CN104569912A - 一种固定监测站单站无源区域定位方法 - Google Patents

Abstract

一种固定监测站单站无源区域定位方法，所述方法包括：步骤一：根据测量得到角度变化率判断监测目标运动属性：属于高速运动目标还是缓慢移动或固定目标，对不同的目标采用不同的定位方法；步骤二：如果是高速运动目标，使用DOA-DF即方位角-多普勒频率联合定位法对其运动轨迹进行计算；步骤三：如果是缓慢移动或固定目标，先进行装备数据库匹配，匹配查找装备发射功率信息和发射天线增益先验知识；步骤四：如果是缓慢移动或固定目标，装备数据库中不存在装备信息，此次暂不能对目标进行定位，目标信号原始IQ信号和其它信号分析参数保存，下次需要定位该目标时可以对其进行定位操作。

Description

一种固定监测站单站无源区域定位方法

技术领域

本发明是一种无线电固定监测站单站定位技术，具体涉及到使固定监测站不仅可以单站定位高速移动目标，也可以单站定位缓慢移动(或固定)目标一套方法与策略。

背景技术

无源定位系统由于本身不发射电磁波，具有很好的隐蔽性，得到了广泛的重视。多站无源定位要求站间同步、接收站同时接收到辐射信号、设备多成本高和需要大量数据传输等问题，使得该技术在很多应用场合不是很适用。

单站无源定位技术是只利用一个监测平台而对目标进行无源定位的技术，由于具有高度的独立性及免除了复杂的时间同步等优点而更加引人瞩目。在无源定位技术中，运动单站和固定多站两类定位技术研究得比较多，而对固定单站无源定位研究得比较少。其中很重要的原因是经典的无源定位方法是只测角度定位，而这要求监测站必须是运动战或者多站，对固定单站无源定位与跟踪而言，利用单一监测量不满足可监测性要求，要实现定位必须增加新的监测量。

传统的固定单站无源定位与跟踪方法有DOA-TOA(方位角-到达时间，如SCDMA系统主要采用上行同步和智能天线技术，使用单个服务基站实现对UE的DOA-TOA定位)联合定位法和DOA-DF(方位角-多普勒频率)联合定位法。这两种方法都是很经典的定位方法，对其研究也比较成熟，以前对固定单站无源定位与跟踪算法的研究都基于这两种定位模型，这两种方法针对的是高速移动的目标。

如果已知信号发射功率P和电磁波传输环境(如海洋、陆地)条件下，可以通过接收到信号接收功率，建立信号接收功率传输模型推算出距离信息，再加上测向信息，则可以定位目标位置。但是，信号接收功率传输模型型受时间、环境条件变化影响很大，计算距离误差比较大。所以此方法一般不应用于精确定位。

当前单站固定监测站通常对目标的监测还只是限于测向信息。实际测向系统都是有误差的，测向结果通常是多次测向后形成的一个扇形区域，如图2所示。监测者通常只能知道此目标处于此扇区内。扇区随着半径的增加其区域也在增加。因此，这种固定单站测量扇区提供的位置信息还不够丰富。利用DOA-TOA(方位角-到达时间)联合定位法和DOA-DF(方位角-多普勒频率)联合定位法的固定单站定位系统只能对高速移动目标进行定位，但是对其监测范围内的固定目标和缓慢移动目标都不能进行定位，其定位对象有局限性。

长期运行的无线电监测站通常都有一个装备数据库。其通常包括信号对象的中心频率、带宽、调制方式、时域信号等参数特征，同时也包括其装备名称、发射功率等信息。海上监测目标一般为高速运动的机载无线电设备和缓慢移动的舰载无线电设备。一般情况下，机载和舰载无线电设备都是有规划的，设备种类也是有限的。只要通过测量其几个参数，就可以通过数据库确认其身份。如果装备数据库中当前没有其装备名称和发射功率等信息，则可以通过其它侦查手段获知。获得装备信息之后，补充完善装备数据库。

发明内容

本发明的目的是，为了使单个固定监测站不仅可以定位高速移动目标位置，同时也能够定位固定或者移动缓慢目标的位置，提供比传统单站测向扇区位置更加丰富的位置信息。提出了一种固定监测站单站无源区域定位方法与策略。

本发明的技术方案是，一种固定监测站单站无源区域定位方法，所述方法包括：

步骤一：根据测量得到角度变化率判断监测目标运动属性：属于高速运动目标还是缓慢移动(或固定)目标，对不同的目标采用不同的定位方法；

步骤二：如果是高速运动目标，使用DOA-DF(方位角-多普勒频率)联合定位法对其运动轨迹进行计算；

步骤三：如果是缓慢移动(或固定)目标，先进行装备数据库匹配，匹配查找装备发射功率信息和发射天线增益先验知识。如果装备数据库中有该装备信息，则利用信号接收功率传输模型计算距离，加上测向信息，推导出目标的位置；

