CN104198985A - 单天线测向方法 - Google Patents

单天线测向方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104198985A
CN104198985A CN201410496277.8A CN201410496277A CN104198985A CN 104198985 A CN104198985 A CN 104198985A CN 201410496277 A CN201410496277 A CN 201410496277A CN 104198985 A CN104198985 A CN 104198985A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sampled point
signal level
finding
interval
orientation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201410496277.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104198985B (zh
Inventor
张硕
赵楠
付强
刘瑞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CETC 54 Research Institute
Original Assignee
CETC 54 Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CETC 54 Research Institute filed Critical CETC 54 Research Institute
Priority to CN201410496277.8A priority Critical patent/CN104198985B/zh
Publication of CN104198985A publication Critical patent/CN104198985A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104198985B publication Critical patent/CN104198985B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G01S3/14—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明公开了一种单天线测向方法。针对基本测向方法测向精度的不足，提出综合处理测向方法，首先对方位地理角和信号电平数据进行采集、存储；然后采用角度扩展方法确定数据采集范围、半波束平移方法确定侧向中心所在的采用区间、冒泡法确定测向粗中心；最后通过数据曲线拟合、求导得出测向中心。这种方法不仅不受噪声和野值的影响，而且克服了由于方向图过于平坦造成的低频极值不准确缺点，更重要的是克服了高频时，在方向图的顶点接收机只能提供2个数据从而无法准确获得方向图最大值的缺点，从而保证了测向的精度和可靠性。

Description

单天线测向方法
技术领域
本发明涉及宽频信号的单站无源测向天线的设计，是通过接收目标发射的信号或者目标反射的其他发射源的信号，判断目标位置的一种方法。
背景技术
天线接收目标发射的信号或者目标反射的其他发射源的信号，经接收机处理后，将信号电平实时发送到CAN总线上，方位码盘将天线座架的方位轴角实时发送到CAN总线上。单天线测向时，天线方位轴快速旋转一周，伺服控制器快速采集方位地理角和信号电平。方位地理角由方位码盘实时发送的方位轴角(单位：度)经过坐标转换得出，信号电平由接收机实时解算并发送(单位：dB)。基本测向方法是伺服控制器采用简单的排序方法处理采集的数据，得出信号电平最大时的方位地理角，即为测向中心。
目前采用的基本测向方法存在不足：
1)接收机场强由于受到干扰，存在噪声和野值，影响信号电平峰值的判断；
2)在低频段天线方向图角度很宽，峰值处的梯度很小，影响最大峰值的判断；
3)在高频天线方向图角度很窄，导致接收机只能采集2个点，无法判断最大值的精确位置。
本发明的目的在于避免上述基本测向方法存在的不足而提供一种综合处理测向方法。
本发明具有测向精度高和可靠性高等特点。
本发明首先对方位地理角和信号电平数据进行采集、存储；然后采用角度扩展方法确定数据采集范围、半波束平移方法确定侧向中心所在的采用区间、冒泡法确定测向粗中心；最后通过数据曲线拟合、求导得出测向中心。其具体步骤如下：
