聯(lián)合無線電信號復(fù)包絡(luò)和載波相位信息的多目標(biāo)直接定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線電信號的定位領(lǐng)域，特別涉及一種聯(lián)合無線電信號復(fù)包絡(luò)和載波 相位信息的多目標(biāo)直接定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，無線電信號定位對于目標(biāo)發(fā)現(xiàn)及其態(tài)勢感知具有重要意義，其在通信 信號偵察、電子信息對抗、無線電監(jiān)測、遙測與導(dǎo)航等諸多領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用，近幾 十年來一直受到國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注和研究。根據(jù)觀測站的數(shù)目進(jìn) 行劃分可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，這兩類體制各有其自 身優(yōu)勢。具體來說，單站定位系統(tǒng)具有靈活性高、機(jī)動性好、系統(tǒng)簡潔、無需信息同步和信息 傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，而多站定位系統(tǒng)則能夠提供更多的觀測信息量，有助于獲得更高的定位精度。 本專利主要涉及多站定位體制。在多站定位系統(tǒng)中，最具有代表性的兩種定位方式分別為 多站測向交匯定位和多站測時差交匯定位。第一種定位系統(tǒng)要求每個觀測站安裝天線陣 列，每個觀測站利用信號到達(dá)本站內(nèi)不同天線的載波相位差信息估計(jì)出信號方位，然后在 中心站進(jìn)行交匯定位;第二種定位體制則要求估計(jì)信號到達(dá)不同觀測站的復(fù)包絡(luò)時延差， 并利用時延差信息進(jìn)行交匯定位。從所利用的信息來看，前者僅僅利用了信號的載波相位 信息，而后者僅僅利用了信號的復(fù)包絡(luò)信息。雖然這兩種定位系統(tǒng)都有其自身優(yōu)勢，但定位 精度都存在較大提升空間，為了大幅度提高多站定位精度，最好能同時利用到達(dá)信號的復(fù) 包絡(luò)和載波相位信息，并設(shè)計(jì)出新型定位方法。
[0003] 需要指出的是，現(xiàn)有的無線電信號定位方法都可以歸納成兩步估計(jì)定位模式，即 先從信號數(shù)據(jù)中估計(jì)定位參數(shù)(例如方位，時延差等），然后再基于這些參數(shù)估計(jì)目標(biāo)位 置。雖然這種兩步估計(jì)定位模式應(yīng)用廣泛，但存在諸多缺點(diǎn)。首先，根據(jù)信息處理的理論可 知，兩步估計(jì)定位模式難以獲得統(tǒng)計(jì)最優(yōu)的定位精度，這是因?yàn)閺脑夹盘枖?shù)據(jù)到最終估 計(jì)結(jié)果之間每增加一步信息處理環(huán)節(jié)，就會引入一些不確定性，從而損失掉部分信息，并且 影響最終的定位精度(尤其在低信噪比和小樣本數(shù)條件下該問題尤為突出）。其次，兩步估 計(jì)定位模式存在門限效應(yīng)，以測向交匯定位體制為例，當(dāng)兩個目標(biāo)相對于某個觀測站的方 位十分鄰近時（小于其角度分辨門限時），該觀測站會將其誤判為同一信號，若該測向站將 這一錯誤信息傳送至中心站則可能導(dǎo)致中心站誤判。最后，當(dāng)有多個目標(biāo)同時存在時，兩步 估計(jì)定位模式存在"目標(biāo)-量測"匹配問題，即如何將信號測量參數(shù)與目標(biāo)進(jìn)行正確關(guān)聯(lián)，從 而完成后續(xù)的多目標(biāo)定位。