聯(lián)合無線電信號復包絡和載波相位信息的超視距目標直接定位方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種聯(lián)合無線電信號復包絡和載波相位信息的超視距目標直接定位方法，首先基于信號超視距傳播模型，建立到達信號復包絡和載波相位關于目標位置參數(shù)的數(shù)學模型，獲得多站陣列信號模型，接著利用基2?FFT算法將多站陣列天線接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻域數(shù)據(jù)，并基于電離層高度的先驗觀測以及最大似然估計準則建立聯(lián)合估計目標位置參數(shù)和電離層高度的數(shù)學優(yōu)化模型，最后根據(jù)矩陣特征值擾動理論設計出Newton型迭代算法進行超視距目標定位。本發(fā)明能夠有效提高目標定位的精度，可以在電離層高度先驗觀測的基礎上，進一步提高對電離層高度的估計精度，具有較快的收斂速度，無需高維搜索，性能可靠、運算高效。
【專利說明】
聯(lián)合無線電信號復包絡和載波相位信息的超視距目標直接定 位方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及無線電信號定位領域，特別涉及一種聯(lián)合無線電信號復包絡和載波相 位信息的超視距目標直接定位方法。
【背景技術】
[0002] 眾所周知，無線電信號定位技術對于目標發(fā)現(xiàn)及其態(tài)勢感知具有十分重要的意 義，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，該技術在理論和工程應用中都取得了長足的進展。根據(jù)觀測站的 數(shù)目進行劃分，可以將無線電信號定位體制劃分為單站定位和多站定位兩大類，前者具有 系統(tǒng)簡潔、靈活性高、無需信息同步和通信傳輸?shù)葍?yōu)點，后者則能夠提供更多的觀測量，從 而有助于取得更高的定位精度。本專利主要涉及到多站定位方式。在多站定位系統(tǒng)中，最重 要的兩類定位體制是多站測向交匯定位和多站測時差交匯定位。前者要求每個觀測站安裝 天線陣列，各個觀測站利用信號到達本站內(nèi)不同天線的載波相位差估計信號方位，然后再 在中心站進行交匯定位;第二種定位體制則要求估計信號復包絡到達不同觀測站的時延 差，并利用時延差進行交匯定位。從所利用的信息來看，前者僅僅利用了到達信號的載波相 位信息，而后者僅僅利用了到達信號的復包絡信息。雖然這兩類定位體制都有其自身優(yōu)勢， 但是定位精度都存在較大的提升空間，為了大幅度提尚多站定位精度，最好是能夠同時利 用到達信號的復包絡和載波相位信息，并設計出合理的定位方法。
[0003] 對于遠距離目標而言，目標信號往往是通過超視距傳播的方式到達各個觀測站， 最常見的一種傳播方式是信號經(jīng)過電離層折射后入射至地面觀測站，在這種定位場景下人 們通常采用多站測向交匯法進行目標定位，單在實際應用中該方法的定位精度并不高。事 實上，若想對超視距目標進行精確定位，要求對信號的傳播路徑建立有效的數(shù)學模型，并且 需要一些先驗知識(例如電離層高度的先驗觀測），除此之外還應盡可能地同時利用信號復 包絡和載波相位信息。因此，如何在獲得電離層高度先驗觀測的基礎上，通過聯(lián)合信號復包 絡和載波相位信息實現(xiàn)對超視距目標的精確定位是十分有意義的課題，這也是本專利重點 要解決的問題。另一方面，現(xiàn)有的無線電信號定位過程都可以歸納為兩步估計定位模式，BP 首先從信號數(shù)據(jù)中提取定位參數(shù)(例如方位、時延差、多普勒等），然后再基于這些參數(shù)解算 出目標位置。