①数据发送。
天线测向时，伺服控制器通过CAN总线实时采集天线方位轴快速旋转380度范围内的采样点，并且每间隔5毫秒存储一次采样点的信息，其中，存储的采样点的信息包括采样点的序号、方位地理角以及信号电平三个参数，其中，方位轴角经坐标变换得到方位地理角。
接收机根据当前的测向频率实时调整信号电平发送的速率，当测向速率大于12GHz时，信号电平的速率为800Hz；当测向频率小于12GHz时，信号电平的速率为400Hz。用这种方法的优点是：在低频时由于波束宽度内采样点较多，适当的降低更新速率，优先保证数据的准确性；在高频时由于波束宽度内的采样点较少，适当的提高更新速率，优先保证数据的实时性。
②数据采集。
提出角度扩展方法，即采集天线方位轴旋转380°度范围内的采样点，共计422个采样点。
由于测向频率范围是1.0GHz～18.0GHz，所以波束宽度范围是2.0°～35.0°。测向数据采集角度扩展了20°(最大半波束宽度)，使得无论测向起点在哪个角度，都可以保证有一幅完整的扫描图形，便于数据分析和处理。
③确定采样点区间。
根据测向频率的波束宽度确定采样点个数N，将N个连续采样点组成的区间定义为采样点区间，前N个采样点组成第一个采样点区间，每次后移个采样点再确定下一个采样点区间，以此类推。
④确定侧向中心所在的采样点区间。
对所有采样点区间内的信号电平求平均值，得出信号电平平均值最大的采样点区间，测向中心就在该采样点区间内。
此方法既克服了噪声对数据的影响，又不丢失必要的数据。用此方法得到的平均值准确性好、稳定性高。
⑤确定测向粗中心。
在上述信号电平平均值最大的采样点区间，利用冒泡法得出信号电平最大的采样点，该采样点的方位地理角为Amax，即为测向粗中心。
⑥确定曲线拟合区间。
信号电平最大的采样点为中心，读取两倍波束宽度内的采样点，总计2N+1个采样点，这些采样点组成待处理的采样点区间。
⑦确定拟合曲线函数。
利用最小二乘法处理上述待处理的采样点区间内的采样点，得出拟合曲线函数y＝a0+a1x+a2x2。
式中：x表示方位地理角，y表示信号电平，a0、a1、a2表示拟合曲线系数。
由于x的取值范围是0°～360°，所以在进行曲线拟合过程中运算量比较大，运算时间比较长。于是采用泰勒展开公式将公式y＝a0+a1x+a2x2转换为公式y＝a0+a1(x-Amax)+a2(x-Amax)2。这样处理后x-Amax是-20.0°～20.0°范围内的数据，相比0°～360°范围内的数据，可以大大减少运算量。
⑧确定侧向中心。
对拟合曲线函数求导，得出信号电平取极大值时对应的方位地理角，即测向中心。
该方法不但克服了由于方向图过于平坦造成的低频极值不准确缺点，而且克服了高频时，在方向图的顶点接收机只能提供2个数据从而无法准确获得方向图最大值的缺点，从而保证了测向精度。
本发明相比基本测向技术具有如下优点：
1)本发明采用最小二乘法得出测向中心值，提高了测向精度；
2)本发明采用了角度扩展方案，降低了噪声对数据的影响，提高了测向数据的可靠性；
3)本发明采用了泰勒展开，提高了软件的实时性；
4)本发明采用信号电平更新速率可调整的方法，也从一定程度上提高了测向精度。
附图说明：
图1是本发明单天线测向方法应用平台示意图；
图2是本发明单天线测向方法的处理流程图。
本发明是实际应用平台是伺服控制器，具体的实施方式：
①通过CAN总线采集方位地理角和信号电平。
单天线测向时，接收机根据测向频率调整信号电平的更新速率的同时天线方位轴以每秒180度的速度旋转380°，控制器每5毫秒定时采集采样点，该采样点包含序号、方位地理角和信号电平等参数信息。总计采集422组采样点，采样点存储形式为[i xi yi]。其中，i表示采样点序号、xi表示方位地理角、yi表示电平值。
②确定测向中心点所在的区间。
由于个别采样点中的信号电平误差可能导致的测向中心点判断错误，我们采用如下的操作步骤可以有效的防止。
a.根据测向频率确定波束宽度。
式中，k表示波束宽度，λ表示波长，D表示天线口径。
b.确定波束宽度内采样点的个数。
式中，N表示该频率信号波束宽度内包含的采样点个数，k表示波束宽度。
c.确定采样点区间。
将N个连续采样点组成的区间定义为采样点区间，前N个采样点组成第一个采样点区间，每次后移(如果不是整数，则取整加一)个采样点再确定下一个采样点区间，以此类推。
d.确定信号电平平均值最大的采样点区间。
计算每个采样点区间内信号电平的平均值，找出信号电平平均值最大的采样点区间，该区间就是测向中心所在的区间。
③确定测向粗中心。
采用冒泡排序法处理步骤③中测向中心所在的区间，得出信号电平最大的采样点，该采样点内的方位地理角度Amax，即为测向粗中心。
④确定数据拟合区间。