為了克服兩步定位模式的缺點(diǎn)，一種較好的措施是采用單步定 位(亦稱直接定位)模式，即從信號采集數(shù)據(jù)域中直接提取目標(biāo)的位置參數(shù)，而無需估計(jì)其 它的中間定位參數(shù)，這一定位思想最早是由以色列學(xué)者A. J. Weiss和A. Amar所提出，然而他 們所提出的定位算法都需要高維搜索運(yùn)算，可能會導(dǎo)致龐大的運(yùn)算量，需要設(shè)計(jì)出可以避 免多維搜索的高效算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)中多站測向交匯定位和多站測時差交匯定位的不足，本發(fā)明提供一 種聯(lián)合無線電信號復(fù)包絡(luò)和載波相位信息的多目標(biāo)直接定位方法，通過在底層數(shù)據(jù)域直接 進(jìn)行目標(biāo)位置估計(jì)，取得更高的定位精度，同時避免兩步定位模式中存在的門限效應(yīng)和"目 標(biāo)-量測"匹配問題，具有較快的收斂速度、無需高維搜索，性能穩(wěn)定、可靠。
[0005] 按照本發(fā)明所提供的設(shè)計(jì)方案，一種聯(lián)合無線電信號復(fù)包絡(luò)和載波相位信息的多 目標(biāo)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Μ通道陣列天線接收系統(tǒng)做時間同步，根據(jù)奈奎斯特采樣 定理采集目標(biāo)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.對每個觀測站的陣列信號時域數(shù)據(jù)在時域上劃分成Κ個子段，每個子段內(nèi) 均包含有Q個采集數(shù)據(jù)點(diǎn)，對每個子段內(nèi)的Q個數(shù)據(jù)樣本做基2-FFT運(yùn)算，得到陣列信號頻域 數(shù)據(jù)；
[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，中心站對每個觀 測站傳輸?shù)年嚵行盘栴l域數(shù)據(jù)按照觀測站的順序堆棧排列，構(gòu)造高維陣列信號頻域數(shù)據(jù)；
[0009] 步驟4.針對每個采集數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用Κ個子段數(shù)據(jù)構(gòu)造高維陣列協(xié)方差矩陣的最大 似然估計(jì)值；
[0010] 步驟5.對每個采集數(shù)據(jù)點(diǎn)所構(gòu)造的高維陣列協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解，利用其 MN-D個最小特征值對應(yīng)的單位特征向量構(gòu)造特征向量矩陣，并計(jì)算特征向量矩陣列空間的 正交投影矩陣，D為目標(biāo)個數(shù)；
[0011] 步驟6.基于矩陣特征值擾動公式設(shè)計(jì)數(shù)值優(yōu)化中的牛頓型迭代算法進(jìn)行多目標(biāo) 定位。
[0012] 上述的，步驟1中第η個觀測站的陣列天線所接收到的信號時域模型表示為：
其中，Pd表示第d個目標(biāo)的位置 向量，if表示第d個目標(biāo)信號的發(fā)射信號時間，Sd(t)表示第d個目標(biāo)信號的復(fù)包絡(luò)，an(p d) 表示第d個目標(biāo)信號相對于第η個觀測站的天線陣列流形向量，in(pd)表示第d個目標(biāo)信號到 達(dá)第η個觀測站的傳播時延，i3nd表示第d個目標(biāo)信號傳播至第η個觀測站的損耗因子，en(t) 表示第η個觀測站中天線陣列的陣元噪聲向量;第η個觀測站的陣列天線接收信號在第k個 子段內(nèi)的頻域模型為：
其中，⑷和 ξ,(?)(ω)分別表示和<>(〇的頻域形式，ω q表示第q個采集數(shù)據(jù)點(diǎn)；步驟3中高維陣列 信號頻域模型表示為：
其中， 步驟4中第q個采
集數(shù)據(jù)點(diǎn)的高維陣列協(xié)方差矩陣的最大似然估計(jì)值表示為：

步驟5中，特征值分解表示為： 其 f 中，&Ν?%；)中的列向量是矩陣辦％)的MN-D個最小特征值對應(yīng)的單位特征向量，該矩陣 列空間的正交投影矩陣為
[0013] 上述的，步驟6中的數(shù)值優(yōu)化中的牛頓型迭代算法進(jìn)行多目標(biāo)定位具體包含如下 內(nèi)容：
[0014] 步驟6.1)利用多重信號分類估計(jì)算法和Taylor級數(shù)迭代定位算法獲得目標(biāo)位置 向量的初始估計(jì){ }丨泌D .
