一種基于外輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于外輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法，克服了現(xiàn)有直接定位方法對(duì)外輻射源直達(dá)波信號(hào)信息利用不足的問(wèn)題。該發(fā)明包括以下步驟：對(duì)L個(gè)觀測(cè)站的雙通道接收系統(tǒng)做好時(shí)間同步，對(duì)各站雙通道的接收數(shù)據(jù)分別計(jì)算其傅立葉系數(shù)，每個(gè)觀測(cè)站將所獲得的陣列信號(hào)頻域數(shù)據(jù)傳輸至中心站，在中心站對(duì)轉(zhuǎn)化值頻域的數(shù)據(jù)構(gòu)造高斯最大似然函數(shù)并提取包含回波時(shí)延、多普勒以及直達(dá)波時(shí)延信息的信息矩陣，通過(guò)設(shè)定網(wǎng)格搜索范圍，并計(jì)算地理網(wǎng)格點(diǎn)上數(shù)據(jù)信息矩陣對(duì)應(yīng)的最大特征值，通過(guò)搜索網(wǎng)格范圍內(nèi)的最大值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)即可得到對(duì)目標(biāo)的精確定位。與傳統(tǒng)的兩步定位算法相比，減少了定位信息的損失，定位精度明顯提升。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種基于外輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 該發(fā)明涉及一種外福射無(wú)源定位場(chǎng)景下的定位方法，特別是涉及一種基于外福射 源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 外輻射源無(wú)源定位，指的是利用非合作的第三方輻射源(例如AM/FM信號(hào)、普通/數(shù) 字電視信號(hào)等)作為目標(biāo)的照射源，通過(guò)對(duì)直達(dá)波及反射回波進(jìn)行處理，以得到時(shí)延、頻率 等相關(guān)參數(shù)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位與跟蹤。利用第三方的非合作照射源對(duì)目標(biāo)進(jìn)行 探測(cè)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隱形目標(biāo)和靜默目標(biāo)的探測(cè)、定位與跟蹤，同樣也可以用于對(duì)目標(biāo)的 成像與識(shí)別。
[0003] 目前外福射源無(wú)源定位采用的定位體制是傳統(tǒng)的無(wú)源定位體制，即兩步定位體 制，即首先進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，如到達(dá)角度、到達(dá)時(shí)間、到達(dá)時(shí)間差、多普勒頻差、接收信號(hào)強(qiáng)度 及多種參數(shù)聯(lián)合估計(jì)，再通過(guò)對(duì)獲取的參數(shù)進(jìn)行定位解算獲得目標(biāo)的位置估計(jì)。由于傳統(tǒng) 的兩步定位法需要首先獲得目標(biāo)的相關(guān)參數(shù)，然后通過(guò)解定位方程來(lái)得到目標(biāo)的位置估 計(jì)，使得參數(shù)估計(jì)和定位解算相分離，無(wú)法保證測(cè)量的參數(shù)與真實(shí)目標(biāo)的位置信息相匹配， 同時(shí)第一步測(cè)量得到的參數(shù)的誤差可能進(jìn)一步被解算方法放大并且很難被消除，從而導(dǎo)致 整個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中不可避免地存在信息損失，所以無(wú)法獲得最優(yōu)的估計(jì)性能。
