CN102879761A - 一种高度约束下的到达能量比无源定位方法 - Google Patents

Abstract

高度约束下的到达能量比无源定位方法属于无限通信范畴。该方法除了利用三个不同位置处接收的辐射源信号的到达能量比以外，还利用了根据地理信息确定的辐射源高度约束，通过求解高度约束和到达能量比共同确定的含有目标位置参数的方程组，获得辐射源位置。包括根据三个接收站覆盖区域的地理信息，确定辐射源高度约束近似值；分别确定相对于第一个接收站信号到达能量比测量值；确定由高度约束以及到达能量比决定的测量方程组；求解测量方程组，根据三个接收站覆盖区域，剔除镜像点，仅保留覆盖区域内的坐标即为辐射源的位置坐标等步骤。本方法可对高度约束条件的辐射源进行高精度的幅度比无源定位，广泛应用于构建简单有效的无源定位系统。

Description

一种高度约束下的到达能量比无源定位方法

技术领域

本发明属于无线通信领域、涉及辐射源定位技术，尤其涉及高度约束条件下的基于信号到达能量比的辐射源定位方法。

背景技术

辐射源无源定位在雷达、声纳、卫星和通信等系统中具有重要的应用价值。辐射源无源定位是根据传感器(包括无线电传感器和声音传感器等)接收到的信号估计出某一时刻辐射源的空间位置。根据信号测量物理量的不同，目前辐射源无源定位主要包括三大类，即到达方向定位、到达时差定位和到达能量比定位。各种定位方法一般都假设辐射源是各向同性的，即认为辐射源发出的信号在各个方向的传播情况是相同的。到达方向定位，又称为测向交会定位，一般适用于基于传感器阵列的定位。测向交会定位方法中的传感器阵列由一定的几何结构排列而成的若干个传感器组成，每一个传感器阵列不需要移动就可以获得辐射源的方向。通过两个传感器阵列就可以获得两个方向线的交点确定辐射源的位置。到达时差定位又称双曲线定位，这种方法利用多个传感器接收到的信号到达时间差对辐射源的位置进行估计，实现辐射源定位。空间上不同位置处两个传感器接收到的信号的时差与辐射源到这两个传感器位置的距离差成正比，该距离差确定了以两个传感器位置为焦点的双曲线，辐射源位于双曲线的一支上。若再有一对传感器确定另一双曲线，则两双曲线交点即为辐射源的位置。

到达时差定位方法对传感器同步性要求高，到达方向定位方法需要采用复杂的传感器阵列，在利用简易的小型化传感器构建无线监测定位系统中，到达时差定位方法和到达方向定位方法均不易实现，因此本发明采用到达能量比进行辐射源无源定位。

到达能量比定位方法，是根据信号能量在介质中的衰减规律而提出的。在通常的均匀介质中，辐射源信号的能量衰减与距离的平方成反比。专利CN101339242A和K.C.Ho(K.C.Ho，Ming Sun，“An accurate algebraic closed-form solution for energy-based source localization，”IEEETransaction on Audio，Speech and Language Proceeding，vol.15，no.8，November 2007，pp.2542-2550)都指出，空间上两个不同位置处传感器接收到信号的能量比确定一条圆曲线，辐射源位于该曲线上。若再有一对传感器确定另一个圆曲线，则两个圆交点即为辐射源的位置。

对于广泛使用的小型传感器，具有体积小、成本低、具有一定的处理与存储能力与传感器自定位能力等。这些特点使其非常适合在各种场景中快速部署，形成无源监测定位系统。

在实际应用中，辐射源都是有一定的海拔高度，即使在地面上，也有一定的海拔高度。专利CN101339242A和K.C.Ho提出的到达能量比定位方法都没有考虑辐射源所处的高度，在实际定位中这样处理往往会引入额外的误差，严重影响辐射源定位精度。因此，需要考虑辐射源所处海拔高度约束信息。实际应用大量关注的地面辐射源，它所在的区域海拔信息往往可以通过地理信息获得。

因此，构建基于达到能量比的无源定位系统时，需要考虑高度约束的影响，有必要发展一种高度约束下的到达能量比无源定位方法，用于实现辐射源的高精度定位，对于构建简单有效的定位系统具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有方法的不足，针对实际中常常存在的高度约束的定位模型，提供一种高度约束下达到能量比无源定位方法。这种方法能够充分利用到达能量比和高度约束的信息，以便于进行构建无源定位系统时，减小定位误差，提高定位精度。