以信号电平最大的采样点为中心，读取两倍波束宽度内的采样点，总计2N+1个采样点，这些采样点组成待处理的采样点区间(包含两倍波束宽度内的采样点个数)。
⑤泰勒公式处理拟合区间的数据。
按照曲线拟合方法，对步骤④中待处理的采样点区间采样点内的方位地理角和信号电平进行曲线拟合处理。拟合曲线公式如下所示：
y＝a0+a1x+a2x2，
式中，y表示采样数据中的信号电平；x表示采样数据中的方位地理角；a0、a1、a2表示拟合曲线的系数。
但是运行上述公式，会使伺服控制器运算量大大增加，负荷过重，影响软件实时性。为了降低伺服控制器计算量，我们采用泰勒展开公式对上面公式进行变形处理。泰勒展开公式如下：
y＝a0+a1(x-Amax)+a2(x-Amax)2
式中，y表示采样数据中的信号电平，x表示采样数据中的方位地理角；a0、a1、a2表示拟合曲线的系数，Amax表示粗测向中心。
⑥确定拟合曲线函数。
按照二次抛物线曲线y＝a0+a1x+a2x2进行拟合；按照最小二乘法，使残差平方和达到最小，分别对S求关于a0、a1、a2的偏导数，并令其为0，得到如下的方程：
( 2 N + 1 ) a 0 + ( Σ i = 1 2 N + 1 x i ) a 1 + ( Σ i = 1 2 N + 1 x i 2 ) a 2 = Σ i = 1 2 N + 1 y i ( Σ i = 1 2 N + 1 x i ) a 0 + ( Σ i = 1 2 N + 1 x i 2 ) a 1 + ( Σ i = 1 2 N + 1 x i 3 ) a 2 = Σ i = 1 2 N + 1 x i y i ( Σ i = 1 2 N + 1 x i 2 ) a 0 + ( Σ i = 1 2 N + 1 x i 3 ) a 1 + ( Σ i = 1 2 N + 1 x i 4 ) a 2 = Σ i = 1 2 N + 1 x i 2 y i
将其转换为矩阵形式：
a 0 a 1 a 2 = 2 N + 1 Σ i = 1 2 N + 1 x i Σ i = 1 2 N + 1 x i 2 Σ i = 1 2 N + 1 x i Σ i = 1 2 N + 1 x i 2 Σ i = 1 2 N + 1 x i 3 Σ i = 1 2 N + 1 x i 2 Σ i = 1 2 N + 1 x i 3 Σ i = 1 2 N + 1 x i 4 - 1 Σ i = 1 2 N + 1 y i Σ i = 1 2 N + 1 x i y i Σ i = 1 2 N + 1 x i 2 y i
根据上述的矩阵形式可以解算出参数a0、a1、a2。
⑦确定侧向中心。
对拟合曲线函数求导，计算出中心点(测向中心)x0＝-a1/2a2。当方位地理角为x0时，信号电平最大。

Claims (3)

1.单天线测向方法，其特征在于本测向方法包括以下步骤：
①天线接收目标发射的信号或者目标反射的其他发射源的信号，经接收机处理后，将信号电平实时发送到CAN总线上，方位码盘将天线的方位轴角实时发送到CAN总线上；
②天线测向时，伺服控制器通过CAN总线实时采集天线方位轴快速旋转380度范围内的采样点，并且每间隔5毫秒存储一次采样点的信息，其中，存储的采样点的信息包括采样点的序号、方位地理角以及信号电平三个参数，其中，方位轴角经坐标变换得到方位地理角；
③根据测向频率的波束宽度确定采样点个数N，将N个连续采样点组成的区间定义为采样点区间，前N个采样点组成第一个采样点区间，每次后移个采样点再确定下一个采样点区间，以此类推；
④对所有采样点区间内的信号电平求平均值，得出信号电平平均值最大的采样点区间；
⑤对步骤④中信号电平平均值最大的采样点区间利用冒泡法得出信号电平最大的采样点，该信号电平最大的采样点的方位地理角为Amax；
⑥以步骤⑤中信号电平最大的采样点为中心，读取两倍波束宽度内的采样点，总计2N+1个采样点，这些采样点组成待处理的采样点区间；
⑦用最小二乘法处理步骤⑥中待处理的采样区间内的采样点，得出拟合曲线函数y＝a0+a1x+a2x2，式中，x表示方位地理角，y表示信号电平，a0、a1、a2表示拟合曲线系数；
⑧对步骤⑦中的拟合曲线函数求导，得出信号电平取极大值时对应的方位地理角，即为测向中心对应的方位地理角，所得的信号电平取极大值时对应的采样点即为测向中心。
2.根据权利要求1所述的单天线测向方法，其特征在于：步骤①中接收机根据当前的测向频率实时调整信号电平发送的速率，当测向速率大于12GHz时，信号电平的速率为800Hz；当测向频率小于12Hz时，信号电平的速率为400Hz。