步骤四：如果是缓慢移动(或固定)目标，装备数据库中不存在装备信息，此次暂不能对目标进行定位，目标信号原始IQ信号和其它信号分析参数保存，用户在这些线索指导下通过其它手段获知该装备信息，完善装备数据库，下次需要定位该目标时可以对其进行定位操作。

步骤四进一步步骤，首先分析缓慢移动(或固定)目标信号，推出其中心频率、带宽、调制方式(雷达信号为脉冲描述字(PDW))，通过几个参数信息匹配装备数据库，如果装备数据库中没有其信息，则暂时不能对目标进行定位。此时，保存此目标信号的原始IQ信号，解析得到的中心频率、带宽、调制方式等信息(雷达信号，存储脉冲描述字(PDW))，以及测向信息。进行线下分析，利用已经知道的该未知装备的几个参数为线索通过情报侦查等其它手段，获知该装备具体信息。获得该装备的信息后，在装备数据库中完善该装备信息，下一次遇到该装备时，就可以通过步骤3获知目标的位置信息。

本发明的有益效果：本发明的固定单站无源区域定位策略，使得固定监测站不仅可以对高速移动目标进行高精度的位置定位跟踪，同时也可以通过先验信息对缓慢移动(或固定)目标进行位置确认。由于接收功率传输模型的不完善，缓慢移动(或固定)目标位置误差比较大，但是其相对于以前测向扇形区位置信息已经有了非常大的进步，为用户提供了更加丰富的位置信息。如果缓慢移动(或固定)目标在装备数据中暂时没有信息，则暂时不能对其进行定位，但是分析出来的很多信号属性信息为用户通过其它手段获得装备信息提供了线索，待获得装备数据信息完善装备数据库后，对该目标就可以进行定位了。高速目标不采用缓慢移动(或固定)目标同样的定位算法，因为不论数据库中是否存在其先验信息，其都可以立即定位，同时也因为该方法定位误差比缓慢移动(或固定)目标定位方法误差小。

附图说明

图1为固定监测站单站无源区域定位策略流程示意图。

图2为固定单站无源定位系统面对缓慢移动(或固定)目标只能进行测向时其定位区域为测向扇形区域。

图3为固定单站无源定位系统面对缓慢移动(或固定)目标利用本发明策略时目标的定位区域为一个小的弧形区。与图2对比，定位区域大大缩小，提供目标位置信息更加明确。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明具体实施方案做进一步的说明。

一种固定监测站单站无源区域定位策略，具体包括如下步骤：

步骤一：通过高精度测向设备短时间内多次测量目标方向；通过多次测量到的方向信息，判断出目标是高速移动目标还是缓慢移动(或固定)目标；T时刻，短时间内利用高精度测向接收机对目标进行多次测量，时间间隔为Δt，水平角结果θ₁,θ₂....θ_n，n∈[1,K]，俯仰角结果β₁,β₂....β_n，n∈[1,K]。计算水平角变化率集i∈[1,K-1]。计算出水平角变化率均值俯仰角均值利用水平角变化率均值和俯仰角均值判断出监测目标是否为高速移动目标还是缓慢移动(或固定)目标。对不同的目标采用不同的定位方法。

步骤二：当判断出监测目标为高速移动目标时，采用DOA-DF(方位角-多普勒频率)联合定位法对目标进行轨迹定位：分析接收信号，得到其中心频率、带宽、调制方式等信息。采用DOA-TOA(方位角-到达时间)联合定位法或DOA-DF(方位角-多普勒频率)联合定位法对目标进行轨迹定位。DOA-DF(方位角-多普勒频率)联合定位法不仅可以对雷达信号，而且对连续波信号也可以进行定位。而DOA-TOA(方位角-到达时间)联合定位法主要是针对雷达脉冲信号进行定位。本处以DOA-TOA(方位角-到达时间)联合定位法对高速移动目标进行进行定位。可以进行三维定位和二维定位。本处只以进行二维定位为例进行说明。高精度测向接收机对目标进行多次测量，时间间隔为Δt，每次测向时，其接收到数据可以分析得到其中心频率f₁,f₂,...f_n，n∈[1,K]。计算各次频率变化率，i∈[1,K-1]。计算出频率变化率均值：目标径向加速度监测站与目标之间的距离加上之前的水平角测向信息。则可以得到该时刻高速目标运动轨迹点(r,θ_K/2)。

步骤三：当判断出监测目标为缓慢移动(或固定)目标时，分析接收数据，得到其中心频率、带宽、调制方式信息(如果是雷达信号，则分析其脉冲描述字(PDW))。匹配装备数据库，如果装备数据库中有其信息，则调用装备发射功率信息和发射天线增益信息，则使用通过接收信号功率模型计算距离法或者通过场强模型计算距离法进行距离计算。