本发明的技术解决方案是，辐射源的位置确定误差同时取决于到达能量比和高度约束，其特征在于，辐射源的位置定位误差与高度约束有关，应该首先通过覆盖区域的地理信息获得确定辐射源的高度，然后再对接收站的能量比测量数据进行处理，最终得到辐射源的位置坐标。采用无源定位系统获得如下参数：

接收站1、2、3的空间位置坐标(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)和(x₃，y₃，z₃)；

相对于接收站1，接收站2和3的测量的信号到达能量比g₂₁和g₃₁；

根据覆盖区域地理信息获得的辐射源高度近值h；

地球半径R_e；

根据上述参数确定的含有辐射源位置坐标(x，y，z)的测量方位组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}=g_{21}\\ \frac{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2}{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}=g_{31}\\ x^2+y^2+z^2={(R_e+h)}^2\end{array}\right.$

根据该测量方程组，可以确定辐射源位置(x，y，z)：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{-b\±\sqrt{b^2-\mathrm{ac}}}{a}\\ y=k_{11}+k_{12}x\\ z=k_{21}+k_{22}x\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中， $a=1+k_{12}^2+k_{22}^2;$ b＝k₁₁k₁₂+k₂₁k₂₂； $c=k_{11}^2+k_{21}^2-{(R_e+h)}^2,$

$k_{11}=-\frac{C_{21}{D}_{31}-C_{31}{D}_{21}}{B_{21}{C}_{31}-B_{31}{C}_{21}},$ $k_{12}=\frac{C_{21}{A}_{31}-C_{31}{A}_{21}}{B_{21}{C}_{31}-B_{31}{C}_{21}},$

$k_{21}=\frac{B_{21}{D}_{31}-B_{31}{D}_{21}}{B_{21}{C}_{31}-B_{31}{C}_{21}},$ $k_{22}=-\frac{B_{21}{A}_{31}-B_{31}{A}_{21}}{B_{21}{C}_{31}-B_{31}{C}_{21}},$

A₂₁＝2[x₂(R_e+h)²x₁g₂₁]，A₃₁＝2[x₃(R_e+h)²x₁g₃₁]，

B₂₁＝2[_y2(R_e+h)²-y₁g₂₁]，B₃₁＝2[y₃(R_e+h)²-y₁g₃₁]，

C₂₁＝2[z₂(R_e+h)²-z₁g₂₁]，C₃₁＝2[z₃(R_e+h)²-z₁g₃₁]，

$D_{21}=(1-g_{21}){(R_e+h)}^2+(x_2^2+y_2^2+z_2^2){(R_e+h)}^2-(x_1^2+y_1^2+z_1^2)g_{21},$

$D_{31}=(1-g_{31}){(R_e+h)}^2+(x_2^2+y_2^2+z_2^2){(R_e+h)}^2-(x_1^2+y_1^2+z_1^2)g_{31}.$

在测量方程的求解的过程中，会出现两个解，实际中可以根据是否在覆盖区域来剔除镜像点。剔除的原则是，选择求解的坐标与接收站1的距离小的那一个解，它对应着辐射源的位置坐标。

高度约束下的到达能量比无源定位方法的具体步骤是：

步骤a，根据三个接收站覆盖区域的地理信息，确定辐射源高度约束近似值；

步骤b，根据三个接收站接收的信号，分别确定相对于第一个接收站信号到达能量比测量值；

步骤c，确定由高度约束以及到达能量比决定的测量方程组；

步骤d，求解测量方程组，根据三个接收站覆盖区域，剔除镜像点，仅保留覆盖区域内的坐标即为辐射源的位置坐标。

本发明的优点是，充分考虑了实际中辐射源存在高度约束信息对定位精度的影响，本方面提出的方法具有两个优势，一方面该方法克服了三个接收站无法实现到达能量比的无源定位，它通过增加的高度约束方程解决了这一问题；另一方面该方法的实现简单，便于计算，特别适应于单载波信号，而且定位精度高。本发明的方法提供了一种高度约束下的到达能量比的无源定位方法，满足了辐射源高精度高效定位要求，对于构建简单有效的定位系统具有重要的现实意义，为监测技术的发展与应用拓展了新的发展空间。

附图说明

图1示出本发明的高度约束下的到达能量比无源定位方法的设计流程图；

图2示出本发明方法的实际定位结果图。

具体实施方式

附图1给出了本发明的具体实施例。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

以三个不同位置处接收的辐射源信号例子。三个不同位置处的接收站坐标分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)和(x₃，y₃，z₃)。相对于接收站1，接收站2和3的测量的信号到达能量比g₂₁和g₃₁，然后根据覆盖区域地理信息获得的辐射源高度近值h，地球半径R_e，那么根据上述参数确定的含有辐射源位置坐标(x，y，z)的测量方位组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}=g_{21}\\ \frac{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2}{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}=g_{31}\\ x^2+y^2+z^2={(R_e+h)}^2\end{array}\right.$

