數(shù)據(jù)庫中進行相似性度 量，得到相似性最大的仿真相位差所對應(yīng)的空間夾角，將空間夾角轉(zhuǎn)換為所要估計的俯仰 角和方向角；
[0014] 步驟八:利用估計的時延和俯仰角、方向角對目標進行定位。定位時，將時延估計 值與雙站形成的雙曲線作為目標方程，方位角與單通道陣列形成的直線作為約束方程，采 用牛頓法優(yōu)化算法得到目標源的坐標位置。
[0015] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果在于:本發(fā)明即能夠利用單通道的偽 多普勒天線陣和參考天線，無需龐大的天線陣，同時解決了調(diào)制信息和初始相位的影響，又 充分考慮超短波射頻信號產(chǎn)生的相位模糊，建立同真實信號一樣波長的單載波零中頻仿真 信號的相位數(shù)據(jù)庫，利用相似度度量方法有效解決了實現(xiàn)超短波射頻信號的空間定位。本 發(fā)明是根據(jù)實際需求提出，特別適用于無條件架設(shè)龐大天線陣的地區(qū)，可節(jié)約大量人力及 資金，采用簡單便捷的單通道系統(tǒng)，實現(xiàn)對超短波信號的寬頻段、全方位、高精度空間定位， 具有重要的實際意義。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明提供的單通道雙基地超短波信號空間定位系統(tǒng)總流程圖；
[0017] 圖2為準多普勒天線陣列單通道開關(guān)控制器的示意圖；
[0018] 圖3為準多普勒天線陣控制開關(guān)工作模式選擇界面示意圖；
[0019] 圖4為信號軟件采集的界面示意圖；
[0020] 圖5為本發(fā)明實施例中參考天線接收到的915MHz超短波MSK信號波形圖；
[0021] 圖6為本發(fā)明實施例中準多普勒天線陣不切換開關(guān)時接收到的915MHz超短波MSK 信號波形圖；
[0022] 圖7為本發(fā)明實施例采用插值相關(guān)法所得的時延估計波形圖；
[0023] 圖8為消除初相和調(diào)制信息流程圖；
[0024]圖9為空間夾角示意圖；
[0025] 圖10為本發(fā)明實施例的實測信號相位波形圖；
[0026] 圖11為本發(fā)明實施例對實測信號進行相似性度量得到的準多普勒相位波形仿真 圖；
[0027] 圖12為利用入射方向角和時延估計值聯(lián)合定位的原理示意圖；
[0028] 圖13為本發(fā)明實施例中實測的目標源定位結(jié)果圖；
[0029]圖14為本發(fā)明實施例中PSK超短波信號定位仿真圖。
【具體實施方式】
[0030] 以下結(jié)合附圖和實施例詳細說明本發(fā)明技術(shù)方案的實現(xiàn)。
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