[0004] 傳統(tǒng)的兩步定位算法具有模型本身的缺點(diǎn)，且定位性能受制于參數(shù)精度的獲取， 使得定位存在一定的誤差。考慮到接收的數(shù)據(jù)中本身已經(jīng)含有時(shí)延參數(shù)、多普勒頻率參數(shù) 以及目標(biāo)位置等信息，那么直接從接收數(shù)據(jù)中提取目標(biāo)的坐標(biāo)參數(shù)也是可行的。因此，如何 能夠從數(shù)據(jù)中直接獲取目標(biāo)位置信息就成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。
[0005] A.Dornon等人首先分析了確定性最大似然估計(jì)器和高斯最大似然估計(jì)器用于寬 帶發(fā)射源定位時(shí)的性能。A. Weiss通過(guò)構(gòu)造最大似然代價(jià)函數(shù)，在定義的地理網(wǎng)格中進(jìn)行二 維搜索直接得到目標(biāo)的位置估計(jì)，提出了與兩步定位法相區(qū)別的一種新定位方法一直接定 位法，該算法能夠在低信噪比條件下逼近克拉美羅下界。DH)算法將參數(shù)估計(jì)與定位解算融 合到一個(gè)模型當(dāng)中，避免了傳統(tǒng)定位方法中的信息損失；同時(shí)DPD算法中融合了所有觀測(cè)站 的數(shù)據(jù)信息，解決了多目標(biāo)定位中"數(shù)據(jù)-發(fā)射源關(guān)聯(lián)"的問(wèn)題。但是他們所設(shè)計(jì)的直接定位 算法沒(méi)有考慮具體的定位場(chǎng)景，因而減少了可以增加定位信息、提高定位精度的可能。在外 輻射源無(wú)源定位背景下，各個(gè)觀測(cè)站除了接收來(lái)自目標(biāo)反射的回波信號(hào)之外，還要接收來(lái) 自外輻射源的直達(dá)波信號(hào)，將直達(dá)波信號(hào)與回波信號(hào)一同構(gòu)造高維的接收數(shù)據(jù)模型能夠有 效地提高定位精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中，現(xiàn)有外輻射源無(wú)源定位條件下傳統(tǒng)兩步定位方法精度 不足以及現(xiàn)有直接定位方法對(duì)外輻射源直達(dá)波信號(hào)信息利用不足的問(wèn)題，提供一種基于外 輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，提供一種具有以下步驟的基于外輻射源時(shí)延和多普勒 頻率的直接定位方法:包括以下步驟：
[0008]步驟1:對(duì)L個(gè)觀測(cè)站的雙通道接收系統(tǒng)做好時(shí)間同步，并根據(jù)Nyquist采樣定理采 集外輻射源的直達(dá)波信號(hào)以及經(jīng)目標(biāo)反射的回波信號(hào)，從而獲得多站接收的時(shí)域數(shù)據(jù)； [0009]步驟2:對(duì)各站雙通道的接收數(shù)據(jù)分別計(jì)算其傅立葉系數(shù)，從而得到多站接收信號(hào) 的頻域數(shù)據(jù)；
[0010]步驟3:每個(gè)觀測(cè)站將所獲得的陣列信號(hào)頻域數(shù)據(jù)傳輸至中心站，中心站將每個(gè)站 傳輸?shù)年嚵行盘?hào)數(shù)據(jù)按照觀測(cè)站的順序堆棧排列，以構(gòu)造高維陣列信號(hào)頻域數(shù)據(jù)；
[0011] 步驟4:在中心站對(duì)轉(zhuǎn)化值頻域的數(shù)據(jù)構(gòu)造高斯最大似然函數(shù)并提取包含回波時(shí) 延、多普勒以及直達(dá)波時(shí)延信息的信息矩陣；
[0012] 步驟5:通過(guò)設(shè)定網(wǎng)格搜索范圍，并計(jì)算地理網(wǎng)格點(diǎn)上數(shù)據(jù)信息矩陣對(duì)應(yīng)的最大特 征值；
[0013] 步驟6:通過(guò)搜索網(wǎng)格范圍內(nèi)的最大值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)即可得到對(duì)目標(biāo)的精確定位。
[0014] 所述步驟1中，第1個(gè)觀測(cè)站的所接收到的信號(hào)時(shí)域模型為
