CN105659866B - 随机分布空间组网式目标探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种随机分布空间组网式目标探测方法及系统，属于子母弹式弹载无源测向技术领域。本发明包括多个相同的探测阵元，每个独立探测阵元单位包括目标无线电信号源相位接收模块、阵元单位坐标定位模块、数据信息发射模块、数据信息接收模块和数据处理计算模块。其中，相位接收模块、数据信息发射模块、数据信息接收模块和坐标定位模块分别连接到数据处理模块。本发明的方法集成于数据处理计算模块，可在探测阵元位置随机分布情况下实现对指定频率电磁辐射源相对位置的探测。本发明可以实现无源弹载测向，具有很大的随机性、灵活性，使系统内部达到数据共享，探测的精度、准度得到大大提高，能广泛应用于空间引信探测、目标定位等探测工作中。<pb pnum="1" />

Description

随机分布空间组网式目标探测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种随机分布空间组网式目标探测方法及系统，属于子母弹式弹载无源测向技术领域。

背景技术

现有无源测向技术可以分成两大类，传统的测向技术和多分辨阵列信号测向技术。传统测向技术包括幅度测向和相位测向两种，分别直接利用目标信号辐射波的幅度信息和相位信息达到测向的目的。比幅测向和比相测向是幅度测向和相位测向中两类常用的测向方法。

传统的测向技术仅仅利用了天线从空间磁场接收到的少部分信息(相位或者幅度)，其测向系统只能获得较少的信号数据，因此测向精度、实时性受到一定的限制，并且测向结果较独立，片面，受各种外界因素的影响较大。

同时，传统的测向技术中，探测阵元的个数以及探测阵元的分布方位都是已知，并且固定。这样在实际的探测过程中，系统工作受空间环境等未知因素的影响较大，并且由于探测阵元的个数固定，若系统中的某些阵元出现故障，将会导致整个系统的瘫痪，致使测向工作无法完成。同时在相对独立的测向系统中，接收到数据信息的处理相对独立，致使环境中误差对系统的影响较大，系统很难探测得到准确的目标结果。

发明内容

本发明的目的是为提高现有测向技术的探测精度和准度，增加操作的实用性和灵活性，提供一种随机分布空间组网式目标探测方法及系统。

一种随机分布空间组网式目标探测方法，其具体实现过程为：

步骤1，将若干个炮弹阵元随机分布在空间中，任意选取某炮弹阵元为当前坐标系原点，地理上下为Z轴，炮弹运动方向为X，并根据右手定则确定Y轴。设在该坐标系中存在另外一炮弹阵元，其坐标为S_i(x_i，y_i，z_i)，被打击目标P点的坐标为P(x，y，z)。

过S_i做的垂线，交与Q点，则有：

O，S_i点距离差为

将实际坐标带入上式，得到：

化简后得到：

(x_i ²-Δ_i ²)x²+(y_i ²-Δ_i ²)y²+(z_i ²-Δ_i ²)z²+2x_iy_ixy+2x_iz_ixz+2y_iz_iyz＝0

令f_i(x，y，z)＝(x_i ²-Δ_i ²)x²+(y_i ²-Δ_i ²)y²+(z_i ²-Δ_i ²)z²+2x_iy_ixy+2x_iz_ixz+2y_iz_iyz

步骤2，当坐标原点O处的炮弹阵元接收到来自周围n个炮弹阵元的信号，则可以联立成立方程组：

$\left[\begin{array}{cc}{f}_1(x,y,z)& i=1\\ f_2(x,y,z)& i=2\\ ...& \\ f_i(x,y,z)& i\\ ...& \\ f_n(x,y,z)& i=n\end{array}\right]=0,(n\&GreaterEqual;3)$

对目标的探测过程，即对方程组求解，得出目标P(x，y，z)坐标的过程。

下面对方程组的解进行讨论，

i)n＝3的情况下，方程的个数等于未知数的个数，方程组有唯一解。

ii)n＞3的情况下，方程个数大于未知数个数，该超定方程组无解。

基于以上两种情况，都可以利用最小二乘的思想来求解。存在目标理论值P(x，y，z)的一个近似解P₀(x₀，y₀，z₀)，使其满足该方程组的残差达到最小值，即由此达到最佳拟合效果。

