CN105353345B - 一种基于高阶观测量的单通道雷达信号无源定位方法 - Google Patents
一种基于高阶观测量的单通道雷达信号无源定位方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于高阶观测量的单通道雷达信号无源定位方法，包括以下步骤：1)通过对到达时间的估计测量得到TOA序列；2)将TOA序列相邻数据进行两两差分处理，得到一次差分序列；3)将步骤2)获得的一次差分序列再分别进行两次差分，得到一组二次差分序列D0和三次差分序列F0；4)设定卫星覆盖区域，并在卫星覆盖区域内划分网格，利用卫星星历给出的GPS信息，通过插值找出辐射源信号到达时刻的卫星位置，然后计算假定雷达信号从卫星覆盖地面区域的每一个网格节点分别传输到卫星的时延序列，分别对每一个时延序列重复步骤2)～3)，得到对应于每一个网格节点的二次差分序列Dj和三次差分序列Fj；5)建立代价函数；6)根据建立的代价函数寻找地面雷达辐射源的目标位置。
Description
技术领域
本发明涉及非合作雷达辐射源无源定位领域，特别是关于一种基于高阶观测量的单通道雷达信号无源定位方法。
背景技术
无源定位是一种通过接收辐射源自身的辐射信号从而确定其位置的定位技术，由于该方法具有较强的抗干扰能力，较好的隐蔽性，所以近些年受到重视，尤其在雷达、声纳和通信领域有着广泛的应用，常用的方法是利用到达观测点的时间差或者多普勒频率差等信息来确定目标辐射源的空间几何位置。对于现有的星载无源定位体制来说可以分为两种形式：星座定位体制和单星定位体制。星座定位体制一般采用多颗卫星，利用时差、频差或者与其他参数相结合的方法来完成定位过程，这种方法技术复杂，设备成本高，实现难度大。单星无源定位相对于星座定位方式具有组成简单、使用灵活、成本低和研制周期短的优势，它只需要一颗卫星就可以完成对辐射源的定位，对星载时钟的长期稳定度要求也比一般星座定位体制要求低，因而得到了广泛应用。
目前常用的单星定位方法是利用对信号多普勒变化率的测量来完成对辐射源的定位，在这种算法中多普勒变化率参数的高精度测量是实现单星无源定位的重要保证，但是由于脉冲宽度持续时间往往在毫秒量级以下，难以精确提取；同时不能处理非相干雷达、跳频或非线性扫频雷达；也有通过提取PRI(脉冲重复间隔)变化信号的相位差变化率来完成定位的，但是在这个过程中，基本都采用干涉仪测向天线阵，结构较为复杂；另外还有利用到达时间的测量来对辐射源进行定位，但是目前该方法也仅限于处理对PRI固定情况下的辐射源定位问题，并未对PRI变化的情况进行分析。现有的单星无源定位方法的精度不高，采用干涉仪测向或载波多普勒信息等技术，在提升精度方面面临载荷构成复杂、对卫星姿态要求高等难题，并且对辐射源信号类型的适应能力受限。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种定位精度高的基于高阶观测量的单通道雷达信号无源定位方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于高阶观测量的单通道雷达信号无源定位方法，其特征在于包括以下步骤：1)基于卫星平台，利用单副天线和单个接收机通道接收地面雷达辐射源的脉冲信号，通过对到达时间的估计测量得到TOA序列，其中，TOA表示到达时间；2)将TOA序列相邻数据进行两两差分处理，得到一次差分序列；3)将步骤2)获得的一次差分序列再分别进行两次差分，得到一组二次差分序列D0和一组三次差分序列F0；4)设定卫星覆盖区域，并在卫星覆盖区域内划分网格，利用卫星星历给出的GPS信息通过插值找出辐射源信号到达时刻的卫星位置，然后计算假定雷达信号从卫星覆盖区域的每一个网格节点分别传输到卫星的时延序列，分别对每一个时延序列重复步骤2)～3)，得到对应于每一个网格节点的二次差分序列Dj和三次差分序列Fj；5)建立代价函数：
式中，||||2代表向量的欧氏距离，P为卫星覆盖区域网格节点的数量；6)根据建立的代价函数寻找地面雷达辐射源的目标位置，即分别将在步骤4)中得到的假定雷达信号从网格节点发出到传输到卫星的延时序列的二次差分和三次差分序列以及雷达辐射源TOA序列的二次差分序列和三次差分序列带入代价函数中，计算代价函数的最大值，价函数的最大值所对应的卫星覆盖区域的网格节点即为该方法所确定的地面雷达辐射源的位置。