[0016]其中，S表示外輻射源相對(duì)于第1個(gè)觀測(cè)站的直達(dá)路徑時(shí)延n=(| |pe-p〇l I + I pi-pQ| | )/c表示外輻射源照射目標(biāo)并反射至觀測(cè)站產(chǎn)生的時(shí)延，c表示信號(hào)傳播速度，|卜 表示2范數(shù);pe為外輻射源位置，發(fā)射信號(hào)帶寬W，p Q為目標(biāo)位置，速度為v=[Vx，vy]T;W1(t) 與分別表示均值為0,方差為 〇2直達(dá)波通道與回波通道的加性平穩(wěn)復(fù)高斯白噪聲;fl 表示目標(biāo)與觀測(cè)站之間的多普勒頻率，其包含兩部分，一部分為外輻射源照射至目標(biāo)時(shí)信 號(hào)的多普勒頻率，另一部分是反射回波到達(dá)觀測(cè)站時(shí)產(chǎn)生的多普勒頻率，故fi可表示為
[0018] 其中，口1=41，71]7(1 = 1，2，一，〇為具有雙通道的觀測(cè)站，一個(gè)通道接收來(lái)自外 輻射源的直達(dá)波信號(hào)，一個(gè)通道接收來(lái)自目標(biāo)反射的回波信號(hào)。
[0019] 所述步驟2中，第1個(gè)觀測(cè)站的所接收到的信號(hào)頻域模型為 則似"14 確 1
[0021] 其中，4.人），與丨 U/:,) 廠,/? = 土丨，土 分別表示接收信 號(hào)、發(fā)射信號(hào)以及噪聲的傅立葉系數(shù)。
[0022] 所述步驟3中，中心站所獲得的高維信號(hào)頻域模型為 "4^1 「化1
[0023] f,= L 備+ 、1 _ 4」L%.
[0024] 其中， 6 = B(/-A. M (/-AT+1 )，…，6 (A 卜[歹(/-,v M (/-jV+1)，…，歹(/#)]r B, ,-,en，Tr^ i
[0025] \ ^ 、 A, -diag\e^j2jI'LNr, ,e^]2rrK':+'Tl,---,e^J2rc，xT'^ ^ = [?/ (/1a- ) ^ w, {f_N+l ),???, (fN )]T 七,=[心(.,:#)，< Uami)，…，夂(D]T
[0026] 式中，#,表示循環(huán)移位矩陣，其形式如下所示，即將單位陣循環(huán)向下移位floor (Tf〇 + l行，其作用是為了表示處于數(shù)據(jù)位置的多普勒頻移即將矩陣S按行循環(huán)向下移 位;1^1〇〇1'(了;1；'1)，;1^1〇〇1'(>)表示向下取整，
[0028]所述步驟4中，構(gòu)造的高斯最大似然函數(shù)為
L0030」經(jīng)過(guò)推導(dǎo)簡(jiǎn)化，可得到如下形式
[0032]其中，泛信息矩陣為 s
[0033] Qc = VVh
[0034] V = [{AfFll B^)r^ O
[0035] 所述步驟5中，地理網(wǎng)格點(diǎn)上數(shù)據(jù)信息矩陣對(duì)應(yīng)的最大特征值為C3 = Amax(Q。），QC的 維度為（2N+1) X (2N+1)，且當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間時(shí)會(huì)進(jìn)一步增加 Qc的維度，對(duì)其特征值分解求 特征值極大地增加了運(yùn)算量;考慮給定矩陣X，XHX與XX H的非零特征值是一致的，故可利用這 一結(jié)論將C3變換為
[0036] C3 = (泛）式中，么=fF
[0037] 所述步驟6中，通過(guò)網(wǎng)格搜索得到代價(jià)函數(shù)的最大值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)即為目標(biāo)位置的 估計(jì)
[0038] k = argmax4iax；(g;j Pq 〇
[0039] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于外輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法具有以 下優(yōu)點(diǎn)：首先通過(guò)計(jì)算接收信號(hào)的傅立葉系數(shù)將時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成頻域數(shù)據(jù)，然后對(duì)轉(zhuǎn)換至 頻域的接收數(shù)據(jù)構(gòu)建高斯最大似然估計(jì)器，再將從數(shù)據(jù)中提取目標(biāo)位置信息的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為 求解信息矩陣的最大特征值的問(wèn)題，最后通過(guò)地理網(wǎng)格搜索獲取目標(biāo)位置的估計(jì)。