步骤3，由于非线性方程组的复杂程度，无法求出满足残差最小近似解的精确解析形式，因此，在给定目标探测精度ε(即求解精度)的约束条件下，用数值迭代的方法，求出数值解使其满足由此求得作为目标P(x，y，z)的坐标值，可以较精确地得到目标位置。

本发明的上述方法还适用于利用目标点的方位角，俯仰角来进行探测，定义入射波的与Z轴的夹角为俯仰角入射波在XOY平面的投影与X轴的夹角为方位角θ，目标信号源与原点的径向距离为r。

将P点坐标用方位角θ，俯仰角作参数表示为：同理有，

令

若该炮弹阵元接收到来自周围n个炮弹阵元的信号，则可以联立成为方程组：

同理可以用最小二乘的思想，求解该方程组近似解的数值形式，并且，由于此处未知变量的个数为两个，比之前未知变量的个数少一个，在求解计算中，相对应得计算量相对减少，速度有一定程度的提高。

根据上述的目标探测方法，设计一种随机分布空间组网式目标探测系统，具体包括多个相同的探测阵元，可在探测阵元位置随机分布情况下实现对指定频率电磁辐射源相对位置的探测。每个探测阵元独自为一单位，独立工作且相互进行数据通信，各个阵元单位间工作相互不影响。

每个独立探测阵元单位包括目标无线电信号源相位接收模块、阵元单位坐标定位模块、数据信息发射模块、数据信息接收模块和数据处理计算模块。其中，相位接收模块、数据信息发射模块、数据信息接收模块和坐标定位模块分别连接到数据处理模块。

1.目标无线电信号源相位接收模块

采用微带天线接收来自目标信号源的相位信息，经过低噪放，滤波，混频器混频处理，最后经I/Q分解，分解为相互正交的I路，Q路信号相位信息，放大后经A/D高速采样，完成模拟到数字信号的转换，并将数据传输到数据处理模块。

2.阵元单位坐标定位模块

定位当前探测阵元在整个系统中的坐标信息。在本系统中，定位采用GPS定位模块，在探测阵元内部安装GPS接收芯片，接收到来GPS卫星的通讯信号，确定探测阵元单位的GPS地球坐标，并将GPS数据信息传输到数据处理模块中供使用。

3.数据信息发射模块

将由数据处理模块传输的当前探测阵元接收到的相位信息和获得的坐标信息一起编码后，经放大器进行信号放大，以广播的形式发射到空间中，供其他探测阵元接收。特别地，数据信息的发送并不是向另外某一特定的阵元单位，而具有普遍性；同时，接收数据信息的阵元具有随机性，任意性。

4.数据信息接收模块

该模块不断接收来自系统其它阵元所发射编码信息，通过自身解码器进行解码，获得其中的阵元坐标和接收到的目标相位信息后传输给数据处理模块。该接收过程具有随机性，任意性，且接收到的阵元个数可以为多个。

5.数据处理模块

根据接收到的来自其它阵元的信息数据，以及当前阵元自身测量的坐标和相位信息，在满足一定接收时间和可求解的最小阵元个数的计算条件下，系统开始计算。根据特定探测算法求解出目标信号的相对坐标，并以控制信号的形式输出到系统外部的控制端以控制弹丸飞行轨迹。

将本发明的目标探测系统中各个探测阵元安装于子母弹的各个子弹丸上。母弹丸在一定高度被抛出，减速减旋装置使母弹稳定到一定速度和转速时。母弹向外部抛射出N枚子弹药(N＞3)，组成网状弹丸系统。每个子弹药独立工作，通过探测阵元自身装载的GPS定位系统记录自身地球坐标，并不断记录目标源发射来电磁波相位，并将位置坐标和目标相位信息向周围阵元(弹丸)发射，同时接受来自其他阵元(弹丸)的GPS定位及目标信息信号。在一段时间之后，当前阵元(弹丸)接收到来自网状弹丸系统中其它n个阵元(弹丸)的数据(3＜＝n＜＝N)，然后探测阵元启动测向算法，计算出目标位置。数据处理模块所连接的后端子母弹控制系统通过探测出的目标位置，对弹丸自身运行轨迹进行修正，达到摧毁目标的目的。

有益效果

本发明采用组网式随机分布阵元探测技术，各个阵元在相互独立工作的基础上，又存在相互的数据通信，且该数据通信模式具有很大的随机性、灵活性，使系统内部达到数据共享，探测的精度、准度得到大大提高。