进一步，所述步骤2)将TOA序列相邻数据进行两两差分处理，得到一次差分序列，具体为：对于固定PRI雷达，由于Ti＝T1+(i-1)×PRI(1≤i≤N)，则TOA序列一次差分结果为：
(Ti+1+Δti+1)-(Ti+Δti)＝PRI+(Δti+1-Δti)(1≤i≤N-1)；
对于参差PRI雷达，假设雷达的参差周期为k，也就是说是一个固定值，则TOA序列一次差分结果为：
(Ti+k+Δti+k)-(Ti+Δti)＝PRI+(Δti+k-Δti)(1≤i≤N-k)。
进一步，所述步骤3)中将步骤2)获得的一次差分序列再分别进行两次差分，得到一组二次差分序列D0和一组三次差分序列F0，具体为：对于固定PRI雷达，二次差分序列D0和三次差分序列F0的计算公式为：
D0＝(PRI+(Δti+2-Δti+1))-(PRI+(Δti+1-Δti))＝(Δti+2-Δti+1)-(Δti+1-Δti)(1≤i≤N-2)
F0＝[(Δti+3-Δti+2)-(Δti+2-Δti+1)]-[(Δti+2-Δti+1)-(Δti+1-Δti)](1≤i≤N-3)；
对于参差PRI雷达，二次差分序列D0和三次差分序列F0的计算公式为：
D0＝[PRI+(Δti+1+k-Δti+1)]-[PRI+(Δti+k-Δti)]＝(Δti+1+k-Δti+1)-(Δti+k-Δti)(1≤i≤N-k-1)
F0＝[(Δti+2+k-Δti+2)-(Δti+1+k-Δti+1)]-[(Δti+1+k-Δti+1)-(Δti+k-Δti)](1≤i≤N-k-2)。
进一步，所述步骤4)中计算假定雷达信号从卫星覆盖地面区域的每一个网格节点分别传输到卫星的时延序列，分别对每一个时延序列重复步骤2)～3)，得到对应于每一个网格节点的二次差分序列Dj和三次差分序列Fj，具体为：对于固定PRI雷达，每一个网格节点的二次差分序列Dj和三次差分序列Fj的计算公式为：
Dj＝(Δti+2'-Δti+1')-(Δti+1'-Δti')(1≤i≤N-2,1≤j≤P)
Fj＝[(Δti+3'-Δti+2')-(Δti+2'-Δti+1')]-[(Δti+2'-Δti+1')-(Δti+1'-Δti')](1≤i≤N-3,1≤j≤P)；
对于参差PRI雷达，每一个网格节点的二次差分序列Dj和三次差分序列Fj的计算公式为：
Dj＝(Δti+1+k′-Δti+1′)-(Δti+k′-Δti′)(1≤i≤N-k-1,1≤j≤P)
Fj＝[(Δti+2+k′-Δti+2′)-(Δti+1+k′-Δti+1′)]-[(Δti+1+k′-Δti+1′)-(Δti+k′-Δti′)](1≤i≤N-k-2,1≤j≤P)。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明首先利用单副天线和单个接收机通道接收地面雷达辐射源的脉冲信号，将TOA序列相邻数据进行连续三次差分处理得到PRI变化率序列；然后将对假定雷达信号从卫星覆盖区域的每一个网格节点传输到卫星的时延序列也进行连续差分处理，最后结合建立的代价函数寻找地面雷达辐射源的目标位置，因此本发明仅利用TOA序列完成地面雷达辐射源的定位，在轨实测定位精度优于3.7km，定位精度高。2、本发明由于在低复杂度方面仅采用一副单通道宽波束天线实现了星-地处理的合理分配、时间同步精度要求仅为秒级，在低成本方面采用普通性能器件，价格较为便宜。本发明可以广泛应用于对固定PRI、参差PRI、多值组变PRI等以及相干、非相干、跳频、非线性扫频等主要雷达类型的辐射源准确定位中，适用范围广。
附图说明
图1是本发明的无源定位方法流程示意图；
图2是本发明的具体实施方式中到达时间序列的具体说明示意图；
图3是本发明实施方式中卫星覆盖区域中网格节点及到达时间求解说明示意图；
图4是本发明的代价函数在卫星覆盖区域的分布示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
如图1所示，本发明提出的基于高阶观测量的单通道雷达信号无源定位方法，包括以下步骤：