與傳統(tǒng) 的兩步定位算法相比，本發(fā)明提供的方法直接利用接收底層數(shù)據(jù)進(jìn)行位置估計(jì)，避免了因 參數(shù)估計(jì)與位置解算相分離而導(dǎo)致測(cè)量參數(shù)不能保證與真實(shí)位置匹配的問(wèn)題，減少了定位 信息的損失，定位精度明顯提升且進(jìn)一步逼近克拉美羅下界并對(duì)觀測(cè)站具有不同信噪比的 情況具有較好的魯棒性。
[0040]相比于傳統(tǒng)兩步定位方法以及現(xiàn)有的直接定位方法，綜合考慮了外輻射源的直達(dá) 波信息與目標(biāo)反射回波信息，構(gòu)建了包含時(shí)延與多普勒信息的多維信號(hào)模型，通過(guò)利用底 層接收數(shù)據(jù)直接對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行估計(jì)，獲取了更高的定位精度以及對(duì)觀測(cè)站具有不同信噪 比的魯棒性。本發(fā)明公開(kāi)的定位方法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、高效的特點(diǎn)，是一種性能穩(wěn)健、可靠的 高精度定位方法。
【附圖說(shuō)明】
[0041] 圖1是本發(fā)明基于外輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法中兩步定位體制與 直接定位體制對(duì)比示意圖；
[0042] 圖2是本發(fā)明基于外輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法中一種外輻射源無(wú) 源定位場(chǎng)景的示意圖；
[0043] 圖3是本發(fā)明基于外輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法中外輻射源無(wú)源定 位場(chǎng)景下聯(lián)合時(shí)延與多普勒的直接定位原理框圖；
[0044] 圖4是本發(fā)明基于外輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法中定位實(shí)例場(chǎng)景示 意圖；
[0045] 圖5是本發(fā)明基于外輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法中直接定位方法的 網(wǎng)格偽譜圖；
[0046] 圖6是本發(fā)明基于外輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法中不同方法的定位 均方根誤差隨信噪比的變化曲線；
[0047] 圖7是本發(fā)明基于外輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法中不同方法的定位 均方根誤差隨觀測(cè)站數(shù)量的變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明基于外輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接 定位方法作進(jìn)一步說(shuō)明：如圖所示，本實(shí)施例為了解決上述問(wèn)題，需要首先建立包含外輻射 源的直達(dá)波信號(hào)以及目標(biāo)反射的回波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，基于此，通過(guò)計(jì)算接收信號(hào)的傅立 葉系數(shù)將時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成頻域數(shù)據(jù)，然后對(duì)轉(zhuǎn)換至頻域的接收數(shù)據(jù)構(gòu)建高斯最大似然估計(jì) 器，再將從數(shù)據(jù)中提取目標(biāo)位置信息的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解信息矩陣的最大特征值的問(wèn)題，最 后通過(guò)地理網(wǎng)格搜索獲取目標(biāo)位置的估計(jì)。本發(fā)明具體實(shí)施步驟如下：