[0015] 步驟6.2)依次對D個目標(biāo)信號的位置向量進(jìn)行牛頓迭代，其迭代公式為：
(1 S D)，其中，m表示迭代次數(shù)，0<μ<1表示迭 代步長因子，分別表示目標(biāo)函數(shù)的梯度向量和Hessian矩陣，相應(yīng)的計(jì)算 公式分別表不為：
[0016]

表示矩罔
t最小特征值 Λ(兄m))所對應(yīng)的單位特征向量，矩陣
）的計(jì)算公式分別表 示為：
[0017]
小特征值以外的其余N-1個特征值及其對應(yīng)的單位特征向量。
[0019] 本發(fā)明的有益效果：
[0020] 本發(fā)明首先建立到達(dá)信號的復(fù)包絡(luò)和載波相位關(guān)于目標(biāo)位置參數(shù)的解析模型，通 過基2-FFT算法將多站陣列信號時域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成頻域數(shù)據(jù)，并在頻域利用子空間正交原理 構(gòu)造直接估計(jì)目標(biāo)位置參數(shù)的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，然后基于矩陣特征值擾動理論設(shè)計(jì)出Newton 型迭代算法，以實(shí)現(xiàn)對多目標(biāo)的精確定位;相比于傳統(tǒng)的多站測向交匯定位和多站測時差 交匯定位方法，本發(fā)明能夠同時利用到達(dá)信號的復(fù)包絡(luò)和載波相位信息，通過在底層數(shù)據(jù) 域直接進(jìn)行目標(biāo)位置估計(jì)，能夠取得更高的定位精度，同時還可以避免兩步定位模式中存 在的門限效應(yīng)和"目標(biāo)-量測"匹配問題;此外，本發(fā)明公開的定位方法是通過Newton型迭代 來實(shí)現(xiàn)，具有較快的收斂速度，無需高維搜索，性能可靠、運(yùn)算高效。
【附圖說明】：
[0021 ]圖1為本發(fā)明的多觀測站多目標(biāo)直接定位原理圖；
[0022]圖2為本發(fā)明的流程示意圖；
[0023] 圖3為本發(fā)明的定位實(shí)例場景示意圖；
[0024] 圖4為本發(fā)明的定位結(jié)果對比示意圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0025] 下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，并通過優(yōu)選的實(shí)施例詳 細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不限于此。
[0026] 實(shí)施例一，參見圖1~2所示，一種聯(lián)合無線電信號復(fù)包絡(luò)和載波相位信息的多目 標(biāo)直接定位方法，具體包含如下步驟：
[0027] 步驟1.對N個觀測站的Μ通道陣列天線接收系統(tǒng)做時間同步，根據(jù)奈奎斯特采樣定 理采集目標(biāo)輻射的無線電信號數(shù)據(jù)，獲得陣列信號時域數(shù)據(jù)；
[0028] 步驟2.對每個觀測站的陣列信號時域數(shù)據(jù)在時域上劃分成Κ個子段，每個子段內(nèi) 均包含有Q個采集數(shù)據(jù)點(diǎn)，對每個子段內(nèi)的Q個數(shù)據(jù)樣本做基2-FFT運(yùn)算，得到陣列信號頻域 數(shù)據(jù)；
[0029] 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，中心站對每個觀 測站傳輸?shù)年嚵行盘栴l域數(shù)據(jù)按照觀測站的順序堆棧排列，構(gòu)造高維陣列信號頻域數(shù)據(jù)；
[0030] 步驟4.針對每個采集數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用K個子段數(shù)據(jù)構(gòu)造高維陣列協(xié)方差矩陣的最大 似然估計(jì)值；
[0031] 步驟5.對每個采集數(shù)據(jù)點(diǎn)所構(gòu)造的高維陣列協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解，利用 其MN-D個最小特征值對應(yīng)的單位特征向量構(gòu)造特征向量矩陣，并計(jì)算該矩陣列空間的正交 投影矩陣，D為目標(biāo)信號個數(shù)；
[0032] 步驟6.基于矩陣特征值擾動公式設(shè)計(jì)數(shù)值優(yōu)化中的牛頓型迭代算法進(jìn)行多目標(biāo) 定位。
[0033] 實(shí)施例二，參見圖1~2,一種聯(lián)合無線電信號復(fù)包絡(luò)和載波相位信息的多