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)明設(shè)及一種外福射無源定位場(chǎng)景下的定位方法，特別是設(shè)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] 外福射源無源定位，指的是利用非合作的第Ξ方福射源(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，通過對(duì)直達(dá)波及反射回波進(jìn)行處理，W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Ξ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W用于對(duì)目標(biāo)的 成像與識(shí)別。
[0003] 目前外福射源無源定位采用的定位體制是傳統(tǒng)的無源定位體制，即兩步定位體 審IJ，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)，然后通過解定位方程來得到目標(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)處理過程中不可避免地存在信息損失，所W無法獲得最優(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?？紤]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) W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 維捜索直接得到目標(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--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。DPD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)"的問題。但是他們所設(shè)計(jì)的直接定位 算法沒有考慮具體的定位場(chǎng)景，因而減少了可W增加定位信息、提高定位精度的可能。在外 福射源無源定位背景下，各個(gè)觀測(cè)站除了接收來自目標(biāo)反射的回波信號(hào)之外，還要接收來 自外福射源的直達(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)有外福射源無源定位條件下傳統(tǒng)兩步定位方法精度 不足W及現(xiàn)有直接定位方法對(duì)外福射源直達(dá)波信號(hào)信息利用不足的問題，提供一種基于外 福射源時(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W下步驟的基于外福射源時(shí)延和多普勒 頻率的直接定位方法:包括W下步驟：
[000引步驟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 集外福射源的直達(dá)波信號(hào)W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)傳輸至中屯、站，中屯、站將每個(gè)站 傳輸?shù)年嚵行盘?hào)數(shù)據(jù)按照觀測(cè)站的順序堆找排列，W構(gòu)造高維陣列信號(hào)頻域數(shù)據(jù)；
[0011] 步驟4:在中屯、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W及直達(dá)波時(shí)延信息的信息矩陣；
[0012] 步驟5:通過設(shè)定網(wǎng)格捜索范圍，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:通過捜索網(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
[0015]
[0016] 其中，^表示外福射源相對(duì)于第1個(gè)觀測(cè)站的直達(dá)路徑時(shí)延；Ti=(||pe-p日I Η pi-p〇M)/c表示外福射源照射目標(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，II · 表示2范數(shù);Pe為外福射源位置，發(fā)射信號(hào)帶寬W，p〇為目標(biāo)位置，速度為V=[Vx，Vy]T;Wl(t) 與分別表示均值為0,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;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，一部分為外福射源照射至目標(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
[0017]
[001引其中，pi=[xi，yi]T(l = l，2，...，L)為具有雙通道的觀測(cè)站，一個(gè)通道接收來自外 福射源的直達(dá)波信號(hào)，一個(gè)通道接收來自目標(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
[0020]
[0021] 其中，巧(乂），去化)，馬,化）與斬(乂）（乂:=,!/n思=吐±2，...)分別表示接收信 號(hào)、發(fā)射信號(hào)W及噪聲的傅立葉系數(shù)。
[0022] 所述步驟3中，中屯、站所獲得的高維信號(hào)頻域模型為
[0023]
[0024] 其中，
[0025]
[00%]式中，巧表示循環(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 (Tfi)+1行，其作用是為了表示處于數(shù)據(jù)位置的多普勒頻移；巧?即將矩陣S按行循環(huán)向下移 位門001'巧。），巧001'(?)表示向下取整，
[0027]
[0028] 所述步驟4中，構(gòu)造的高斯最大似然函數(shù)為
[0029]
[0030] 經(jīng)過推導(dǎo)簡(jiǎn)化，可得到如下形式
[0031]
[0032] 其中，
信息矩陣為
[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(Qc)，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Χ,χΗχ與χχΗ的非零特征值是一致的，故可利用運(yùn) 一結(jié)論將C3變換為
[0036]
[0037] 所述步驟6中，通過網(wǎng)格捜索得到代價(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)
[00；3 引
[0039] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于外福射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法具有W 下優(yōu)點(diǎn)：首先通過計(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)位置信息的問題轉(zhuǎn)化為 求解信息矩陣的最大特征值的問題，最后通過地理網(wǎng)格捜索獲取目標(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W及現(xiàn)有的直接定位方法，綜合考慮了外福射源的直達(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W及對(duì)觀測(cè)站具有不同信噪 比的魯棒性。本發(fā)明公開的定位方法具有實(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。
【附圖說明】
[0041] 圖1是本發(fā)明基于外福射源時(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)明基于外福射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法中一種外福射源無 源定位場(chǎng)景的示意圖；
[0043] 圖3是本發(fā)明基于外福射源時(shí)延和多普勒頻率的直接定位方法中外福射源無源定 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)明基于外福射源時(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)明基于外福射源時(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)明基于外福射源時(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)明基于外福射源時(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】
[004引下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明基于外福射源時(shí)延和多普勒頻率的直接 定位方法作進(jìn)一步說明：如圖所示，本實(shí)施例為了解決上述問題，需要首先建立包含外福射 源的直達(dá)波信號(hào)W及目標(biāo)反射的回波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，基于此，通過計(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)位置信息的問題轉(zhuǎn)化為求解信息矩陣的最大特征值的問題，最 后通過地理網(wǎng)格捜索獲取目標(biāo)位置的估計(jì)。本發(fā)明具體實(shí)施步驟如下：
[0049] 本發(fā)明公開的外福射源無源定位場(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)接收站接收來自外福射源的直達(dá)波信號(hào)W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)傳輸至中屯、站，中屯、站將利用運(yùn)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)明公開的外福射源無源定位場(chǎng)景下聯(lián)合時(shí)延與多普勒的直接定 位方法包括W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 集外福射源的直達(dá)波信號(hào)W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)傳輸至中屯、站，中屯、站將每個(gè)站 傳輸?shù)年嚵行盘?hào)數(shù)據(jù)按照觀測(cè)站的順序堆找排列，W構(gòu)造高維陣列信號(hào)頻域數(shù)據(jù)。
[0054] 步驟4:在中屯、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W及直達(dá)波時(shí)延信息的信息矩陣。
[0055] 步驟5:通過設(shè)定網(wǎng)格捜索范圍，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:通過捜索網(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)