CN104880723A - 一种单星测向定位地面辐射源的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单星测向定位地面辐射源的方法和装置，所述方法包括：利用单颗卫星的阵列天线形成的和、差波束以及比幅波束扫描寻找辐射源信号，同步获取多个地面辐射源在预定时间内每个时隙的和差信号以及比幅信号；根据获取的比幅信号对多个地面辐射源进行粗测向定位；同时对预定时间内每个时隙的和差信号进行采样、下变频、滤波处理后存储；根据粗测向定位的结果对多个地面辐射源进行分类；将存储的预定时间内相同时隙的和差信号相应匹配到分类后的每个地面辐射源；对分类后的每个地面辐射源根据匹配的和差信号进行和差单脉冲精测向定位。本发明的技术方案能够显著提升跳频辐射源的定位精度。

Description

一种单星测向定位地面辐射源的方法和装置

技术领域

本发明涉及天基无源定位技术领域，特别涉及一种单星测向定位地面辐射源的方法和装置。

背景技术

现在战争已由陆、海、空三维立体战，发展到陆、海、空、天、磁多维空间站。随着各种高新技术在空中武器上的运用，传统的有源探测系统面临着电子干扰、隐身目标攻击、反辐射武器攻击等威胁。相比之下，无源传感器系统由于不需要发射电磁能量，仅仅利用辐射源自身信号进行探测与跟踪，具有良好的隐蔽性，对于提高复杂电子战环境下的生存能量具有重要意义。

其中高轨卫星由于其覆盖面广，不受气候影响等独特优点受到广泛关注。而获取辐射源位置是高轨卫星重要任务之一。对于地面辐射源，由于有地球面的约束条件，实现辐射源定位的方法及装置相对空中辐射源而言较为简单。当前常用基于卫星的地面辐射源定位体制主要包括单星测向定位体制，基于时/频差的双星定位体制和基于时差测量的三星定位体制。对于高频段地面辐射源，若发射天线尺寸较大，则其波束宽度就很窄，采用多星定位体制的可行性不强，往往只能采用单星测向定位体制。在众多测向方法中，和差单脉冲测向方法是一种测向精度较高的测向方法，但对于非合作辐射源信号，必须进行一段时间的累加平均处理确定较高的测向精度。

随着信息技术的发展，存在着高轨卫星波束覆盖域内多个跳频干扰源的情况。多个地面干扰源均在卫星工作频段内发射相同调制、带宽的跳频信号，而每一时刻多个地面干扰源发射信号频率不重叠，因而在卫星工作频段内形成多个干扰信号。对于上述情况，由于在前后时隙干扰信号频率跳变规律未知，难以仅基于频率信息建立干扰信号与辐射源的关联，因而无法实现同一干扰源多个时隙信号的累加平均。

发明内容

本发明提供了一种单星测向定位地面辐射源的方法和装置，以提升跳频辐射源的定位精度。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明提供了一种单星测向定位地面辐射源的方法，所述方法包括：

利用单颗卫星的阵列天线形成的和、差波束以及比幅波束扫描寻找辐射源信号，同步获取所述卫星覆盖范围内的多个地面辐射源在预定时间内每个时隙的和差信号以及比幅信号；

根据获取的所述预定时间内每个时隙的比幅信号对所述多个地面辐射源进行粗测向定位；同时对所述预定时间内每个时隙的和差信号进行采样、下变频、滤波处理后存储；

根据所述粗测向定位的结果对所述多个地面辐射源进行分类；

将所述存储的预定时间内相同时隙的和差信号相应匹配到分类后的每个地面辐射源；

对所述分类后的每个地面辐射源根据匹配的和差信号进行和差单脉冲精测向定位。

其中，所述根据所述粗测向定位的结果对所述多个地面辐射源进行分类包括：

对所述预设时间内的粗测向定位的结果进行聚类处理，获取聚类后每个簇的质心；

根据和每个簇内的定位点获得该簇的半径CEP_α；其中，α∈[0,1]，p(r)为簇内定位点落入以该簇的质心为圆心，r为半径的圆的概率；

根据每个簇的质心和半径对所述多个地面辐射源进行分类。

其中，所述对所述预设时间内的粗测向定位的结果进行聚类处理包括：

假设在所述预设时间内共获得N个时隙的比幅信号，则在预设时间内共获得N个粗测向定位的结果，每个粗测向定位的结果对应一个定位点，其中N为自然数；

从所述N个定位点中选择K个定位点作为初始质心，其中K为自然数，K<N；

将其他N-K个定位点分配到最近的质心，形成K个簇；

根据每个簇内的定位点至该簇质心的距离的均值，重新计算所述每个簇的质心，直至所述每个簇的质心不再发生变化。

其中，所述根据和每个簇内的定位点获得该簇的半径CEP_α包括：

假设p和q为所述K个簇中的任意两个簇，簇p与簇q的质心分别为C_p和C_q，

若簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)大于其质心之和β|C_p-C_q|，则对簇p的半径CEP_α(p)进行优化，直至簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)小于或等于其质心之和β|C_p-C_q|，其中β∈(0,1)。