[0049] 本發(fā)明公開(kāi)的外輻射源無(wú)源定位場(chǎng)景下聯(lián)合時(shí)延與多普勒的直接定位方法需要 每個(gè)接收站接收來(lái)自外輻射源的直達(dá)波信號(hào)以及經(jīng)目標(biāo)反射的回波信號(hào)，每個(gè)觀測(cè)站會(huì)將 轉(zhuǎn)化值頻域的數(shù)據(jù)傳輸至中心站，中心站將利用這些底層數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行位置估計(jì)。
[0050] 如圖3所示，本發(fā)明公開(kāi)的外輻射源無(wú)源定位場(chǎng)景下聯(lián)合時(shí)延與多普勒的直接定 位方法包括以下步驟：
[0051 ]步驟1:對(duì)L個(gè)觀測(cè)站的雙通道接收系統(tǒng)做好時(shí)間同步，并根據(jù)Nyquist采樣定理采 集外輻射源的直達(dá)波信號(hào)以及經(jīng)目標(biāo)反射的回波信號(hào)，從而獲得多站接收的時(shí)域數(shù)據(jù)。 [0052]步驟2:對(duì)各站雙通道的接收數(shù)據(jù)分別計(jì)算其傅立葉系數(shù)，從而得到多站接收信號(hào) 的頻域數(shù)據(jù)。
[0053] 步驟3:每個(gè)觀測(cè)站將所獲得的陣列信號(hào)頻域數(shù)據(jù)傳輸至中心站，中心站將每個(gè)站 傳輸?shù)年嚵行盘?hào)數(shù)據(jù)按照觀測(cè)站的順序堆棧排列，以構(gòu)造高維陣列信號(hào)頻域數(shù)據(jù)。
[0054] 步驟4:在中心站對(duì)轉(zhuǎn)化值頻域的數(shù)據(jù)構(gòu)造高斯最大似然函數(shù)并提取包含回波時(shí) 延、多普勒以及直達(dá)波時(shí)延信息的信息矩陣。
[0055] 步驟5:通過(guò)設(shè)定網(wǎng)格搜索范圍，并計(jì)算地理網(wǎng)格點(diǎn)上數(shù)據(jù)信息矩陣對(duì)應(yīng)的最大特 征值。
[0056] 步驟6:通過(guò)搜索網(wǎng)格范圍內(nèi)的最大值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)即可得到對(duì)目標(biāo)的精確定位。
[0057] 所述步驟1中，第1個(gè)觀測(cè)站的所接收到的信號(hào)時(shí)域模型為
[0058] ;；(?)= ~) + , 0<l<T
[0059] 其中，4表示外輻射源相對(duì)于第1個(gè)觀測(cè)站的直達(dá)路徑時(shí)延；t1=(| |Pe-PQ| | + | pi-pQ| | )/c表示外輻射源照射目標(biāo)并反射至觀測(cè)站產(chǎn)生的時(shí)延，c表示信號(hào)傳播速度，|卜 表示2范數(shù);Pe為外輻射源位置，發(fā)射信號(hào)帶寬W，P0為目標(biāo)位置，速度為V=[Vx，Vy] T;W1(t) 與分別表示均值為0,方差為〇2直達(dá)波通道與回波通道的加性平穩(wěn)復(fù)高斯白噪聲;fi 表示目標(biāo)與觀測(cè)站之間的多普勒頻率，其包含兩部分，一部分為外輻射源照射至目標(biāo)時(shí)信 號(hào)的多普勒頻率，另一部分是反射回波到達(dá)觀測(cè)站時(shí)產(chǎn)生的多普勒頻率，故fl可表示為
[0061] 其中，口1=41，71]7(1 = 1，2，一，〇為具有雙通道的觀測(cè)站，一個(gè)通道接收來(lái)自外 輻射源的直達(dá)波信號(hào)，一個(gè)通道接收來(lái)自目標(biāo)反射的回波信號(hào)；
[0062] 所述步驟2中，第1個(gè)觀測(cè)站的所接收到的信號(hào)頻域模型為 N,-/;K叫 hu)」
[0064]其中\(zhòng)(乂）與巧(x) (乂 =n/r，》= ±l，±2:,…)分別表示接收信 號(hào)、發(fā)射信號(hào)以及噪聲的傅立葉系數(shù)；
[0065] 所述步驟3中，中心站所獲得的高維信號(hào)頻域模型為 AF, . wd.