3.根据权利要求1所述的单天线测向方法，其特征在于：步骤⑦中的拟合曲线系数a0、a1、a2是由以下方法得到的：利用泰勒展开公式将拟合曲线函数y＝a0+a1x+a2x2变换为计算简便的y＝a0+a1(x-Amax)+a2(x-Amax)2,再对变换后的曲线函数进行最小二乘法处理，得出a0、a1、a2。
CN201410496277.8A 2014-09-24 2014-09-24 单天线测向方法 Active CN104198985B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410496277.8A CN104198985B (zh) 2014-09-24 2014-09-24 单天线测向方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410496277.8A CN104198985B (zh) 2014-09-24 2014-09-24 单天线测向方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104198985A true CN104198985A (zh) 2014-12-10
CN104198985B CN104198985B (zh) 2016-08-24

Family

ID=52084297

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410496277.8A Active CN104198985B (zh) 2014-09-24 2014-09-24 单天线测向方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104198985B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105933077A (zh) * 2016-06-23 2016-09-07 成都点阵科技有限公司 多通道的最优化比幅荧光频谱无线电测向系统及方法
CN107064863A (zh) * 2017-03-30 2017-08-18 天津市德力电子仪器有限公司 基于天线方向图数据进行相关运算实现单天线测向的方法
CN109324309A (zh) * 2018-09-10 2019-02-12 中国航天科工集团八五研究所 一种旋转单天线测角装置及其测量方法
CN109521426A (zh) * 2017-09-18 2019-03-26 比亚迪股份有限公司 基于汽车雷达获取目标的角度的方法及其装置
CN112782645A (zh) * 2020-12-30 2021-05-11 无锡国芯微电子系统有限公司 一种四臂螺旋天线数据拟合测角方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6646601B2 (en) * 2001-06-05 2003-11-11 Dso National Laboratories Direction finding method
CN101980048A (zh) * 2010-09-29 2011-02-23 中国科学院国家天文台 基于天线组阵技术的空间碎片地基雷达系统
CN102147455A (zh) * 2010-01-18 2011-08-10 张登科 多天线单元信号分析处理、测向方法及系统
CN102510312A (zh) * 2011-09-29 2012-06-20 中国人民解放军理工大学 无线多通道通信实验平台
CN103913742A (zh) * 2014-04-25 2014-07-09 桂林电子科技大学 双接收天线的汽车防撞雷达系统及运行方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6646601B2 (en) * 2001-06-05 2003-11-11 Dso National Laboratories Direction finding method
CN102147455A (zh) * 2010-01-18 2011-08-10 张登科 多天线单元信号分析处理、测向方法及系统
CN101980048A (zh) * 2010-09-29 2011-02-23 中国科学院国家天文台 基于天线组阵技术的空间碎片地基雷达系统
CN102510312A (zh) * 2011-09-29 2012-06-20 中国人民解放军理工大学 无线多通道通信实验平台