其中，所述若簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)大于其质心之和β|C_p-C_q|，则对簇p的半径CEP_α(p)进行优化具体包括：

根据下述公式优化所述簇p的半径CEP_α(p)，直至簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)小于或等于其质心之和β|C_p-C_q|：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}=\max \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\\ {\&Integral;}_0^{{\mathrm{CEP}}_{{\mathrm{\&alpha;}}^{*}}}p\left(r\right)\mathrm{dr}={\mathrm{\&alpha;}}^{*}\end{array}\right.,$ ${\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}$ 满足 $\underset{j=1,j\&NotEqual;p}{\overset{K}{\mathrm{\&Pi;}}}\frac{f_p\left({\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\right)}{f_i\left({\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\right)}\&GreaterEqual;\mathrm{\&rho;};$

其中，f_p(CEP_α(p))为与簇p的质心C_p的距离为CEP_α(p)的定位点属于簇p的概率，f_j(CEP_α(p))为与簇p的质心C_p的距离为CEP_α(p)的定位点属于簇j的概率，j为除簇p外的任意簇，ρ为预设的可接受误判比率阈值；

或者，根据下述公式优化所述簇p的半径CEP_α(p)，直至簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)小于或等于其质心之和β|C_p-C_q|：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}=\max \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\\ {\&Integral;}_0^{{\mathrm{CEP}}_{{\mathrm{\&alpha;}}^{*}}}p\left(r\right)\mathrm{dr}={\mathrm{\&alpha;}}^{*}\end{array}\right.,$ ${\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}$ 满足 $\left\{\begin{array}{c}{N}_j\left({\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\right)\&le;M\\ {\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\&le;\max \left(\right|C_p-P_p\left(i\right)\left|\right)\end{array}\right.;$

其中，N_j(CEP_α(p))为簇p内属于簇j的定位点的个数，|C_p-P_p(i)|为簇p内任意一定位点i与簇p质心C_p的距离，j为除簇p外的任意簇，M为预设的每个簇内定位点个数阈值。

另一方面，本发明提供了一种单星测向定位地面辐射源的装置，所述装置包括：

信号同步获取单元，用于利用单颗卫星的阵列天线形成的和、差波束以及比幅波束扫描寻找辐射源信号，同步获取所述卫星覆盖范围内的多个地面辐射源在预定时间内每个时隙的和差信号以及比幅信号；

粗测向定位单元，用于根据获取的所述预定时间内每个时隙的比幅信号对所述多个地面辐射源进行粗测向定位；

信号存储单元，用于对所述预定时间内每个时隙的和差信号进行采样、下变频、滤波处理后存储；

分类单元，用于根据所述粗测向定位单元获得的粗测向定位结果对所述多个地面辐射源进行分类；

匹配单元，用于将所述信号存储单元存储的预定时间内相同时隙的和差信号相应匹配到分类后的每个地面辐射源；

精测向定位单元，用于对所述分类后的每个地面辐射源根据所述匹配单元匹配的和差信号对该地面辐射源进行和差单脉冲精测向定位。

其中，分类单元包括：

聚类模块，用于对所述预设时间内的粗测向定位的结果进行聚类处理，获取聚类后每个簇的质心；

半径获取模块，用于根据和每个簇内的定位点获得该簇的半径CEP_α；其中，α∈[0,1]，p(r)为簇内定位点落入以该簇的质心为圆心，r为半径的圆的概率；

辐射源分类模块，用于根据每个簇的质心和半径对所述多个地面辐射源进行分类。

其中，所述聚类模块用于，

假设在所述预设时间内共获得N个时隙的比幅信号，则在预设时间内共获得N个粗测向定位的结果，每个粗测向定位的结果对应一个定位点，其中N为自然数；

从所述N个定位点中选择K个定位点作为初始质心，其中K为自然数，K<N；

将其他N-K个定位点分配到最近的质心，形成K个簇；

根据每个簇内的定位点至该簇质心的距离的均值，重新计算所述每个簇的质心，直至所述每个簇的质心不再发生变化。

其中，所述半径获取模块用于，

假设p和q为所述K个簇中的任意两个簇，簇p与簇q的质心分别为C_p和C_q，

若簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)大于其质心之和β|C_p-C_q|，则对簇p的半径CEP_α(p)进行优化，直至簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)小于或等于其质心之和β|C_p-C_q|，其中β∈(0,1)。