[0066] r, = ^ ' L %」La _
[0067] 其中，
[0069]式中，片表示循環(huán)移位矩陣，其形式如下所示，即將單位陣循環(huán)向下移位floor (Tf〇+l行，其作用是為了表示處于數(shù)據(jù)位置的多普勒頻移;卩將矩陣封安行循環(huán)向下移 位;1^1〇〇1'(了;1；'1)，;1^1〇〇1'(>)表示向下取整。
[0071 ]所述步驟4中，構(gòu)造的高斯最大似然函數(shù)為 L (af'"]
[0072] A^argminY ??- L 1 ~s ^ ? {Bi )
[0073] 經(jīng)過(guò)推導(dǎo)簡(jiǎn)化，可得到如下形式
[0075]其中屬=(#;T^,爲(wèi) [0076]信息矩陣為
[0077] Qc = VVh
[0078] V^AfF^ B^)vl
[0079]所述步驟5中，地理網(wǎng)格點(diǎn)上數(shù)據(jù)信息矩陣對(duì)應(yīng)的最大特征值為 [0080] C3 = Amax(Qc)
[00811 注意到Qc的維度為(2N+1) X (2N+1)，且當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間時(shí)會(huì)進(jìn)一步增加 Qc的維度， 對(duì)其特征值分解求特征值極大地增加了運(yùn)算量?？紤]給定矩陣x，xHx與XXH的非零特征值是 一致的，故可利用這一結(jié)論將C 3變換為
[0082] €3=Anw(a)
[0083] 式中，泛.=FHF ;此時(shí)g的維度僅有LXL維且僅與觀測(cè)站數(shù)量有關(guān)，可極大減小了 運(yùn)算量。
[0084] 所述步驟6中，通過(guò)網(wǎng)格搜索得到代價(jià)函數(shù)的最大值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)即為目標(biāo)位置的 估計(jì)
[0085] 氣=邸gm々3amax(迗)
[0086]外輻射源位置(-3500m，3500m)，發(fā)射信號(hào)載頻為fc=109Hz，帶寬為300kHz的高斯 信號(hào)，其傳播速度為c = 3X108;目標(biāo)位置(3200111，3200111)，速度￥=[260，120]\選取5個(gè)觀測(cè) 站，位置依次分布為（l〇〇〇m，4500m)，（500m, 2000m)，（3000m，5500m)，（4200m, 1500m)和 (5500m, 2500m)，其地理分布如圖4所示。各觀測(cè)站對(duì)信號(hào)觀測(cè)時(shí)間為lus，采樣頻率為 106Hz，即采樣點(diǎn)數(shù)為1000點(diǎn)。
[0087]圖5給出了一種直接定位網(wǎng)格偽譜圖，該圖中，各站接收直達(dá)波信噪比設(shè)為30dB， 接收回波信噪比（Signal Noise Ratio,SNR)分別設(shè)定為[5(18,0(18,3(18，-5(18,0(18]?？梢钥?出在目標(biāo)位置處有明顯的譜峰，通過(guò)獲取譜峰對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)即可得到目標(biāo)位置的估計(jì)。
[0088] 圖6比較了直接定位算法與傳統(tǒng)兩步定位算法隨信噪比變化時(shí)的性能，其中，兩步 定位算法為，首先利用模糊函數(shù)估計(jì)出接收信號(hào)的時(shí)延與多普勒頻率信息，再利用Taylor 級(jí)數(shù)迭代得到目標(biāo)的位置估計(jì)，目標(biāo)位置初始值設(shè)為真實(shí)目標(biāo)位置附加功率為相應(yīng)信噪比 下2倍克拉美羅界的理論值的隨機(jī)高斯噪聲，迭代次數(shù)為10次，其中參考站選擇為站1。直接 定位算法搜索范圍為以目標(biāo)為中心的范圍為800m的矩形區(qū)域。為了便于對(duì)比，設(shè)定所有觀 測(cè)站的信噪比是一致的并同時(shí)變化的，仿真次數(shù)100次。從圖中可以看出，直接定位算法在 低信噪比的條件下定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的兩步定位算法，并在較高信噪比時(shí)可達(dá)CRB，主 要是因?yàn)?，一方面Taylor級(jí)數(shù)法是通過(guò)忽略高階項(xiàng)近似線性化定位方程實(shí)現(xiàn)定位解算的， 在較低信噪比時(shí)容易不收斂，從而產(chǎn)生較大誤差；