1、基于卫星平台，利用单副天线和单个接收机通道接收地面雷达辐射源的脉冲信号，通过对到达时间的估计测量得到TOA(到达时间)序列(本发明实施例以固定PRI雷达的TOA序列和参差PRI雷达的TOA序列为例进行详细说明，其它类型雷达信号的TOA序列均有周期性特征求解原理都是相同的，在此不再赘述)如图2所示，发射时间为Ti(1≤i≤N)，所以相对应的达到卫星的时间序列中，每一个到达时间Ti'可以表示为：
Ti′＝Ti+Δti(1≤i≤N)，
式中，Δti为卫星与地面雷达辐射源之间的传输时延，(x0,y0,z0)是地面雷达辐射源位置，(xi,yi,zi)为该时刻的卫星位置，c为光速。
2、将TOA序列相邻数据进行两两差分处理，得到一次差分序列，具体为：
对于固定PRI雷达，由于Ti＝T1+(i-1)×PRI(1≤i≤N)，则相应TOA序列一次差分结果为：
(Ti+1+Δti+1)-(Ti+Δti)＝(T1+i×PRI+Δti+1)-(T1+(i-1)×PRI+Δti)＝PRI+(Δti+1-Δti)(1≤i≤N-1)；
对于参差PRI雷达，假设雷达的参差周期为k，也就是说是一个固定值，则相应TOA序列一次差分结果为：
(Ti+k+Δti+k)-(Ti+Δti)＝PRI+(Δti+k-Δti)(1≤i≤N-k)。
3、将步骤2获得的一次差分序列再分别进行两次差分，得到一组二次差分序列D0和一组三次差分序列F0，本发明将TOA序列的二次差分量或三次差分量都称作TOA序列的高阶观测量，二次差分序列D0和三次差分序列F0为衡量地面雷达辐射源位置信息的PRI变化率序列，具体为：
对于固定PRI雷达，二次差分序列D0和三次差分序列F0的计算公式为：
D0＝(PRI+(Δti+2-Δti+1))-(PRI+(Δti+1-Δti))＝(Δti+2-Δti+1)-(Δti+1-Δti)(1≤i≤N-2)
F0＝[(Δti+3-Δti+2)-(Δti+2-Δti+1)]-[(Δti+2-Δti+1)-(Δti+1-Δti)](1≤i≤N-3)；
同样的，对于参差PRI雷达，二次差分序列D0和三次差分序列F0的计算公式为：
D0＝[PRI+(Δti+1+k-Δti+1)]-[PRI+(Δti+k-Δti)]＝(Δti+1+k-Δti+1)-(Δti+k-Δti)(1≤i≤N-k-1)
F0＝[(Δti+2+k-Δti+2)-(Δti+1+k-Δti+1)]-[(Δti+1+k-Δti+1)-(Δti+k-Δti)](1≤i≤N-k-2)。
4、设定卫星覆盖区域(卫星的宽波束天线能够覆盖的地面区域)，并在卫星覆盖区域内划分网格，每个网格的大小可以根据实际的精度要求进行确定，利用卫星星历给出的GPS信息通过插值找出辐射源信号到达时刻的卫星位置，然后计算假定雷达信号从卫星覆盖区域的每一个网格节点分别传输到卫星的时延序列，如图3所示，可得到P个长度为N的时延序列Δtk′(1≤k≤N)，P为卫星覆盖区域网格节点的数量。对每一个时延序列重复步骤2～3，得到对应于每一个网格节点的二次差分序列Dj和三次差分序列Fj，具体为：
对于固定PRI雷达，每一个网格节点的二次差分序列Dj和三次差分序列Fj的计算公式为：
Dj＝(Δti+2′-Δti+1′)-(Δti+1′-Δti′)(1≤i≤N-2,1≤j≤P)
Fj＝[(Δti+3′-Δti+2′)-(Δti+2′-Δti+1′)]-[(Δti+2′-Δti+1′)-(Δti+1′-Δti′)](1≤i≤N-3,1≤j≤P)；
同样地，对于参差PRI雷达，每一个网格节点的二次差分序列Dj和三次差分序列Fj的计算公式为：
Dj＝(Δti+1+k′-Δti+1′)-(Δti+k′-Δti′)(1≤i≤N-k-1,1≤j≤P)
Fj＝[(Δti+2+k'-Δti+2')-(Δti+1+k'-Δti+1')]-[(Δti+1+k'-Δti+1')-(Δti+k'-Δti')](1≤i≤N-k-2,1≤j≤P)。
5、建立代价函数为：
式中，||||2代表向量的欧氏距离。
6、根据建立的代价函数寻找地面雷达辐射源的目标位置，即分别将在步骤4中得到的假定雷达信号从网格节点发出，到传输到卫星的延时序列的二次差分和三次差分序列以及雷达辐射源TOA序列的二次差分序列和三次差分序列带入到代价函数中，计算代价函数的最大值，代价函数的最大值所对应的卫星覆盖区域的网格节点即为地面雷达辐射源的位置，如图4所示的最大值为地面雷达辐射源的定位结果。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的各实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (4)