优选地，所述半径获取模块具体用于，

根据下述公式优化所述簇p的半径CEP_α(p)，直至簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)小于或等于其质心之和β|C_p-C_q|：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}=\max \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\\ {\&Integral;}_0^{{\mathrm{CEP}}_{{\mathrm{\&alpha;}}^{*}}}p\left(r\right)\mathrm{dr}={\mathrm{\&alpha;}}^{*}\end{array}\right.,$ ${\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}$ 满足 $\underset{j=1,j\&NotEqual;p}{\overset{K}{\mathrm{\&Pi;}}}\frac{f_p\left({\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\right)}{f_i\left({\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\right)}\&GreaterEqual;\mathrm{\&rho;};$

其中，f_p(CEP_α(p))为与簇p的质心C_p的距离为CEP_α(p)的定位点属于簇p的概率，f_j(CEP_α(p))为与簇p的质心C_p的距离为CEP_α(p)的定位点属于簇j的概率，j为除簇p外的任意簇，ρ为预设的可接受误判比率阈值；

或者，根据下述公式优化所述簇p的半径CEP_α(p)，直至簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)小于或等于其质心之和β|C_p-C_q|：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}=\max \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\\ {\&Integral;}_0^{{\mathrm{CEP}}_{{\mathrm{\&alpha;}}^{*}}}p\left(r\right)\mathrm{dr}={\mathrm{\&alpha;}}^{*}\end{array}\right.,$ ${\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}$ 满足 $\left\{\begin{array}{c}{N}_j\left({\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\right)\&le;M\\ {\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\&le;\max \left(\right|C_p-P_p\left(i\right)\left|\right)\end{array}\right.;$

其中，N_j(CEP_α(p))为簇p内属于簇j的定位点的个数，|C_p-P_p(i)|为簇p内任意一定位点i与簇p质心C_p的距离，j为除簇p外的任意簇，M为预设的每个簇内定位点个数阈值。

本发明实施例的有益效果是：本发明公开了一种单星测向定位地面辐射源的方法和装置，所述方法采用两次测向定位体制，首先根据预定时间内每个时隙的比幅信号对多个地面辐射源进行粗测向定位，然后根据粗测向定位的结果对多个地面辐射源进行分类，通过粗测向定位引导地面辐射源分类，并将相同时隙的和差信号相应匹配到分类后的每个辐射源中，以便于引导和差单脉冲精测向定位，最后对分类后的每个地面辐射源根据匹配的和差信号进行和差单脉冲精测向定位，从而达到显著提升跳频辐射源的定位精度的目的。

附图说明

图1为本发明实施例提供的单星测向定位地面辐射源的方法流程图；

图2-a为当两个地面辐射源相距较近时粗测向定位结果示意图；

图2-b为当两个地面辐射源相距较近时粗测向定位结果的聚类情况示意图；

图3-a为当两个地面辐射源相距中等距离时粗测向定位结果示意图；

图3-b为当两个地面辐射源相距中等距离时粗测向定位结果的聚类情况示意图；

图4-a为当两个地面辐射源相距较远时粗测向定位结果示意图；

图4-b为当两个地面辐射源相距较远时粗测向定位结果的聚类情况示意图；

图5为当两个地面辐射源相距较远时，每个地面辐射源的精测向定位结果示意图；

图6为本发明实施例提供的单星测向定位地面辐射源的装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明的整体设计思想是：采用两级测向定位体制针对高轨卫星波束覆盖区域内存在跳频干扰源的情况，采用两级测向定位体制

图1为本发明实施例提供的单星测向定位地面辐射源的方法流程图，所述包括：

S100，利用单颗卫星的阵列天线形成的和、差波束以及比幅波束扫描寻找辐射源信号，同步获取卫星覆盖范围内的多个地面辐射源在预定时间内每个时隙的和差信号以及比幅信号。

上述卫星的阵列天线形成的和、差波束是为了开展后续的和差单脉冲精测向定位，而形成的比幅波束是为了开展单个时隙内的粗测向定位。本步骤中和、差波束以及比幅波束的形成可通过现有技术实现，例如可通过采用天线相位控制器调节阵列天线不同阵元的相位差形成不同方向的合成波束，从而形成相应的和、差波束以及比幅和波束。