雖然這種兩步定位模式在現(xiàn)代定位系統(tǒng)中已被廣泛應用，但以色列學者 A. J. Weiss和A. Amar卻指出了其中所存在的諸多缺點，并提出了單步直接定位的思想，其基 本理念是從信號采集數(shù)據(jù)域中直接估計目標的位置參數(shù)，而無需再估計其它中間定位參 數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明提供一種聯(lián)合無線電信號復包絡和載波相位信息 的超視距目標直接定位方法，借鑒單步直接定位模式解決超視距目標的定位問題，定位精 度要比傳統(tǒng)的兩步定位模式高，這也是提高超視距目標定位精度的一種重要手段，相比于 傳統(tǒng)的針對超視距目標的多站測向交匯定位法，能夠有效提高目標定位精度，并且可以在 電離層高度先驗觀測的基礎上進一步提高對電離層高度的估計精度，具有較快的收斂速 度，無需高維搜索，是一種性能可靠、運算高效的定位方法。
[0005] 按照本發(fā)明所提供的設計方案，一種聯(lián)合無線電信號復包絡和載波相位信息的超 視距目標直接定位方法，具體包含如下步驟：
[0006] 步驟1.對N個觀測站的M通道陣列天線接收系統(tǒng)進行時間同步，根據(jù)奈奎斯特采樣 定理采集目標輻射的無線電信號數(shù)據(jù)，獲得陣列信號時域數(shù)據(jù)；
[0007] 步驟2.每個觀測站將所采集到的Q個時域數(shù)據(jù)樣本點做基2-FFT運算，得到陣列信 號頻域數(shù)據(jù)，其中，Q為2的整數(shù)次冪；
[0008] 步驟3.每個觀測站將所獲得的陣列信號頻域數(shù)據(jù)傳輸至中心站，中心站利用電離 層高度的先驗觀測以及觀測站的陣列信號頻域數(shù)據(jù)建立最大似然參數(shù)估計準則；
[0009] 步驟4.在最大似然參數(shù)估計準則的基礎上，通過數(shù)學推演建立聯(lián)合估計目標位置 參數(shù)和電離層高度的數(shù)學優(yōu)化模型；
[0010]步驟5.基于矩陣特征值擾動公式設計數(shù)值優(yōu)化中的牛頓型迭代算法，利用數(shù)學優(yōu) 化模型中矩陣的最大特征值進行數(shù)值尋優(yōu)，進行超視距目標的定位。
[0011]上述的，步驟1中，第n個觀測站的陣列天線所接收到的信號時域模型為xn(t)=0 nan(p)s(t-Tn(p，hn)-to)+e n(t)(Kn彡N)，其中，p表示目標位置向量，hn表示目標信號經(jīng)過 超視距傳播至第n個觀測站所經(jīng)歷的電離層高度，to表示目標發(fā)射信號時間，s(t)表示目標 信號復包絡，a n(pd)表示目標信號相對于第n個天線陣列的陣列流形向量，&表示目標信號 傳播至第n個觀測站的損耗因子，e n(t)表示第n個觀測站中天線陣列的陣元噪聲向量，h(p， hn)表示目標信號到達第n個觀測站的傳播時延，它同時是關于目標位置向量p和電離層高 度11"的函數(shù);步驟2中，第n個觀測站的陣列天線所接收到的信號頻域模型為 xA(〇q) = ) ? exp {-i(〇.(T"(p,hn ) + /〇)!+ # 丄~、廠~，、，一 Rh,,其中，以吻和分別表 =(：]"bn (p, /?,,, a>it )r (w,) + (w,) (\<n<N;\^q<Q)^ 示s(tWPen(t)的頻域形式，coq表示第q個數(shù)字頻點，匕化上~^"和汽氣^的表達式分別為 \hli(pJill,〇Jii) = a!l(p)-cxp V(,)^(,).cxp.M^〇!. 步驟3中，中祕所建立的最大似然估計準則為
其中，向量h=[hh2~hN]T包含了每個觀測站所對應的電離層高度，爲七…表示h的先驗 觀測向量，其觀測誤差協(xié)方差矩陣記為P;步驟4中，所建立的聯(lián)合估計目標位置向量p和電離層 高度向量h的數(shù)學優(yōu)化模型為
其中，Amax[ ?]表示取矩陣的最大特征值，，矩陣B(p，h)和戈的表達式分別為
向量 石ApA,)的表達式為(kmao。
[0012] 上述的，步驟5中，所設計出的數(shù)值優(yōu)化中的牛頓型迭代算法的實現(xiàn)步驟為：
[0013] 步驟5.1)利用多重信號分類估計算法和泰勒級數(shù)迭代定位算法獲得目標位置向 量的初始估計#(W，.將電離層高度的先驗觀測向量I作為h的初始估計，，形成初始迭代向 量少0)=[f °)T 左0?T]'