求解测量方程组，会出现两个解，实际中可以根据是否在覆盖区域来剔除镜像点。剔除了原则是，选择求解的坐标与接收站1的距离小的那一个解，它对应着辐射源的位置坐标。

图1示出根据本发明的设计高度约束下的到达能量比无源定位方法的流程图。流程开始于步骤101。

在步骤102，根据三个接收站覆盖区域的地理信息，确定辐射源高度约束近似值h。

在步骤103，根据三个接收站接收的信号，分别确定相对于第一个接收站信号到达能量比测量值g₂₁和g₃₁。

在步骤104，确定由高度约束以及到达能量比决定的测量方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}=g_{21}\\ \frac{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2}{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}=g_{31}\\ x^2+y^2+z^2={(R_e+h)}^2\end{array}\right..$

在步骤105，根据公式(1)，求解测量方程组，根据三个接收站覆盖区域，剔除镜像点，仅保留覆盖区域内的坐标即为辐射源的位置坐标。剔除的原则是，选择求解的坐标与接收站1的距离小的那一个解，它对应着辐射源的位置坐标。

根据本发明的设计高度约束下到达能量比无源定位方法的流程结束于步骤106。

将本发明提出的高度约束下的到达能量比方法应用到三个接收站的定位情形，接收站的经纬度和海拔高度坐标分别为(104.0211°、30.653°，499米)，(104.0214°、30.669°，502米)和(104.037°、30.665°、575米)，辐射源信号频率为325MHz。根据该区域地理信息，目标辐射源高度约束近似值取525米，相对于接收站1的信号到达能量比测量值分别为0.9693和1.0168，根据本发明的方法确定目标位置坐标的误差为128米，实际定位结果效果如图2所示。该试验结果表明，本发明设计的高度约束下到达能量比无源定位方法具有精度高的特点。

虽然已经参考附图对本发明的高度约束下到达能量比无源定位方法以举例方式进行了描述，但是本发明不限于这些细节，并且本申请含盖权力要求范围之内的各种变形和改变。

工业应用性

可以将本发明提出的高度约束下到达能量比无源定位方法应用于辐射源的无源定位系统，系统简单，方法简洁，满足无源定位系统要求。

Claims (5)

1.高度约束下的到达能量比无源定位方法，其特征在于：除了利用三个不同位置处接收的辐射源信号的到达能量比信息以外，还利用了根据地理信息确定的辐射源高度约束信息，通过求解高度约束和到达能量比共同确定的含有目标位置参数的方程组，获得辐射源位置。其具体步骤是：

步骤a，根据三个接收站覆盖区域的地理信息，确定辐射源高度约束近似值；

步骤b，根据三个接收站接收的信号，分别确定相对于第一个接收站信号到达能量比测量值；

步骤c，确定由高度约束以及到达能量比决定的测量方程组；

步骤d，求解测量方程组，根据三个接收站覆盖区域，剔除镜像点，仅保留覆盖区域内的坐标即为辐射源的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的高度约束下的到达能量比无源定位方法，其特征在于：所述根据三个接收站覆盖区域的地理信息，确定辐射源高度约束近似值为h。

3.根据权利要求1所述的高度约束下的到达能量比无源定位方法，其特征在于：所述根据三个接收站接收的信号，分别确定相对于第一个接收站信号到达能量比测量值为g₂₁和g₃₁。

4.根据权利要求1所述的高度约束下的到达能量比无源定位方法，其特征在于：所述确定由高度约束以及到达能量比决定的测量方程组为：

。

5.根据权利要求1所述的高度约束下的到达能量比无源定位方法，其特征在于：所述求解测量方程组，得到的解为：

其中，

b＝k₁₁k₁₂+k₂₁k₂₂；

A₂₁＝2[x₂(R_e+h)²-x₁g₂₁]，A₃₁＝2[x₃(R_e+h)²-x₁g₃₁]，

B₂₁＝2[y₂(R_e+h)²-y₁g₂₁]，B₃₁＝2[y₃(R_e+h)²-y₁g₃₁]，

C₂₁＝2[z₂(R_e+h)²-z₁g₂₁]，C₃₁＝2[z₃(R_e+h)²-z₁g₃₁]，

根据三个接收站覆盖区域，剔除镜像点，剔除的原则是，选择求解的坐标与接收站1的距离小的那一个解，仅保留覆盖区域内的坐标即为辐射源的位置。 

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