S200，根据获取的预定时间内每个时隙的比幅信号对多个地面辐射源进行粗测向定位；同时对预定时间内每个时隙的和差信号进行采样、下变频、滤波处理后存储。

本步骤中的粗测向定位可采用基于比幅测向地面辐射源的定位方法，根据已知的比幅波束方向图，比较不同测向波束接收的信号幅度大小确定信号的到达角从而实现地面辐射源的测向定位。

本步骤中对预定时间内每个时隙的和差信号进行采样、下变频、滤波处理后存储以供后续处理。需要指出的是，对于和差信号，可采用匹配带宽滤波，也可采用部分带宽带通滤波。

S300，根据粗测向定位的结果对多个地面辐射源进行分类。

本步骤可采用下述方法对多个地面辐射源进行分类：

首先，对预设时间内的粗测向定位的结果进行聚类处理，获取聚类后每个簇的质心。

由于地面辐射源的定位结果属于两维连续空间对象，且聚类的目的在于发现指定个数的簇(即辐射源类别)，因此本实施例中采用K均值方法进行粗定位结果的聚类。

具体的，假设在预设时间内共获得N个时隙的比幅信号，则在预设时间内共获得N个粗测向定位的结果，每个粗测向定位的结果对应一个定位点，其中N为自然数；

从上述N个定位点中选择K个定位点作为初始质心，其中K为自然数，K<N；

将其他N-K个定位点分配到最近的质心，形成K个簇；

根据每个簇内的定位点至该簇质心的距离的均值，重新计算每个簇的质心，直至每个簇的质心不再发生变化。

在实际应用中，可以设定一个质心变化阈值，当相邻两次计算得到的质心的位置变化在预设的质心变化阈值范围内，则认为该簇的质心不再发生变化。

需要说明的是，当各辐射源的定位点分布较集中时，可较容易地判断地面辐射源个数K；而当各地面辐射源的定位点交叠较严重时，可采用特征值法、盖尔圆法等方法进行估计。此外，初始质心的选择对于聚类效果影响较大，一般选择定位点聚集程度高的区域中的一点作为初始质心。

其次，根据和每个簇内的定位点获得该簇的半径CEP_α；其中，α∈[0,1]，p(r)为簇内定位点落入以该簇的质心为圆心，r为半径的圆的概率。

当任意两个簇的半径之和远远小于其质心之和时，认为每个辐射源的定位点的聚类情况较好，否则需要对辐射源的半径进行优化。

即假设p和q为上述K个簇中的任意两个簇，簇p与簇q的质心分别为C_p和C_q，

若簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)大于其质心之和β|C_p-C_q|，则对簇p的半径CEP_α(p)进行优化，直至簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)小于或等于其质心之和β|C_p-C_q|，其中β∈(0,1)。

具体的，当簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)大于其质心之和β|C_p-C_q|时，根据公式(1)优化所述簇p的半径CEP_α(p)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}=\max \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\\ {\&Integral;}_0^{{\mathrm{CEP}}_{{\mathrm{\&alpha;}}^{*}}}p\left(r\right)\mathrm{dr}={\mathrm{\&alpha;}}^{*}\end{array}\right.,$ ${\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}$ 满足 $\underset{j=1,j\&NotEqual;p}{\overset{K}{\mathrm{\&Pi;}}}\frac{f_p\left({\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\right)}{f_i\left({\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\right)}\&GreaterEqual;\mathrm{\&rho;};---\left(1\right)$

其中，f_p(CEP_α(p))为与簇p的质心C_p的距离为CEP_α(p)的定位点属于簇p的概率，f_j(CEP_α(p))为与簇p的质心C_p的距离为CEP_α(p)的定位点属于簇j的概率，j为除簇p外的任意簇，ρ为预设的可接受误判比率阈值；

在实际应用中，当ρ较大时，误判概率低，但由于CEP_α(p)较小，地面辐射源p的定位点落入以C_p为质心为半径的区域内的概率就低，因而收集一定时隙数地面辐射源p的发射信号所需时间就较长；相反地，当ρ较小时，误判概率高，但由于CEP_α(p)较大，则地面辐射源p定位点落入以C_p为质心为半径的区域内的概率就高，因而收集一定时隙数地面辐射源p的发射信号所需时间就较短。因此，必须在和差单脉冲测向定位精度与预设时间之间做出合理的平衡。

或者，根据公式(2)优化所述簇p的半径CEP_α(p)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}=\max \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\\ {\&Integral;}_0^{{\mathrm{CEP}}_{{\mathrm{\&alpha;}}^{*}}}p\left(r\right)\mathrm{dr}={\mathrm{\&alpha;}}^{*}\end{array}\right.,$ ${\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}$ 满足 $\left\{\begin{array}{c}{N}_j\left({\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\right)\&le;M\\ {\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\&le;\max \left(\right|C_p-P_p\left(i\right)\left|\right)\end{array}\right.;---\left(2\right)$