[0014] 步驟5.2)進行牛頓型迭代的計算公式為礦卜"=') 式中k表示迭代次數(shù)，0<y<l表示迭代步長因子，於#，和G(+a))分別表示目標函數(shù)的梯 「 2 (#*)) "" 度向量和Hessian矩陣，相應的計算公式分別為^

應矩陣除最大特征值以外的其余N-1個特征值及其對應的單 位特征向量。
[0026]本發(fā)明的有益效果：
[0027]本發(fā)明首先基于信號超視距傳播模型，建立到達信號復包絡和載波相位關于目標 位置參數(shù)的數(shù)學模型，獲得多站陣列信號模型，接著利用基2-FFT算法將多站陣列天線接收 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻域數(shù)據(jù)，并基于電離層高度的先驗觀測以及最大似然估計準則建立聯(lián)合估計 目標位置參數(shù)和電離層高度的數(shù)學優(yōu)化模型，最后根據(jù)矩陣特征值擾動理論設計出Newton 型迭代算法，以實現(xiàn)對超視距目標的精確定位，相比于傳統(tǒng)的針對超視距目標的多站測向 交匯定位法，能夠有效提高目標定位的精度，并且可以在電離層高度先驗觀測的基礎上，進 一步提高對電離層高度的估計精度;此外，本發(fā)明通過Newton型迭代來實現(xiàn)超視距定位，具 有較快的收斂速度，無需高維搜索，是一種性能可靠、運算高效的定位方法。
【附圖說明】：
[0028]圖1為本發(fā)明的多觀測站超視距目標直接定位原理圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明的流程示意圖；
[0030] 圖3為本發(fā)明的超視距目標定位實例場景示意圖；
[0031] 圖4為本發(fā)明的定位結(jié)果比對示意圖。
【具體實施方式】：
[0032] 下面結(jié)合附圖和技術方案對本發(fā)明作進一步詳細的說明，并通過優(yōu)選的實施例詳 細說明本發(fā)明的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不限于此。
[0033] 實施例一，參見圖1~2所示，一種聯(lián)合無線電信號復包絡和載波相位信息的超視 距目標直接定位方法，具體包含如下步驟：
[0034] 步驟1.對N個觀測站的M通道陣列天線接收系統(tǒng)進行時間同步，根據(jù)奈奎斯特采樣 定理采集目標輻射的無線電信號數(shù)據(jù)，獲得陣列信號時域數(shù)據(jù)；
[0035] 步驟2.每個觀測站將所采集到的Q個時域數(shù)據(jù)樣本點做基2-FFT運算，得到陣列信 號頻域數(shù)據(jù)，其中，Q為2的整數(shù)次冪；
[0036] 步驟3.每個觀測站將所獲得的陣列信號頻域數(shù)據(jù)傳輸至中心站，中心站利用電離 層高度的先驗觀測以及觀測站的陣列信號頻域數(shù)據(jù)建立最大似然參數(shù)估計準則；
[0037] 步驟4.在最大似然參數(shù)估計準則的基礎上，通過數(shù)學推演建立聯(lián)合估計目標位置 參數(shù)和電離層高度的數(shù)學優(yōu)化模型；
[0038] 步驟5.基于矩陣特征值擾動公式設計數(shù)值優(yōu)化中的牛頓型迭代算法，利用數(shù)學優(yōu) 化模型中矩陣的最大特征值進行數(shù)值尋優(yōu)，進行超視距目標的定位。
[0039] 實施例二，參見圖1~2所示，一種聯(lián)合無線電信號復包絡和載波相位信息的超視 距目標直接定位方法，具體包含如下步驟：
[0040] 步驟1.對N個觀測站的M通道陣列天線接收系統(tǒng)進行時間同步，根據(jù)奈奎斯特采樣 定理采集目標輻射的無線電信號數(shù)據(jù)，獲得陣列信號時域數(shù)據(jù)，第n個觀測站的陣列天線所 接收到的信號時域模型為x n(t) =0nan(p)s(t-Tn(p，hn)-to) + en(t)(Kn彡N)，其中，p表示 目標位置向量，hn表示目標信號經(jīng)過超視距傳播至第n個觀測站所經(jīng)歷的電離層高度，to表 示目標發(fā)射信號時間，s(t)表示目標信號復包絡，a n(pd)表示目標信號相對于第n個天線陣 列的陣列流形向量，仏表示目標信號傳播至第n個觀測站的損耗因子，e n(t)表示第n個觀測 站中天線陣列的陣元噪聲向量，Tn(p，hn)表示目標信號到達第n個觀測站的傳播時延，它同 時是關于目標位置向量P和電離層高度h n的函數(shù)；
[0041 ]步驟2.每個觀測站將所采集到的Q個時域數(shù)據(jù)樣本點做基2-FFT運算，得到陣列信 號頻域數(shù)據(jù)，其中，Q為2的整數(shù)次冪，第n個觀測站的陣列天線所接收到的信號頻域模型為 x.A%) = /iajp)s (wj-exp {--iw^TjpJiJ + t^+^Xar) =PMpA，氣其中，辦)執(zhí)⑷分別表 示s(t)和en(t)的頻域形式，coq表示第q個數(shù)字頻點，bn(p，h n，cOqWPh%)的表達式分別為 | htl (p, /?", (〇,,) = an (p)- exp ! -i coti r" (p, htl)!
[r((0t/) = ) exp {-i^ .
[0042] 步驟3.每個觀測站將所獲得的陣列信號頻域數(shù)據(jù)傳輸至中心站，中心站利用電離層 高度的先驗觀測以及觀測站的陣列信號頻域數(shù)據(jù)建立最大似然參數(shù)估計準則，中心站所建立 的最大似然估計準則，
其中，向量h= [hih2…h(huán)N]T包含了每個觀測站所對應的電離層高度，/】 = [& …A、]1表示h 的先驗觀測向量，其觀測誤差協(xié)方差矩陣記為P，在實際工程應用中，可以利用探測技術對 電離層高度進行預測，或利用公開渠道進行查詢，作為電離層高度的先驗知識加以利用；
[0043] 步驟4.在最大似然參數(shù)估計準則的基礎上，通過數(shù)學推演建立聯(lián)合估計目標位置 參數(shù)和電離層高度的數(shù)學優(yōu)化模型，所建立的聯(lián)合估計目標位置向量P和電離層高度向量h 的數(shù)學優(yōu)化模型為
其中， 入max[ ?]表示取矩陣的最大特征值，P = ，矩陣B(p，h)和1的表達式分別為
向量 良(/^")的表達式為以產(chǎn)為(1<?<M).
[0044] 步驟5.基于矩陣特征值擾動公式設計數(shù)值優(yōu)化中的牛頓型迭代算法，利用數(shù)學優(yōu) 化模型中矩陣的最大特征值進行數(shù)值尋優(yōu)，所設計出的數(shù)值優(yōu)化中的牛頓型迭代算法的實 現(xiàn)步驟為：
[0045] 步驟5.1)利用多重信號分類估計算法和泰勒級數(shù)迭代定位算法獲得目標位置向 量的初始估計戶W，將電離層高度的先驗觀測向量1作為h的初始估計分 0)，形成初始迭代向 量^〇_ A(〇)T]T ;
[0046] 步驟5.2)進行Newton型迭代的計算公式為鏟W__> =纟<<+1,=纟(<,-1犮(f)式 中k表示迭代次數(shù)，0<y<l表示迭代步長因子，Mp)和)分別表示目標函數(shù)的梯度向量和 Hessian矩陣，相應的計算公式分別為
其中，
[0047] < gx{rtk)) >,-= u〇(pa) Jt(k))Z]a)(p{k) ,ha))u0(p(k\h(k))
[0048] <g2(n{k)) >^u〇(pa) ,h{k))Zlb)(pa) ,kk))u0(pa) ,kk)) <Gu(f產(chǎn)）>,r<(p'k、廣(產(chǎn) J產(chǎn))u辦⑴，fP)
[0049] . " + 2u^[p0!) Mk')Z\a)a(p(k> Jia>)U0(p<k\hik,)Zf\p a'\h{kyi0(^k> ,h{k>) < G^iff}) >" = U^(pa \ha})Z^\p{k> >(A 1 )M0(pa\h{l))
[0050] J. . ' .