以通过接收信号功率模型计算距离法为例进行说明。

通过其时域信号图进一步确认信号，得到监测对象装备的发射功率信息和天线发射增益信息。测量信号接收功率，根据使用环境使用不同的接收功率传输模型，利用已知的装备发射功率信息和信号接收功率信息，可以推导出监测对象的位置信息。最后，利用监测得到的高精度测向信息和距离信息，推导出目标的位置；具体是，在T时刻，测向接收机快速进行多次测量，设第n次测量时参数如下，P_t为装备的发射功率(W),P_rn为接收信号的接收功率(W)，G_t为装备数据库中发射天线增益，G_rn为接收天线增益，λ为接收信号波长(m),λ＝c/f,其中c为光速，f为载波频率(Hz)。R_n为第n次测量得到的目标与监测接收机之间的距离(m)。n∈[1,M]。计算M次的均值R_u和标准差R_σ。因此距离R的估计区间为R∈[R_μ-R_σ,R_μ+R_σ]。

步骤四、当目标判断为缓慢移动(或固定)目标时，首先分析信号推出其中心频率、带宽、调制方式(雷达信号为脉冲描述字(PDW))，通过几个参数信息匹配装备数据库，如果装备数据库中没有其信息，则暂时不能对目标进行定位。此时，保存此信号的原始IQ信号，解析得到的中心频率、带宽、调制方式等信息(雷达信号，存储脉冲描述字(PDW))，以及测向信息。使用者进行线下分析，利用已经知道的该未知装备的几个参数为线索通过情报侦查等其它手段，获知该装备具体信息。获得该装备的信息后，在装备数据库中完善该装备信息，下一次遇到该装备时，就可以通过步骤3获知目标的位置信息。

经多次高精度测向水平角结果θ₁,θ₂....θ_n，n∈[1,K]。其均值θ_μ和标准差θ_σ，水平角θ的一个估计区间为θ∈[θ_μ-θ_σ,θ_μ+θ_σ]。

则在T时刻，缓慢移动(或固定)目标的位置信息为：距离均值R_u，水平角均值θ_μ，距离估计区间R∈[R_μ-R_σ,R_μ+R_σ]，水平角估计区间θ∈[θ_μ-θ_σ,θ_μ+θ_σ]。结果显示在图中如图3所示。

通过获得此目标的装备信息后，完善装备数据库中此装备信息，下一次遇到此目标时就可以进行定位分析了。

本发明方法使单个无线电固定监测站不仅可以测量高速移动目标位置，同时也能够测量缓慢移动(或固定)目标的位置，提供比传统单站测向扇区位置更加丰富的位置信息。

Claims (3)

1.一种固定监测站单站无源区域定位方法，其特征是所述方法包括：

步骤一：根据测量得到角度变化率判断监测目标运动属性：属于高速运动目标还是缓慢移动或固定目标，对不同的目标采用不同的定位方法；

步骤二：如果是高速运动目标，使用DOA-DF即方位角-多普勒频率联合定位法对其运动轨迹进行计算；

步骤三：如果是缓慢移动或固定目标，先进行装备数据库匹配，匹配查找装备发射功率信息和发射天线增益先验知识；如果装备数据库中有该装备信息，则利用信号接收功率传输模型计算距离，加上测向信息，推导出目标的位置；

步骤四：如果是缓慢移动或固定目标，装备数据库中不存在装备信息，此次暂不能对目标进行定位，目标信号原始IQ信号和其它信号分析参数保存，用户在这些线索指导下通过其它手段获知该装备信息，完善装备数据库，下次需要定位该目标时可以对其进行定位操作。

2.根据权利要求1所述的固定监测站单站无源区域定位方法，其特征是固定监测站单站无源区域定位方法，其特征是步骤四中，首先分析缓慢移动或固定目标信号，推出其中心频率、带宽、调制方式，通过几个参数信息匹配装备数据库，如果装备数据库中没有其信息，则暂时不对目标进行定位；此时，保存此目标信号的原始IQ信号，解析得到的中心频率、带宽、调制方式以及测向信息；进行线下分析，获得该装备的信息后，在装备数据库中完善该装备信息，下一次遇到该装备时，就能通过步骤3获知目标的位置信息。

3.根据权利要求1所述的固定监测站单站无源区域定位方法，其特征是当目标判断为缓慢移动(或固定目标时，经多次高精度测向水平角结果θ₁,θ₂....θ_n，n∈[1,K]，其均值θ_μ和标准差θ_σ如下，水平角θ的一个估计区间为θ∈[θ_μ-θ_σ,θ_μ+θ_σ]；

则在T时刻，缓慢移动或固定目标的位置信息为：距离均值R_u，水平角均值θ_μ，距离估计区间R∈[R_μ-R_σ,R_μ+R_σ]，水平角估计区间θ∈[θ_μ-θ_σ,θ_μ+θ_σ]；通过获得此目标的装备信息后，完善装备数据库中此装备信息，下一次遇到此目标时就进行定位分析。