其中，N_j(CEP_α(p))为簇p内属于簇j的定位点的个数，|C_p-P_p(i)|为簇p内任意一定位点i与簇p质心C_p的距离，j为除簇p外的任意簇，M为预设的每个簇内定位点个数阈值；

在实际应用中，当辐射源精确分类较定位速度更重要时，通常使每个簇内定位点个数阈值M＝0。

最后，根据每个簇的质心和半径对多个地面辐射源进行分类。

在实际应用中，根据簇的质心和该簇的半径可以确定一区域，则该区域对应一类(或一个)辐射源。

基于步骤S300可以获得上述卫星覆盖范围内的每个地面辐射源的大致的分布范围。

S400，将存储的预定时间内相同时隙的和差信号相应匹配到分类后的每个地面辐射源。

具体的，在步骤S300中若时隙t1的比幅信号的粗定位点落入p类辐射源中，则时隙t1的和差信号判定为辐射源P的信号。

S500，对分类后的每个地面辐射源根据匹配的和差信号进行和差单脉冲精测向定位。

本步骤中的和差单脉冲精测向定位可通过现有技术实现，例如参见“黎孝纯，邱乐德，陈明章，余晓川.星间链路天线跟踪指向系统[M].上海：上海交通大学出版社，2013.”中的基于和差单脉冲测向方法的测向流程。

需要说明的是，为便于对装置做集成处理，本实施例优选地选择比幅测向定位体制作为粗测向定位方法。显然，本发明包括但不局限于比幅测向的粗定位方案，也可以采用其他定位体制，例如干涉仪测向体制等。

本实施例尤其适用于高轨卫星定位地面辐射源。

为进一步说明本技术方案的处理流程以及有益效果，本发明以单颗高轨卫星同波束内覆盖两个地面辐射源，并定位两个地面辐射源为例进行说明。

本实施例中的粗测向定位体制采用比幅测向定位，精测向定位体制采用和差单脉冲测向定位。假设基于比幅测向定位方法的定位精度为σ＝100km，和差单脉冲测向定位方法的定位精度为σ＝10km，两个辐射源在x-y平面内的坐标为(0,0)，(m,m)。其中m＝80，200，400，分别对应于两地面辐射源非常接近，中等距离，与距离较远三种情形。

高轨卫星的阵列天线形成和、差波束以及比幅波束后，扫描寻找辐射源信号，同步获取其覆盖范围内的上述两个地面辐射源在预定时间内每个时隙的和差信号以及比幅信号；根据获取的每个时隙的比幅信号对两个地面辐射源进行粗测向定位，同时对每个时隙的和差信号进行相应的采用、下变频以及滤波处理，处理后进行存储。

其中当两个辐射源间的距离较近、中等以及较远时，预定时间的粗定位结果分别如图2-a、3-a、4-a所示，图中的○和+分别代表两地面辐射源的粗测向定位点。从图中可以看出，当两个辐射相距较近时，每个地面辐射源的粗测向定位点交叠较为严重；而距离较远时，每个地面辐射源的粗测向定位点分布较为集中。

获得预定时间内每个时隙的比幅信号的粗测向定位结果后，对所有的粗测向定位结果进行聚类处理，实现地面辐射源的分类，以便于引导和差单脉冲精测向定位。

本实施例采用上述技术方案中的K均值方法对粗定位结果的进行聚类处理，聚类结果如图2-b、3-b、4-b所示，图2-b、3-b、4-b分别为两个地面辐射源间的距离较近、中等以及较远时粗测向定位结果的聚类情况示意图，图中高亮度的方框代地面表辐射源实际位置，高亮度的三角形代表聚类的质心，黑色圆弧代表优化后的半径CEP_α。从图中可以看出，当两个辐射相距较近时，聚类后地面辐射源定位点属性归类错误较多；而距离较远时，地面辐射源定位点属性归类几乎没有错误，因而更适合后续的精测向定位。

在将上述两个地面辐射源分类后，使存储的预定时间内相同时隙的和差信号相应匹配到分类后的每个地面辐射源；并将每个地面辐射源的和差信号进行累加平均处理，根据累加平均处理的结果对地面辐射源进行和差单脉冲精测向定位。

