基于相位差分最小二乘法的單站無源快速定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種無源定位方法，可用于單站偵察。
【背景技術(shù)】
[0002] 無源定位是指由單個偵察設(shè)備或者多個偵察設(shè)備在探測到散射源或者輻射源并 獲得有關(guān)定位參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理手段，確定出散射源或輻射源在三維空 間中的位置。
[0003] 無源定位可以簡單分為多站定位和單站定位。多站定位通過部署在不同地理位置 的站點(diǎn)接收到的目標(biāo)輻射信號進(jìn)行信號級別或者數(shù)據(jù)級別的融合，從而達(dá)到定位的目的。 在通信設(shè)備定位中應(yīng)用較廣；而雷達(dá)發(fā)射天線往往波束較窄，很難保證多個接收站能接收 到目標(biāo)信號，同時多站的時間同步機(jī)制要求設(shè)備復(fù)雜，而單站定位由于幾乎沒有上述問題， 因而得到了廣泛的關(guān)注。
[0004] 單站無源定位通過單一觀測平臺被動接收輻射源信號完成目標(biāo)定位，是獲取目標(biāo) 位置信息的重要手段，已經(jīng)應(yīng)用到重要目標(biāo)位置監(jiān)視、緊急營救、智能交通以及反恐維穩(wěn)等 領(lǐng)域。單站定位與多站定位相比最大特點(diǎn)是只有一個觀測平臺，設(shè)備簡單、部署靈活、機(jī)動 性能強(qiáng)，因此在星載、機(jī)載、艦載等多種運(yùn)動平臺目標(biāo)定位方面發(fā)揮了重要作用。
[0005] 目前單站定位方法的研究，包括測向定位、到達(dá)時間差定位、多普勒頻率及其變化 率定位、相位差及其變化率定位以及上述的組合定位法等。其中，多普勒頻率變化率定位和 相位差變化率定位較為常用，這兩種方法為了提高目標(biāo)定位跟蹤能力，采用了如包括牛頓 迭代方法、卡爾曼濾波及其擴(kuò)展方法、貝葉斯估計理論的粒子濾波方法等。2004年開始，意 大利在直升機(jī)上采用雙天線實現(xiàn)多普勒變化率定位實驗。該方法在飛機(jī)兩側(cè)放置2個干涉 儀天線，利用其頻率差測量結(jié)果定位。實驗結(jié)果顯示該方法的最佳位置在兩側(cè)斜視角±45 度處，其他位置均將下降；在定位距離約5km，定位35秒時間條件下，目標(biāo)定位誤差將超過 10%〇
[0006]上述的單站定位方法都是利用了目標(biāo)與偵察設(shè)備位置變化的非線性變化特性，采 用了非相干的積累方法實現(xiàn)目標(biāo)位置的估計。但是隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)的射頻 源穩(wěn)定度得到了明顯提高;雷達(dá)在成像、空時處理等模式下，都會有較長的信號穩(wěn)定期，偵 察獲取信號的相干性明顯增強(qiáng)。常規(guī)的單站定位方法不能有效的利用信號的相關(guān)性，需要 很長的積累時間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于相位差分最小二乘法 的單站無源快速定位方法，以減小運(yùn)算量，改善定位精度，實現(xiàn)快速定位。
[0008] 本發(fā)明技術(shù)思路是，將合成孔徑成像雷達(dá)的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到偵察領(lǐng)域，利用輻射 源的相干性，將長時間積累信號虛擬合成長的天線陣列，使其不滿足遠(yuǎn)場條件，即天線陣列 的二次相位無法忽略；利用相位差分最小二乘法對該不可忽略的二次相位進(jìn)行估計，進(jìn)而 利用二次相位與輻射源距離的反比關(guān)系實現(xiàn)對輻射源目標(biāo)位置的估計。其實現(xiàn)步驟包括如 下：
[0009] (1)偵察設(shè)備做勻速直線運(yùn)動，對接收信號進(jìn)行瞬時測頻和測向，得到測頻結(jié)果/ 和測向結(jié)果#，并利用測頻結(jié)果/進(jìn)行混頻消除載頻，得到基帶信號ur(t);
[0010] (2)對基帶信號Ur(t)進(jìn)行積累，得到一組積累的基帶信號：
[0011] Url(t) ,Ur2(t) , 1''Uri ( t) ''Urn (t ) , ? = 1,2,3 ·''Π ,
[0012]其中，n表示積累脈沖總個數(shù)；
[0013] (3)對積累的基帶信號進(jìn)行匹配濾波：
[0014] (3a)在積累的基帶信號中選擇其中一個作為參考信號urQ(t);
[0015] (3b)將參考信號urQ(t)與所有積累脈沖信號進(jìn)行卷積，得到一組卷積結(jié)果m(t)， U2(t) , ???Ui(t)-'-Un(t)；
[0016] (4)對每個卷積結(jié)果m(t)進(jìn)行多倍插值，得到采樣信號^(〇,提取插值結(jié)果Vl(t) 峰值處的采樣復(fù)信號um(t)，得到峰值采樣復(fù)信號矩陣：
[0017] M= [uui(t) ,UU2(t) , ???UUi(t) ???UUn(t)]；
[0018] (5)對峰值采樣復(fù)信號矩陣M進(jìn)行相位差分最小二乘，估計最優(yōu)調(diào)頻率A;