[0051] + 2u^(p{k) ,hay)Zlh)li(pik,, fik))U0(p{k),ha>)Z ib)(pil),kk))U〇(p{k),h {k]) ... J ，： 其中，(#(A),/0)表示厄米特矩陣最大特征值\妒>) 所對應的單位特征向量，矩陣#"(產(chǎn)，妒)）Z^(p{k\h{k)) Zf\p^k)Mk)) f .， ? 野、(，>,:儼），暫fc)(產(chǎn)，#勺和> ,iw)的計算公式分別為
[0052] Zla)(pik) ,hik)) = Bl'd}(plk) ,hik))XXHBR(pik) Jiii}) + B(pik} ,hik))XXHBfH(p(k\h(k))
[0053] Z^\pik) ,hik)) = B^(p(k) ,kk))XXHBa{pik) ,h{t)) +B(pik) Jta))XXll^b)l\pik) JiU))
應矩陣除最大特征值以外的其余N-1個特征值及其對應的單 位特征向量。
[0058] 參見圖3~4所示，結(jié)合具體的試驗數(shù)據(jù)對本發(fā)明做進一步解釋說明：
[0059] 如圖3所示，針對超視距目標定位實例示意圖，假設目標的位置坐標為(0km，0km， 01?1)，現(xiàn)有四個測向站對其進行定位，其位置坐標分別為（10001〇11，10001〇11)、（10001〇11，-1000km)、（-1000km，1000km)和(-1000km，-1000km)，信號到達每個測向站所經(jīng)歷的電離層 高度均設為300km，每個測向站均安裝9元均勻圓陣，信號帶寬為5kHz，信號持續(xù)時間為 200ms〇
[0060] 下面將本專利公開的直接定位方法與傳統(tǒng)的先測向再交匯定位方法的性能進行 比較，其中的測向采用多重信號分類估計(MUSIC)算法，交匯定位采用Taylor級數(shù)迭代定位 算法。
[0061 ]首先，將電離層高度先驗估計標準差固定為2km，圖4中，圖4-1給出了兩種定位方 法的超視距目標位置估計均方根誤差隨著信噪比的變化曲線，圖4-2給出了本專利公開方 法的電離層高度估計均方根誤差隨著信噪比的變化曲線;然后，將信噪比固定為OdB，圖4-3 給出了兩種定位方法的超視距目標位置估計均方根誤差隨著電離層高度先驗估計標準差 的變化曲線，圖4-4給出了本專利公開方法的電離層高度估計均方根誤差隨著電離層高度 先驗估計標準差的變化曲線。
[0062]從圖4-1和圖4-3中可以看出，相比于傳統(tǒng)的先測向再交匯定位方法，本專利公開 的超視距目標直接定位方法可以明顯提升定位精度，并且信噪比越低，其優(yōu)勢愈加明顯。從 圖4-2和圖4-4中可以看出，相比于電離層高度的先驗觀測，本專利公開的方法可以進一步 提高對電離層高度的估計精度。
[0063]本發(fā)明并不局限于上述【具體實施方式】，本領域技術人員還可據(jù)此做出多種變化， 但任何與本發(fā)明等同或者類似的變化都應涵蓋在本發(fā)明權利要求的范圍內(nèi)。
【主權項】