图5为当两个地面辐射源相距较远时其精测向定位结果，图中高亮度高密度区域为基于和差单脉冲测向定位100次的结果，其定位精度显著高于图4-b的粗测向定位结果。本发明的技术方案尤其适用于粗测向定位结果聚类效果较好时，即聚类簇内定位点与质心距离显著小于质心间距离的情况。

基于与上述技术方案相同的构思，本发明实施例还提供了一种单星测向定位地面辐射源的装置，所述装置包括信号同步获取单元61、粗测向定位单元62、信号存储单元63、分类单元64、匹配单元65、精测向定位单元66。

信号同步获取单元61，用于利用单颗卫星的阵列天线形成的和、差波束以及比幅和波束扫描寻找辐射源信号，同步获取卫星覆盖范围内的多个地面辐射源在预定时间内每个时隙的和差信号以及比幅信号。

粗测向定位单元62，用于根据获取的预定时间内每个时隙的比幅信号对多个地面辐射源进行粗测向定位。

信号存储单元63，用于对预定时间内每个时隙的和差信号进行采样、下变频、滤波处理后存储。

其中粗测向定位单元62与信号处理单元63同时工作。

分类单元64，用于根据粗测向定位单元获得的粗测向定位结果对多个地面辐射源进行分类。

本实施例中分类单元64还包括：聚类模块、半径获取模块以及辐射源分类模块。

聚类模块，用于对预设时间内的粗测向定位的结果进行聚类处理，获取聚类后每个簇的质心。

其中聚类模块具体用于，

假设在预设时间内共获得N个时隙的比幅信号，则在预设时间内共获得N个粗测向定位的结果，每个粗测向定位的结果对应一个定位点，其中N为自然数；

从上述N个定位点中选择K个定位点作为初始质心，其中K为自然数，K<N；

将其他N-K个定位点分配到最近的质心，形成K个簇；

根据每个簇内的定位点至该簇质心的距离的均值，重新计算每个簇的质心，直至每个簇的质心不再发生变化。

半径获取模块，用于根据和每个簇内的定位点获得该簇的半径CEP_α；其中，α∈[0,1]，p(r)为簇内定位点落入以该簇的质心为圆心，r为半径的圆的概率。

其中半径获取模块进一步用于，

假设p和q为上述K个簇中的任意两个簇，簇p与簇q的质心分别为C_p和C_q，

若簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)大于其质心之和β|C_p-C_q|，则对簇p的半径CEP_α(p)进行优化，直至簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)小于或等于其质心之和β|C_p-C_q|，其中β∈(0,1)。

具体的，根据下述公式优化簇p的半径CEP_α(p)，直至簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)小于或等于其质心之和β|C_p-C_q|，β∈(0,1)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}=\max \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\\ {\&Integral;}_0^{{\mathrm{CEP}}_{{\mathrm{\&alpha;}}^{*}}}p\left(r\right)\mathrm{dr}={\mathrm{\&alpha;}}^{*}\end{array}\right.,$ ${\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}$ 满足 $\underset{j=1,j\&NotEqual;p}{\overset{K}{\mathrm{\&Pi;}}}\frac{f_p\left({\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\right)}{f_i\left({\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\right)}\&GreaterEqual;\mathrm{\&rho;};$

其中，f_p(CEP_α(p))为与簇p的质心C_p的距离为CEP_α(p)的定位点属于簇p的概率，f_j(CEP_α(p))为与簇p的质心C_p的距离为CEP_α(p)的定位点属于簇j的概率，j为除簇p外的任意簇，ρ为预设的可接受误判比率阈值；

或者，根据下述公式优化簇p的半径CEP_α(p)，直至簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)小于或等于其质心之和β|C_p-C_q|，β∈(0,1)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}=\max \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\\ {\&Integral;}_0^{{\mathrm{CEP}}_{{\mathrm{\&alpha;}}^{*}}}p\left(r\right)\mathrm{dr}={\mathrm{\&alpha;}}^{*}\end{array}\right.,$ ${\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}$ 满足 $\left\{\begin{array}{c}{N}_j\left({\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\right)\&le;M\\ {\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\&le;\max \left(\right|C_p-P_p\left(i\right)\left|\right)\end{array}\right.;$

其中，N_j(CEP_α(p))为簇p内属于簇j的定位点的个数，|C_p-P_p(i)|为簇p内任意一定位点i与簇p质心C_p的距离，j为除簇p外的任意簇，M为预设的每个簇内定位点个数阈值。

辐射源分类模块，用于根据每个簇的质心和半径对多个地面辐射源进行分类。

匹配单元65，用于将信号存储单元63存储的预定时间内相同时隙的和差信号相应匹配到分类后的每个地面辐射源；

精测向定位单元66，用于对所述分类后的每个地面辐射源根据匹配单元65匹配的和差信号对该地面辐射源进行和差单脉冲精测向定位。

综上所述，本发明公开了一种单星测向定位地面辐射源的方法和装置，所述方法采用两次测向定位体制，首先根据预定时间内每个时隙的比幅信号对多个地面辐射源进行粗测向定位，然后根据粗测向定位的结果对多个地面辐射源进行分类，通过粗测向定位引导地面辐射源分类，并将相同时隙的和差信号相应匹配到分类后的每个辐射源中，以便于引导和差单脉冲精测向定位，最后对分类后的每个地面辐射源根据匹配的和差信号进行和差单脉冲精测向定位，从而达到显著提升跳频辐射源的定位精度的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种单星测向定位地面辐射源的方法，其特征在于，所述方法包括：

利用单颗卫星的阵列天线形成的和、差波束以及比幅波束扫描寻找辐射源信号，同步获取所述卫星覆盖范围内的多个地面辐射源在预定时间内每个时隙的和差信号以及比幅信号；

根据获取的所述预定时间内每个时隙的比幅信号对所述多个地面辐射源进行粗测向定位；同时对所述预定时间内每个时隙的和差信号进行采样、下变频、滤波处理后存储；

根据所述粗测向定位的结果对所述多个地面辐射源进行分类；

将所述存储的预定时间内相同时隙的和差信号相应匹配到分类后的每个地面辐射源；

对所述分类后的每个地面辐射源根据匹配的和差信号进行和差单脉冲精测向定位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述粗测向定位的结果对所述多个地面辐射源进行分类包括：

对所述预设时间内的粗测向定位的结果进行聚类处理，获取聚类后每个簇的质心；

根据和每个簇内的定位点获得该簇的半径CEP_α；其中，α∈[0,1]，p(r)为簇内定位点落入以该簇的质心为圆心，r为半径的圆的概率；

根据每个簇的质心和半径对所述多个地面辐射源进行分类。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述预设时间内的粗测向定位的结果进行聚类处理包括：

假设在所述预设时间内共获得N个时隙的比幅信号，则在预设时间内共获得N个粗测向定位的结果，每个粗测向定位的结果对应一个定位点，其中N为自然数；

从所述N个定位点中选择K个定位点作为初始质心，其中K为自然数，K<N；

将其他N-K个定位点分配到最近的质心，形成K个簇；

根据每个簇内的定位点至该簇质心的距离的均值，重新计算所述每个簇的质心，直至所述每个簇的质心不再发生变化。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据和每个簇内的定位点获得该簇的半径CEP_α包括：

假设p和q为所述K个簇中的任意两个簇，簇p与簇q的质心分别为C_p和C_q，

若簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)大于其质心之和β|C_p-C_q|，则对簇p的半径CEP_α(p)进行优化，直至簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)小于或等于其质心之和β|C_p-C_q|，其中β∈(0,1)。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述若簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)大于其质心之和β|C_p-C_q|，则对簇p的半径CEP_α(p)进行优化具体包括：

根据下述公式优化所述簇p的半径CEP_α(p)，直至簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)小于或等于其质心之和β|C_p-C_q|：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}=\max \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\\ {\&Integral;}_0^{{\mathrm{CEP}}_{{\mathrm{\&alpha;}}^{*}}}p\left(r\right)\mathrm{dr}={\mathrm{\&alpha;}}^{*}\end{array}\right.,$ 满足 $\underset{j=1,j\&NotEqual;p}{\overset{K}{\mathrm{\&Pi;}}}\frac{f_b\left({\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\right)}{f_j\left({\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\right)}\&GreaterEqual;\mathrm{\&rho;};$

其中，f_p(CEP_α(p))为与簇p的质心C_p的距离为CEP_α(p)的定位点属于簇p的概率，f_j(CEP_α(p))为与簇p的质心C_p的距离为CEP_α(p)的定位点属于簇j的概率，j为除簇p外的任意簇，ρ为预设的可接受误判比率阈值；

或者，根据下述公式优化所述簇p的半径CEP_α(p)，直至簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)小于或等于其质心之和β|C_p-C_q|：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}=\max \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\\ {\&Integral;}_0^{{\mathrm{CEP}}_{{\mathrm{\&alpha;}}^{*}}}p\left(r\right)\mathrm{dr}={\mathrm{\&alpha;}}^{*}\end{array}\right.,$ 满足 $\left\{\begin{array}{c}{N}_j\left({\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\right)\&le;M\\ {\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\&le;\max \left(\right|C_p-P_p\left(i\right)\left|\right)\end{array}\right.;$

其中，N_j(CEP_α(p))为簇p内属于簇j的定位点的个数，|C_p-P_p(i)|为簇p内任意一定位点i与簇p质心C_p的距离，j为除簇p外的任意簇，M为预设的每个簇内定位点个数阈值。

6.一种单星测向定位地面辐射源的装置，其特征在于，所述装置包括：

信号同步获取单元，用于利用单颗卫星的阵列天线形成的和、差波束以及比幅波束扫描寻找辐射源信号，同步获取所述卫星覆盖范围内的多个地面辐射源在预定时间内每个时隙的和差信号以及比幅信号；

粗测向定位单元，用于根据获取的所述预定时间内每个时隙的比幅信号对所述多个地面辐射源进行粗测向定位；

信号存储单元，用于对所述预定时间内每个时隙的和差信号进行采样、下变频、滤波处理后存储；

分类单元，用于根据所述粗测向定位单元获得的粗测向定位结果对所述多个地面辐射源进行分类；

匹配单元，用于将所述信号存储单元存储的预定时间内相同时隙的和差信号相应匹配到分类后的每个地面辐射源；

精测向定位单元，用于对所述分类后的每个地面辐射源根据所述匹配单元匹配的和差信号对该地面辐射源进行和差单脉冲精测向定位。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，分类单元包括：

聚类模块，用于对所述预设时间内的粗测向定位的结果进行聚类处理，获取聚类后每个簇的质心；

半径获取模块，用于根据和每个簇内的定位点获得该簇的半径CEP_α；其中，α∈[0,1]，p(r)为簇内定位点落入以该簇的质心为圆心，r为半径的圆的概率；

辐射源分类模块，用于根据每个簇的质心和半径对所述多个地面辐射源进行分类。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述聚类模块用于，

假设在所述预设时间内共获得N个时隙的比幅信号，则在预设时间内共获得N个粗测向定位的结果，每个粗测向定位的结果对应一个定位点，其中N为自然数；

从所述N个定位点中选择K个定位点作为初始质心，其中K为自然数，K<N；

将其他N-K个定位点分配到最近的质心，形成K个簇；

根据每个簇内的定位点至该簇质心的距离的均值，重新计算所述每个簇的质心，直至所述每个簇的质心不再发生变化。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述半径获取模块用于，

假设p和q为所述K个簇中的任意两个簇，簇p与簇q的质心分别为C_p和C_q，

若簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)大于其质心之和β|C_p-C_q|，则对簇p的半径CEP_α(p)进行优化，直至簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)小于或等于其质心之和β|C_p-C_q|，其中β∈(0,1)。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述半径获取模块具体用于，

根据下述公式优化所述簇p的半径CEP_α(p)，直至簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)小于或等于其质心之和β|C_p-C_q|：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}=\max \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\\ {\&Integral;}_0^{{\mathrm{CEP}}_{{\mathrm{\&alpha;}}^{*}}}p\left(r\right)\mathrm{dr}={\mathrm{\&alpha;}}^{*}\end{array}\right.,$ 满足 $\underset{j=1,j\&NotEqual;p}{\overset{K}{\mathrm{\&Pi;}}}\frac{f_b\left({\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\right)}{f_j\left({\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\right)}\&GreaterEqual;\mathrm{\&rho;};$

其中，f_p(CEP_α(p))为与簇p的质心C_p的距离为CEP_α(p)的定位点属于簇p的概率，f_j(CEP_α(p))为与簇p的质心C_p的距离为CEP_α(p)的定位点属于簇j的概率，j为除簇p外的任意簇，ρ为预设的可接受误判比率阈值；

或者，根据下述公式优化所述簇p的半径CEP_α(p)，直至簇p与簇q的半径之和CEP_α(p)+CEP_α(q)小于或等于其质心之和β|C_p-C_q|：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_{K1}^{*}=\max \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\\ {\&Integral;}_0^{{\mathrm{CEP}}_{{\mathrm{\&alpha;}}^{*}}}p\left(r\right)\mathrm{dr}={\mathrm{\&alpha;}}^{*}\end{array}\right.,$ 满足 $\left\{\begin{array}{c}{N}_j\left({\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\right)\&le;M\\ {\mathrm{CEP}}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(p\right)\&le;\max \left(\right|C_p-P_p\left(i\right)\left|\right)\end{array}\right.;$

其中，N_j(CEP_α(p))为簇p内属于簇j的定位点的个数，|C_p-P_p(i)|为簇p内任意一定位点i与簇p质心C_p的距离，j为除簇p外的任意簇，M为预设的每个簇内定位点个数阈值。