[0019] (5a)分別提取峰值采樣復(fù)信號矩陣Μ的前n-m個元素和后n-m個元素，形成第一峰 值矩陣 Μι 和第二峰值矩陣 M2,其中，Ml= [UUl(t)，…UUi(t)…UUn-m(t)]，M2= [UUm+l(t)…UUi (0-1111"(0]，111表示第二峰值矩陣此相對于第一峰值矩陣％延遲的脈沖周期個數(shù)，再將％ 與此共輒相乘，得到相位差分矩陣M x;
[0020] (5b)提取共輒相乘矩陣Mx中所有元素的相位信息，得到相位矩陣：
[0021]
[0022]其中，Hi是輻射源脈沖到達(dá)時間；
[0023] (5c)利用輻射源脈沖到達(dá)時間ru構(gòu)建時間矩陣：
[0024]
[0025] (5d)利用相位矩陣Φ與時間矩陣H，計算關(guān)系矩陣X:
[0026] χ=(ΗτΗ)-VO
[0027] (5e)利用關(guān)系矩陣X和峰值后矩陣Μ2相對峰值前矩陣％的延時脈沖周期個數(shù)m，估 計最優(yōu)調(diào)頻率， ：
[0028]
[0029]其中，Tpri為輻射源脈沖重復(fù)周期；
[0030] (6)根據(jù)最優(yōu)調(diào)頻率A獲得補(bǔ)償后的信號矩陣Mc:
[0031] (6a)利用最優(yōu)調(diào)頻率奐構(gòu)建補(bǔ)償信號矩陣H=[h(ni)，h(n2)'"h(ni)…h(huán)(q n)]，其 中，h(ru)為補(bǔ)償信號；
[0032] (6b)將補(bǔ)償信號矩陣Η與峰值采樣復(fù)信號矩陣Μ進(jìn)行點(diǎn)乘，消除峰值采樣復(fù)信號關(guān) 于時間的二次相位，得到補(bǔ)償后的信號矩陣：
[0033] Mc= [uui(t)h(ni), ???uui(t)h(ni)---uun(t)h(nn)]；
[0034] (7)對補(bǔ)償后的信號矩陣Μ。進(jìn)行傅里葉變換得到多普勒頻率，計算高精度的測 向結(jié)果
[0035] (8)利用高精度的測向結(jié)果，計算輻射源和偵察設(shè)備的距離幻
[0036] (9)結(jié)合高精度的測向結(jié)果4_和輻射源和偵察設(shè)備的距離f，得到輻射源位置。
[0037] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0038] 第一，相對于傳統(tǒng)的定位方法，本發(fā)明利用了輻射源的相干性，縮短定位時間，可 以實現(xiàn)快速定位；
[0039] 第二，將合成孔徑雷達(dá)的原理應(yīng)用在雷達(dá)定位中，將長時間積累的信號虛擬合成 長的天線陣列，實現(xiàn)對目標(biāo)的精確角度測量；
[0040] 第三，利用虛擬長天線陣列不滿足遠(yuǎn)場條件，即接收信號關(guān)于時間的二次相位無 法忽略的特性，通過相位差分最小二乘法得到距離參數(shù)，提高定位精度。
【附圖說明】
[0041] 圖1是本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖；
[0042]圖2是本發(fā)明的定位誤差圖；
[0043]圖3是本發(fā)明方法在不同基線條件下的定位時間性能。
【具體實施方式】
[0044]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0045] 參照圖1，本發(fā)明的具體實現(xiàn)步驟如下：
[0046] 步驟1、獲取基帶信號。
[0047] 本發(fā)明采用做勻速直線運(yùn)動的偵察設(shè)備，對接收信號進(jìn)行瞬時測頻和測向，得到 測頻結(jié)果/和測向結(jié)果#，并利用測頻結(jié)果/進(jìn)行混頻消除載頻，得到基帶信號u r(t )，測頻 誤差要求較低，小于1MHz即可。
[0048]步驟2、積累基帶信號。
[0049] 對基帶信號ur(t)進(jìn)行積累，即每進(jìn)行一次混頻得到的基帶信號進(jìn)行儲存，累計得 到一組基帶信號：
[0050] Url(t) ,Ur2(t) , 1''Uri ( t) ''Urn (t ) , ? = 1,2,3 ·''Π
[0051 ]其中，n表示積累脈沖總個數(shù)。
[0052]步驟3、對積累的基帶信號進(jìn)行匹配濾波。
[0053]在積累的基帶信號中選擇其中的任意一個作為參考信號UrQ(t)，將該參考信號ur0 ⑴與所有積累的信號Url⑴，1!:2(〇，~11:辦卜_11" 1(〇分別做卷積，得到匹配濾波結(jié)果：
[0054] Ul(t) ,U2(t), ???Ui(t)---Un(t)
[0055] 步驟4、多倍插值，提取峰值采樣復(fù)信號。
[0056] (4a)對每個卷積結(jié)果m(t)分別進(jìn)行傅里葉變換，將卷積結(jié)果m(t)轉(zhuǎn)換到頻域，并 在頻域中心插入(K-l)N f個零，得到插值后的頻域信號，其中，Nf為傅里葉變換后的數(shù)據(jù)個 數(shù)，K為插值倍數(shù)，取值為2的整數(shù)次冪，本實例K取8;
[0057] (4b)對插值后的頻域信號進(jìn)行逆傅里葉變換，將信號恢復(fù)到時域，得到采樣信號 Vl(t);記錄采樣結(jié)果Vl(t)達(dá)到峰值時的時間tmax，提取時間t max對應(yīng)的峰值采樣復(fù)信號um (t) - V i ( tmax )；
[0058] (4c)對所有的卷積結(jié)果ui(t)，U2(t)，…Ui(t)'"u