CN103913742A (zh) * 2014-04-25 2014-07-09 桂林电子科技大学 双接收天线的汽车防撞雷达系统及运行方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杨扬: "测控单站多星和差多波束测角技术研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》, 15 July 2011 (2011-07-15) *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105933077A (zh) * 2016-06-23 2016-09-07 成都点阵科技有限公司 多通道的最优化比幅荧光频谱无线电测向系统及方法
CN105933077B (zh) * 2016-06-23 2018-12-21 成都点阵科技有限公司 多通道的最优化比幅荧光频谱无线电测向系统及方法
CN107064863A (zh) * 2017-03-30 2017-08-18 天津市德力电子仪器有限公司 基于天线方向图数据进行相关运算实现单天线测向的方法
CN109521426A (zh) * 2017-09-18 2019-03-26 比亚迪股份有限公司 基于汽车雷达获取目标的角度的方法及其装置
CN109521426B (zh) * 2017-09-18 2022-01-07 比亚迪股份有限公司 基于汽车雷达获取目标的角度的方法及其装置
CN109324309A (zh) * 2018-09-10 2019-02-12 中国航天科工集团八五研究所 一种旋转单天线测角装置及其测量方法
CN112782645A (zh) * 2020-12-30 2021-05-11 无锡国芯微电子系统有限公司 一种四臂螺旋天线数据拟合测角方法
CN112782645B (zh) * 2020-12-30 2021-11-19 无锡国芯微电子系统有限公司 一种四臂螺旋天线数据拟合测角方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN104198985B (zh) 2016-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104198985A (zh) 单天线测向方法
Goldoni et al. Experimental analysis of RSSI-based indoor localization with IEEE 802.15. 4
CN104316903B (zh) 一种三站时差定位性能试验评估方法
CN104678369A (zh) 一种基于非固定金属球的双偏振天气雷达标校方法
CN104619020A (zh) 基于rssi和toa测距的wifi室内定位方法
KR100963532B1 (ko) 기상레이더의 강수량 추정 방법
CN102932742A (zh) 基于惯性传感器与无线信号特征的室内定位方法及系统
CN103402258A (zh) 一种基于Wi-Fi的室内定位系统和方法
CN103064057A (zh) 一种提高多点时差定位精度的方法
CN103874020A (zh) 非直达径环境下单接收器的超宽带定位方法
US8744752B2 (en) Apparatus and method for detecting locations of vehicle and obstacle
CN110673181B (zh) 一种基于网格能量遍历搜索的gnss干扰源定位方法
CN104297724A (zh) 定位方法及系统
CN110636436A (zh) 基于改进chan算法的三维uwb室内定位方法
JP2013224884A (ja) 水蒸気観測装置および気象レーダ
CN104880723A (zh) 一种单星测向定位地面辐射源的方法和装置
CN105759274A (zh) 一种台风关注区雷达降水估测方法
CN107656278A (zh) 基于稠密雨量站定量降水估测方法
JP2018036053A (ja) レーザ計測システム及びレーザ計測方法
CN103458502A (zh) 基于位置指纹的定位误差估计方法
CN105223591B (zh) 一种用于减弱远近效应的伪卫星阵列天线方向图综合计算方法
CN103206917A (zh) 一种室内定位方法
Huang et al. Real-time HF ray tracing through a tilted ionosphere
CN103901412B (zh) 一种针对脉冲重建跟踪型有源定标器的定标方法及系统
CN107682822A (zh) 一种基于电磁场强度的压缩感知室外定位方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant