聯(lián)合無(wú)線(xiàn)電信號(hào)復(fù)包絡(luò)和載波相位信息的超視距目標(biāo)直接定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)線(xiàn)電信號(hào)定位領(lǐng)域，特別涉及一種聯(lián)合無(wú)線(xiàn)電信號(hào)復(fù)包絡(luò)和載波相 位信息的超視距目標(biāo)直接定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，無(wú)線(xiàn)電信號(hào)定位技術(shù)對(duì)于目標(biāo)發(fā)現(xiàn)及其態(tài)勢(shì)感知具有十分重要的意 義，經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，該技術(shù)在理論和工程應(yīng)用中都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。根據(jù)觀(guān)測(cè)站的 數(shù)目進(jìn)行劃分，可以將無(wú)線(xiàn)電信號(hào)定位體制劃分為單站定位和多站定位兩大類(lèi)，前者具有 系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、靈活性高、無(wú)需信息同步和通信傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，后者則能夠提供更多的觀(guān)測(cè)量，從 而有助于取得更高的定位精度。本專(zhuān)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(lèi)定位體制是多站測(cè)向交匯定位和多站測(cè)時(shí)差交匯定位。前者要求每個(gè)觀(guān)測(cè)站安裝 天線(xiàn)陣列，各個(gè)觀(guān)測(cè)站利用信號(hào)到達(dá)本站內(nèi)不同天線(xiàn)的載波相位差估計(jì)信號(hào)方位，然后再 在中心站進(jìn)行交匯定位;第二種定位體制則要求估計(jì)信號(hào)復(fù)包絡(luò)到達(dá)不同觀(guān)測(cè)站的時(shí)延 差，并利用時(shí)延差進(jìn)行交匯定位。從所利用的信息來(lái)看，前者僅僅利用了到達(dá)信號(hào)的載波相 位信息，而后者僅僅利用了到達(dá)信號(hào)的復(fù)包絡(luò)信息。雖然這兩類(lèi)定位體制都有其自身優(yōu)勢(shì)， 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(shí)利 用到達(dá)信號(hào)的復(fù)包絡(luò)和載波相位信息，并設(shè)計(jì)出合理的定位方法。
[0003] 對(duì)于遠(yuǎn)距離目標(biāo)而言，目標(biāo)信號(hào)往往是通過(guò)超視距傳播的方式到達(dá)各個(gè)觀(guān)測(cè)站， 最常見(jiàn)的一種傳播方式是信號(hào)經(jīng)過(guò)電離層折射后入射至地面觀(guān)測(cè)站，在這種定位場(chǎng)景下人 們通常采用多站測(cè)向交匯法進(jìn)行目標(biāo)定位，單在實(shí)際應(yīng)用中該方法的定位精度并不高。事 實(shí)上，若想對(duì)超視距目標(biāo)進(jìn)行精確定位，要求對(duì)信號(hào)的傳播路徑建立有效的數(shù)學(xué)模型，并且 需要一些先驗(yàn)知識(shí)(例如電離層高度的先驗(yàn)觀(guān)測(cè)），除此之外還應(yīng)盡可能地同時(shí)利用信號(hào)復(fù) 包絡(luò)和載波相位信息。因此，如何在獲得電離層高度先驗(yàn)觀(guān)測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)聯(lián)合信號(hào)復(fù)包 絡(luò)和載波相位信息實(shí)現(xiàn)對(duì)超視距目標(biāo)的精確定位是十分有意義的課題，這也是本專(zhuān)利重點(diǎn) 要解決的問(wèn)題。另一方面，現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)定位過(guò)程都可以歸納為兩步估計(jì)定位模式，BP 首先從信號(hào)數(shù)據(jù)中提取定位參數(shù)(例如方位、時(shí)延差、多普勒等），然后再基于這些參數(shù)解算 出目標(biāo)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(yīng)用，但以色列學(xué)者 A. J. WeiSS和A. Amar卻指出了其中所存在的諸多缺點(diǎn)，并提出了單步直接定位的思想，其基 本理念是從信號(hào)采集數(shù)據(jù)域中直接估計(jì)目標(biāo)的位置參數(shù)，而無(wú)需再估計(jì)其它中間定位參 數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種聯(lián)合無(wú)線(xiàn)電信號(hào)復(fù)包絡(luò)和載波相位信息 的超視距目標(biāo)直接定位方法，借鑒單步直接定位模式解決超視距目標(biāo)的定位問(wèn)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(biāo)定位精度的一種重要手段，相比于 傳統(tǒng)的針對(duì)超視距目標(biāo)的多站測(cè)向交匯定位法，能夠有效提高目標(biāo)定位精度，并且可以在 電離層高度先驗(yàn)觀(guān)測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高對(duì)電離層高度的估計(jì)精度，具有較快的收斂速 度，無(wú)需高維搜索，是一種性能可靠、運(yùn)算高效的定位方法。
[0005] 按照本發(fā)明所提供的設(shè)計(jì)方案，一種聯(lián)合無(wú)線(xiàn)電信號(hào)復(fù)包絡(luò)和載波相位信息的超 視距目標(biāo)直接定位方法，具體包含如下步驟：
[0006] 步驟1.對(duì)N個(gè)觀(guān)測(cè)站的Μ通道陣列天線(xiàn)接收系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步，根據(jù)奈奎斯特采樣 定理采集目標(biāo)輻射的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)數(shù)據(jù)，獲得陣列信號(hào)時(shí)域數(shù)據(jù)；
[0007] 步驟2.每個(gè)觀(guān)測(cè)站將所采集到的Q個(gè)時(shí)域數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)做基2-FFT運(yùn)算，得到陣列信 號(hào)頻域數(shù)據(jù)，其中，Q為2的整數(shù)次冪；
[0008] 步驟3.每個(gè)觀(guān)測(cè)站將所獲得的陣列信號(hào)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(yàn)觀(guān)測(cè)以及觀(guān)測(cè)站的陣列信號(hào)頻域數(shù)據(jù)建立最大似然參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)則；
[0009] 步驟4.在最大似然參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)學(xué)推演建立聯(lián)合估計(jì)目標(biāo)位置 參數(shù)和電離層高度的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型；
[0010]步驟5.基于矩陣特征值擾動(dòng)公式設(shè)計(jì)數(shù)值優(yōu)化中的牛頓型迭代算法，利用數(shù)學(xué)優(yōu) 化模型中矩陣的最大特征值進(jìn)行數(shù)值尋優(yōu)，進(jìn)行超視距目標(biāo)的定位。
[0011]上述的，步驟1中，第η個(gè)觀(guān)測(cè)站的陣列天線(xiàn)所接收到的信號(hào)時(shí)域模型為Xn(t)=i3 nan(p)s(t-Tn(p，hn)-t())+e n(t)(l < η < N)，其中，p表示目標(biāo)位置向量，hn表示目標(biāo)信號(hào)經(jīng)過(guò) 超視距傳播至第η個(gè)觀(guān)測(cè)站所經(jīng)歷的電離層高度，to表示目標(biāo)發(fā)射信號(hào)時(shí)間，s(t)表示目標(biāo) 信號(hào)復(fù)包絡(luò)，a n(pd)表示目標(biāo)信號(hào)相對(duì)于第η個(gè)天線(xiàn)陣列的陣列流形向量，βη表示目標(biāo)信號(hào) 傳播至第η個(gè)觀(guān)測(cè)站的損耗因子，e n(t)表示第η個(gè)觀(guān)測(cè)站中天線(xiàn)陣列的陣元噪聲向量，τη(ρ， hn)表示目標(biāo)信號(hào)到達(dá)第η個(gè)觀(guān)測(cè)站的傳播時(shí)延，它同時(shí)是關(guān)于目標(biāo)位置向量ρ和電離層高 度1的函數(shù)；步驟2中，第η個(gè)觀(guān)測(cè)站的陣列天線(xiàn)所接收到的信號(hào)頻域模型為
其中，？和分別表 示s(tWPen(t)的頻域形式，coq表示第q個(gè)數(shù)字頻點(diǎn)，bn(p，h n，coq)和F(q)的表達(dá)式分別為
步驟3中，中心站所建立的最大似然估計(jì)準(zhǔn)則為
其中，向量 h=[hi h2…h(huán)N]T/&含了每個(gè)觀(guān)測(cè)站所對(duì)應(yīng)的電尚層尚度，石=[/7|/22.../7、] |表不11的先驗(yàn) 觀(guān)測(cè)向量，其觀(guān)測(cè)誤差協(xié)方差矩陣記為P;步驟4中，所建立的聯(lián)合估計(jì)目標(biāo)位置向量P和電 離層高度向量h的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，
其中，λΜΧ[ ·]表示取矩陣的最大特征值，Ρ = ，矩陣B(p，h)和文的表達(dá)式分別為
L m'」 L 向量（(pA.)的表達(dá)式為
[0012] 上述的，步驟5中，所設(shè)計(jì)出的數(shù)值優(yōu)化中的牛頓型迭代算法的實(shí)現(xiàn)步驟為：
[0013] 步驟5.1)利用多重信號(hào)分類(lèi)估計(jì)算法和泰勒級(jí)數(shù)迭代定位算法獲得目標(biāo)位置向 量的初始估計(jì)，將電離層高度的先驗(yàn)觀(guān)測(cè)向量A作為h的初始估計(jì)左~，形成初始迭代向 i
c.
[0014] 步驟5.2)進(jìn)行牛頓型迭代的計(jì)算公式為
式中k表示迭代次數(shù)，0<μ<1表示迭代步長(zhǎng)因子，和分別表示目標(biāo)函數(shù)的梯 度向量和H e s s i a η矩陣，相應(yīng)的計(jì)算公式分別為

其中，《?以? 表示厄米特矩陣......最大特征值，^>
所對(duì)應(yīng)的單位特征向量，矩陣

I 勺計(jì)算公式分別為 7
[0020]
[0021]
分別對(duì)應(yīng)矩陣所除最大特征值以外的其余N-1個(gè)特征值及其對(duì) 應(yīng)的單位特征向量。
[0029]本發(fā)明的有益效果：
[0030]本發(fā)明首先基于信號(hào)超視距傳播模型，建立到達(dá)信號(hào)復(fù)包絡(luò)和載波相位關(guān)于目標(biāo) 位置參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，獲得多站陣列信號(hào)模型，接著利用基2-FFT算法將多站陣列天線(xiàn)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(yàn)觀(guān)測(cè)以及最大似然估計(jì)準(zhǔn)則建立聯(lián)合估計(jì) 目標(biāo)位置參數(shù)和電離層高度的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，最后根據(jù)矩陣特征值擾動(dòng)理論設(shè)計(jì)出Newton 型迭代算法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)超視距目標(biāo)的精確定位，相比于傳統(tǒng)的針對(duì)超視距目標(biāo)的多站測(cè)向 交匯定位法，能夠有效提高目標(biāo)定位的精度，并且可以在電離層高度先驗(yàn)觀(guān)測(cè)的基礎(chǔ)上，進(jìn) 一步提高對(duì)電離層高度的估計(jì)精度;此外，本發(fā)明通過(guò)Newton型迭代來(lái)實(shí)現(xiàn)超視距定位，具 有較快的收斂速度，無(wú)需高維搜索，是一種性能可靠、運(yùn)算高效的定位方法。
【附圖說(shuō)明】：
[0031 ]圖1為本發(fā)明的多觀(guān)測(cè)站超視距目標(biāo)直接定位原理圖；
[0032] 圖2為本發(fā)明的流程示意圖；
[0033] 圖3為本發(fā)明的超視距目標(biāo)定位實(shí)例場(chǎng)景示意圖；
[0034] 圖4為本發(fā)明的定位結(jié)果比對(duì)示意圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0035] 下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，并通過(guò)優(yōu)選的實(shí)施例詳 細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不限于此。
[0036]實(shí)施例一，參見(jiàn)圖1~2所示，一種聯(lián)合無(wú)線(xiàn)電信號(hào)復(fù)包絡(luò)和載波相位信息的超視 距目標(biāo)直接定位方法，具體包含如下步驟：
[0037]步驟1.對(duì)N個(gè)觀(guān)測(cè)站的Μ通道陣列天線(xiàn)接收系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步，根據(jù)奈奎斯特采樣 定理采集目標(biāo)輻射的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)數(shù)據(jù)，獲得陣列信號(hào)時(shí)域數(shù)據(jù)；
[0038] 步驟2.每個(gè)觀(guān)測(cè)站將所采集到的Q個(gè)時(shí)域數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)做基2-FFT運(yùn)算，得到陣列信 號(hào)頻域數(shù)據(jù)，其中，Q為2的整數(shù)次冪；
[0039] 步驟3.每個(gè)觀(guān)測(cè)站將所獲得的陣列信號(hào)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(yàn)觀(guān)測(cè)以及觀(guān)測(cè)站的陣列信號(hào)頻域數(shù)據(jù)建立最大似然參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)則；
[0040] 步驟4.在最大似然參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)學(xué)推演建立聯(lián)合估計(jì)目標(biāo)位置 參數(shù)和電離層高度的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型；
[0041 ]步驟5.基于矩陣特征值擾動(dòng)公式設(shè)計(jì)數(shù)值優(yōu)化中的牛頓型迭代算法，利用數(shù)學(xué)優(yōu) 化模型中矩陣的最大特征值進(jìn)行數(shù)值尋優(yōu)，進(jìn)行超視距目標(biāo)的定位。
[0042]實(shí)施例二，參見(jiàn)圖1~2所示，一種聯(lián)合無(wú)線(xiàn)電信號(hào)復(fù)包絡(luò)和載波相位信息的超視 距目標(biāo)直接定位方法，具體包含如下步驟：
[0043]步驟1.對(duì)Ν個(gè)觀(guān)測(cè)站的Μ通道陣列天線(xiàn)接收系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步，根據(jù)奈奎斯特采樣 定理采集目標(biāo)輻射的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)數(shù)據(jù)，獲得陣列信號(hào)時(shí)域數(shù)據(jù)，第η個(gè)觀(guān)測(cè)站的陣列天線(xiàn)所 接收到的信號(hào)時(shí)域模型為xn(t) =0nan(p)s(t-Tn(p，hn)-tQ) + en(t)(l < η < Ν)，其中，ρ表示 目標(biāo)位置向量，hn表示目標(biāo)信號(hào)經(jīng)過(guò)超視距傳播至第η個(gè)觀(guān)測(cè)站所經(jīng)歷的電離層高度，to表 示目標(biāo)發(fā)射信號(hào)時(shí)間，s(t)表示目標(biāo)信號(hào)復(fù)包絡(luò)，a n(pd)表示目標(biāo)信號(hào)相對(duì)于第η個(gè)天線(xiàn)陣 列的陣列流形向量，仏表示目標(biāo)信號(hào)傳播至第η個(gè)觀(guān)測(cè)站的損耗因子，e n(t)表示第η個(gè)觀(guān)測(cè) 站中天線(xiàn)陣列的陣元噪聲向量，in(p，hn)表示目標(biāo)信號(hào)到達(dá)第η個(gè)觀(guān)測(cè)站的傳播時(shí)延，它同 時(shí)是關(guān)于目標(biāo)位置向量Ρ和電離層高度h n的函數(shù)；
[0044] 步驟2.每個(gè)觀(guān)測(cè)站將所采集到的Q個(gè)時(shí)域數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)做基2-FFT運(yùn)算，得到陣列信 號(hào)頻域數(shù)據(jù)，其中，Q為2的整數(shù)次冪，第η個(gè)觀(guān)測(cè)站的陣列天線(xiàn)所接收到的信號(hào)頻域模型為
f 示s(tWPen(t)的頻域形式，coq表示第q個(gè)數(shù)字頻點(diǎn)，bn(p，h n，coq)和？(％)的表達(dá)式分別為 其中，5Υ?)和茗(6>)分別表
[0045] 步驟3.每個(gè)觀(guān)測(cè)站將所獲得的陣列信號(hào)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(yàn)觀(guān)測(cè)以及觀(guān)測(cè)站的陣列信號(hào)頻域數(shù)據(jù)建立最大似然參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)則，中心站所
建立的最大似然估計(jì)準(zhǔn)則戈 y 其中，向量1ι=[1η h 2··· hN]T包含了每個(gè)觀(guān)測(cè)站所對(duì)應(yīng)的電離層高度，1=?毛…4〇τ表 示h的先驗(yàn)觀(guān)測(cè)向量，其觀(guān)測(cè)誤差協(xié)方差矩陣記為Ρ，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以利用探測(cè)技術(shù) 對(duì)電離層高度進(jìn)行預(yù)測(cè)，或利用公開(kāi)渠道進(jìn)行查詢(xún)，作為電離層高度的先驗(yàn)知識(shí)加以利用；
[0046] 步驟4.在最大似然參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)學(xué)推演建立聯(lián)合估計(jì)目標(biāo)位置 參數(shù)和電離層高度的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，所建立的聯(lián)合估計(jì)目標(biāo)位置向量P和電離層高度向量h 的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型為
其中， Amax[ ·]表示取矩陣的最大特征值，，矩陣8(1)，1〇和#的表達(dá)式分別為
[0047] 步驟5.基于矩陣特征值擾動(dòng)公式設(shè)計(jì)數(shù)值優(yōu)化中的牛頓型迭代算法，利用數(shù)學(xué)優(yōu) 化模型中矩陣的最大特征值進(jìn)行數(shù)值尋優(yōu)，所設(shè)計(jì)出的數(shù)值優(yōu)化中的