1. 一種聯(lián)合無線電信號復包絡和載波相位信息的超視距目標直接定位方法，具體包含 如下步驟： 步驟1.對N個觀測站的M通道陣列天線接收系統(tǒng)進行時間同步，根據(jù)奈奎斯特采樣定理 采集目標福射的無線電信號數(shù)據(jù)，獲得陣列信號時域數(shù)據(jù)； 步驟2.每個觀測站將所采集到的Q個時域數(shù)據(jù)樣本點做基2-FFT運算，得到陣列信號頻 域數(shù)據(jù)，其中，Q為2的整數(shù)次幕； 步驟3.每個觀測站將所獲得的陣列信號頻域數(shù)據(jù)傳輸至中屯、站，中屯、站利用電離層高 度的先驗觀測W及觀測站的陣列信號頻域數(shù)據(jù)建立最大似然參數(shù)估計準則； 步驟4.在最大似然參數(shù)估計準則的基礎上，通過數(shù)學推演建立聯(lián)合估計目標位置參數(shù) 和電離層高度的數(shù)學優(yōu)化模型； 步驟5.基于矩陣特征值擾動公式設計數(shù)值優(yōu)化中的牛頓型迭代算法，利用數(shù)學優(yōu)化模 型中矩陣的最大特征值進行數(shù)值尋優(yōu)，進行超視距目標的定位。2. 根據(jù)權利要求1所述的聯(lián)合無線電信號復包絡和載波相位信息的超視距目標直接定 位方法，其特征在于:步驟1中，第n個觀測站的陣列天線所接收到的信號時域模型為Xn(t) = 0nan(P)S(t-Tn(p，hn)-t〇) + ￡n(t)(l《n《N)，其中，P表示目標位置向量，hn表示目標信號 經(jīng)過超視距傳播至第n個觀測站所經(jīng)歷的電離層高度，to表示目標發(fā)射信號時間，s(t)表示 目標信號復包絡，an (Pd)表示目標信號相對于第n個天線陣列的陣列流形向量，Pn表示目標 信號傳播至第n個觀測站的損耗因子，En(t)表示第n個觀測站中天線陣列的陣元噪聲向量， Tn(P，hn)表示目標信號到達第n個觀測站的傳播時延，它同時是關于目標位置向量P和電離 層高度hn的函數(shù);步驟2中，第n個觀測站的陣列天線所接收到的信號頻域模型為其中，巧切和毎,(0)分別表不 S(t)和En(t)的頻域形式，COq表示第q個數(shù)字頻點，bn(P，hn，COq)和?'(W,)的表達式分別為步驟3中，中屯、站所建立的最大似然估計準則為 ，其中，向量h=比出2-hN]T包含了每個觀測站所對應的電離層高度表示h 的先驗觀測向量，其觀測誤差協(xié)方差矩陣記為P;步驟4中，所建立的聯(lián)合估計目標位置向量 P和電離層高度向量h的數(shù)學優(yōu)化模型為其中，Amax[ ?]表示取矩陣 的最大特征值，^ = 式，矩陣B(p，h)和X的表達式分別為 丄> / O3.根據(jù)權利要求2所述的聯(lián)合無線電信號復包絡和載波相位信息的超視距目標直接定 位方法，其特征在于:步驟5中，所設計出的數(shù)值優(yōu)化中的牛頓型迭代算法的實現(xiàn)步驟為： 步驟5.1)利用多重信號分類估計算法和泰勒級數(shù)迭代定位算法獲得目標位置向量的 初始估計女fui，將電離層高度的先驗觀測向量《作為h的初始估計I?，形成初始迭代向量步驟5.2)進行Newton型迭代的計算公式^式 中k表示迭代次數(shù)，0<y<l表示迭代步長因子，如嚴巧日G(爭"）分別表示目標函數(shù)的梯度 向量和Hessian矩陣，相應的計算公式分別為fij 對應矩陣公(片"，在")義公H (片W，&")除最大特征值W外的其余N-I個特征值及其對應的 單位特征向量。
【文檔編號】G01S5/04GK105911521SQ201610261805
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月25日
【發(fā)明人】于宏毅, 王鼎, 吳瑛, 杜劍平, 楊賓, 張莉, 張剛, 唐濤, 吳江
【申請人】中國人民解放軍信息工程大學