1.一种基于高阶观测量的单通道雷达信号无源定位方法，其特征在于包括以下步骤：
1)基于卫星平台，利用单副天线和单个接收机通道接收地面雷达辐射源的脉冲信号，通过对到达时间的估计测量得到TOA序列，其中，TOA表示到达时间；
2)将TOA序列相邻数据进行两两差分处理，得到一次差分序列；
3)将步骤2)获得的一次差分序列再分别进行两次差分，得到一组二次差分序列D0和一组三次差分序列F0；
4)设定卫星覆盖区域，并在卫星覆盖区域内划分网格，利用卫星星历给出的GPS信息通过插值找出辐射源信号到达时刻的卫星位置，然后计算假定雷达信号从卫星覆盖区域的每一个网格节点分别传输到卫星的时延序列，分别对每一个时延序列重复步骤2)～3)，得到对应于每一个网格节点的二次差分序列Dj和三次差分序列Fj；
5)建立代价函数：
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式中，||||2代表向量的欧氏距离，P为卫星覆盖区域网格节点的数量；
6)根据建立的代价函数寻找地面雷达辐射源的目标位置，即分别将在步骤4)中得到的假定雷达信号从网格节点发出到传输到卫星的延时序列的二次差分和三次差分序列以及雷达辐射源TOA序列的二次差分序列和三次差分序列带入代价函数中，计算代价函数的最大值，价函数的最大值所对应的卫星覆盖区域的网格节点即为地面雷达辐射源的位置。
2.如权利要求1所述的一种基于高阶观测量的单通道雷达信号无源定位方法，其特征在于：所述步骤2)将TOA序列相邻数据进行两两差分处理，得到一次差分序列，具体为：
对于固定PRI雷达，由于Ti＝T1+(i-1)×PRI(1≤i≤N)，则TOA序列一次差分结果为：
(Ti+1+Δti+1)-(Ti+Δti)＝PRI+(Δti+1-Δti)(1≤i≤N-1)；
对于参差PRI雷达，假设雷达的参差周期为k，也就是说是一个固定值，则TOA序列一次差分结果为：
(Ti+k+Δti+k)-(Ti+Δti)＝PRI+(Δti+k-Δti)(1≤i≤N-k)
式中，Ti(1≤i≤N)为第i个时间序列的发射时间，Δti为卫星与地面雷达辐射源之间的传输时延，PRI为脉冲重复间隔。
3.如权利要求2所述的一种基于高阶观测量的单通道雷达信号无源定位方法，其特征在于：所述步骤3)中将步骤2)获得的一次差分序列再分别进行两次差分，得到一组二次差分序列D0和一组三次差分序列F0，具体为：
对于固定PRI雷达，二次差分序列D0和三次差分序列F0的计算公式为：
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4.如权利要求2或3所述的一种基于高阶观测量的单通道雷达信号无源定位方法，其特征在于：所述步骤4)中计算假定雷达信号从卫星覆盖地面区域的每一个网格节点分别传输到卫星的时延序列，分别对每一个时延序列重复步骤2)～3)，得到对应于每一个网格节点的二次差分序列Dj和三次差分序列Fj，具体为：
对于固定PRI雷达，每一个网格节点的二次差分序列Dj和三次差分序列Fj的计算公式为：
Dj＝(Δti+2'-Δti+1')-(Δti+1'-Δti')(1≤i≤N-2,1≤j≤P)
Fj＝[(Δti+3'-Δti+2')-(Δti+2'-Δti+1')]-[(Δti+2'-Δti+1')-(Δti+1'-Δti')](1≤i≤N-3,1≤j≤P)；
对于参差PRI雷达，每一个网格节点的二次差分序列Dj和三次差分序列Fj的计算公式为：
Dj＝(Δti+1+k'-Δti+1')-(Δti+k'-Δti')(1≤i≤N-k-1,1≤j≤P)
Fj＝[(Δti+2+k'-Δti+2')-(Δti+1+k'-Δti+1')]-[(Δti+1+k'-Δti+1')-(Δti+k'-Δti')](1≤i≤N-k-2,1≤j≤P)
式中，Δti'为时延序列。
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