[0089] 另一方面，信噪比也很大程度上影響了時(shí)延與多普勒頻率參數(shù)獲取的精度，參數(shù) 估計(jì)的誤差在位置解算時(shí)被進(jìn)一步放大，從而導(dǎo)致兩步定位算法的性能較差。直接定位利 用接收數(shù)據(jù)構(gòu)建最大似然估計(jì)器直接實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置的估計(jì)，避免了參數(shù)估計(jì)與位置解算分 離以及位置解算過(guò)程中的近似造成的信息損失，從而有效地提高了定位的估計(jì)精度。
[0090] 考慮觀測(cè)站數(shù)量對(duì)算法性能的影響。在已有觀測(cè)站的基礎(chǔ)上再增加數(shù)個(gè)觀測(cè)站， 其位置坐標(biāo)為：（500m,3000m)，（5200m,4200m)，（2500m, 1500m)和（3100m,4500m)。圖7反映 了信噪比為-5dB條件下，觀測(cè)站依次加入定位系統(tǒng)中時(shí)各算法的定位性能比較。從圖中可 以看出，隨著觀測(cè)站數(shù)量的增加，定位誤差不斷減小。其中本文算法最優(yōu)，在觀測(cè)站數(shù)量達(dá) 到7個(gè)時(shí)能夠達(dá)到CRB。
[0091] 考慮不同觀測(cè)站接收信號(hào)為不同信噪比時(shí)對(duì)定位性能的影響。表1比較了在各站 為不同信噪比時(shí)直接定位算法與兩步定位算法的定位結(jié)果，不同情況的信噪比下誤差取50 次的平均結(jié)果。從表中可以看出，當(dāng)各站信噪比不同時(shí)，相比于Taylor級(jí)數(shù)法，直接定位算 法魯棒性更強(qiáng)。由于在Taylor級(jí)數(shù)法中選取第1個(gè)觀測(cè)站為參考站，因此第1個(gè)站的接收信 噪比對(duì)算法性能的影響較大。反映在表中第3、4組數(shù)據(jù)上，同樣存在兩個(gè)站的信噪比為-10dB時(shí)，第1站的性噪比對(duì)定位精度影響更大，因?yàn)榇藭r(shí)不同站需要通過(guò)參考站獲取時(shí)差和 多普勒頻差參數(shù)，而參考站的接收信號(hào)質(zhì)量直接影響其余各站參數(shù)的獲取。相反地，直接定 位算法是通過(guò)對(duì)各站在地理網(wǎng)格中形成的偽譜進(jìn)行搜索獲取目標(biāo)位置估計(jì)的，如果存在觀 測(cè)站的接收數(shù)據(jù)能夠形成譜峰，即可實(shí)現(xiàn)定位，故直接定位算法對(duì)觀測(cè)站具有不同信噪比 的情況具有較好的魯棒性。
[0092] 表1各站具有不同信噪比時(shí)不同定位算法性能比較
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于外輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法，其特征在于:該方法包括以 下步驟： 步驟1:對(duì)L個(gè)觀測(cè)站的雙通道接收系統(tǒng)做好時(shí)間同步，并根據(jù)Nyquist采樣定理采集外 輻射源的直達(dá)波信號(hào)以及經(jīng)目標(biāo)反射的回波信號(hào)，從而獲得多站接收的時(shí)域數(shù)據(jù)； 步驟2:對(duì)各站雙通道的接收數(shù)據(jù)分別計(jì)算其傅立葉系數(shù)，從而得到多站接收信號(hào)的頻 域數(shù)據(jù)； 步驟3:每個(gè)觀測(cè)站將所獲得的陣列信號(hào)頻域數(shù)據(jù)傳輸至中心站，中心站將每個(gè)站傳輸 的陣列信號(hào)數(shù)據(jù)按照觀測(cè)站的順序堆棧排列，以構(gòu)造高維陣列信號(hào)頻域數(shù)據(jù)； 步驟4:在中心站對(duì)轉(zhuǎn)化值頻域的數(shù)據(jù)構(gòu)造高斯最大似然函數(shù)并提取包含回波時(shí)延、多 普勒以及直達(dá)波時(shí)延信息的信息矩陣； 步驟5:通過(guò)設(shè)定網(wǎng)格搜索范圍，并計(jì)算地理網(wǎng)格點(diǎn)上數(shù)據(jù)信息矩陣對(duì)應(yīng)的最大特征 值； 步驟6:通過(guò)搜索網(wǎng)格范圍內(nèi)的最大值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)即可得到對(duì)目標(biāo)的精確定位。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于外輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法，其特征在 于:所述步驟1中，第1個(gè)觀測(cè)站的所接收到的信號(hào)時(shí)域模型為其中，％表示外輻射源相對(duì)于第1個(gè)觀測(cè)站的直達(dá)路徑時(shí)延；H = (| Ipe-pol | + | |Pl-p〇 )/c表示外輻射源照射目標(biāo)并反射至觀測(cè)站產(chǎn)生的時(shí)延，c表示信號(hào)傳播速度，Μ · I I表示 2范數(shù);pe為外輻射源位置，發(fā)射信號(hào)帶寬W，pQ為目標(biāo)位置，速度為v=[ Vx，vy]T;W1(t)與 % 分別表示均值為〇，方差為σ2直達(dá)波通道與回波通道的加性平穩(wěn)復(fù)高斯白噪聲；心表 示目標(biāo)與觀測(cè)站之間的多普勒頻率，其包含兩部分，一部分為外輻射源照射至目標(biāo)時(shí)信號(hào) 的多普勒頻率，另一部分是反射回波到達(dá)觀測(cè)站時(shí)產(chǎn)生的多普勒頻率，故fi可表示為其中，口1=[11，71]'1 = 1，2，~丄)為具有雙通道的觀測(cè)站，一個(gè)通道接收來(lái)自外輻射源 的直達(dá)波信號(hào)，一個(gè)通道接收來(lái)自目標(biāo)反射的回波信號(hào)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于外輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法，其特征在 于:所述步驟2中，第1個(gè)觀測(cè)站的所接收到的信號(hào)頻域模型為其中4U)，.?U),~UPAU) U='i/7>=土丨，±2,…)分別表示接收信號(hào)、 發(fā)射信號(hào)以及噪聲的傅立葉系數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于外輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法，其特征在 于:所述步驟3中，中心站所獲得的高維信號(hào)頻域模型為式中，€表示循環(huán)移位矩陣，其形式如下所示，即將單位陣循環(huán)向下移位flooHTfO+l 行，其作用是為了表示處于數(shù)據(jù)位置的多普勒頻移;##即將矩陣封安行循環(huán)向下移位floor (Tfi)，floor( ·)表示向下取整，5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于外輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法，其特征在 于:所述步驟4中，構(gòu)造的高斯最大似然函數(shù)為經(jīng)過(guò)推導(dǎo)簡(jiǎn)化，可得到如下形式6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于外輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法，其特征在 于:所述步驟5中，地理網(wǎng)格點(diǎn)上數(shù)據(jù)信息矩陣對(duì)應(yīng)的最大特征值為C 3 = Amax(Q。），Q。的維度 為（2N+1) X (2N+1)，且當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間時(shí)會(huì)進(jìn)一步增加 Qc的維度，對(duì)其特征值分解求特征 值極大地增加了運(yùn)算量;考慮給定矩陣X，XHX與XX H的非零特征值是一致的，故可利用這一結(jié) 論將C3變換為7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于外輻射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法，其特征在 于:所述步驟6中，通過(guò)網(wǎng)格搜索得到代價(jià)函數(shù)的最大值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)即為目標(biāo)位置的估計(jì)
【文檔編號(hào)】G01S13/06GK105929389SQ201610255158
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月22日
【發(fā)明人】于宏毅, 吳瑛, 王云龍, 王鼎, 楊賓, 張莉, 唐濤, 吳江, 翟永惠
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍信息工程大學(xué)