每个探测阵元作用结构算法均相同，适合批量生产。组网系统内弹丸个数，根据杀伤效果可灵活调整数目(N＞＝3)；组网系统稳定，若在N＞3情况下，若由于不确定性因素影响导致个别弹丸失效，在工作弹丸个数N＞＝3的情况下，系统仍可以继续工作，最后摧毁目标。

由于本发明的探测方法采用最小二乘算法，对目标理想坐标值进行最优数据拟合，对多个炮弹阵元测量的数据进行统计平均，更好的缩减了各个弹丸的探测误差，令探测系统具有较高的计算精度。

本发明可以实现无源弹载测向，能广泛应用于空间引信探测、目标定位等探测工作中。

附图说明

图1为本发明的随机分布空间组网式目标探测方法原理示意图；

图2为本发明的单个探测阵元总体结构图；

图3为具体实施方式中目标无线电信号源相位接收模块结构图；

图4为具体实施方式中数据信息发射模块结构图；

图5为具体实施方式中数据信息接收模块结构图；

图6为具体实施方式中UM3758-108芯片引脚图；

图7为具体实施方式中UM3758-108芯片数据通信接口电路；

图8为具体实施方式中数据处理模块结构框图；

图9为具体实施方式中空间组网式探测系统实际工作示意图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。

本发明的随机分布空间组网式目标探测方法原理如图1所示。

图中O点为当前弹丸阵元在空间中所在的点，P点为空间中目标源的位置，S_i为空间中当前弹丸之外某一弹丸的位置。O处的弹丸阵元接收到来自P点目标源发射的相位信息θ₀，同时根据当前弹丸阵元自身的GPS坐标定位模块定位出自身在地球坐标系中的坐标值G₀(x₀，y₀，z₀)。同时该弹丸阵元接收到来自S_i点处弹丸阵元的信息数据，其中包括S_i点在地球坐标系中的坐标值G_i(x_i，y_i，z_i)和S_i点弹丸阵元接收到的来自目标源P点发射出的无线电信号的相位信息θ_i。假设i＝1，2，...，n，即O点处的弹丸阵元一共接收到n个来自周围弹丸阵元发射的信息数据，则由通信传输的信息数据，可以得知该n个点在空间中相对O点的坐标位置S_i(x_i，y_i，z_i)，其中S_i(x_i，y_i，z_i)＝G_i(x_i，y_i，z_i)-G₀(x₀，y₀，z₀)，以及n个坐标点处弹丸阵元接收到的与O点处接收到的来自P点目标源发射出的无线电信号相位信息的相对相位差Δθ_i，Δθ_i＝θ_i-θ₀，其中i＝1，2，...，n。同时可以利用目标信号源的波长信息λ，求解出n个坐标点处弹丸阵元与O点出弹丸阵元的距离差Δ_i＝|Δθ_iλ|。

完成以上转换后，利用本发明内容中的探测方法，联立可得方程组：

求解P点相对于坐标原点O的坐标P₀(x₀，y₀，z₀)，并在给定目标探测精度ε的约束条件下，用数值迭代的方法，求出数值解达到最佳拟合效果。其中数值迭代方法的具体实现如下：

本发明中采用Gauss-Newton法求解上述的非线性超定方程组的最小二乘最优解的数值解。

令其中

则函数的极小值点

即就是超定方程组的最小二乘解。

令的梯度函数

则

其中：

令：则Gauss-Newton迭代法求解非线性方程组数值解的迭代格式为：

设置解的精度ε，选取初值开始迭代。

当满足停止迭代，则解即为满足精度ε条件，非线性方程组近似解的数值解

为防止迭代矩阵奇异或病态，此处迭代格式还可以增加一个阻尼项μ_kI以进一步优化，即

那么格式变成：

由以上方法可以求解出最小二乘近似解的数值解

并可进一步推导出P点在地球坐标系中的坐标：完成测向工作，输出目标源坐标信息，控制弹丸的飞行轨迹，最终摧毁P点处的目标源。

本发明的单个探测阵元总体结构如图2所示，包括坐标定位，数据发射，数据接收，相位接收和数据处理模块。其中：

1)本实施例的坐标定位模块中GPS芯片采用SiRF公司的starIII型号芯片。该芯片拥有一个140支脚位的GPS讯号处理器。此外，SiRFstarIII也提供TTFF快速首次定位功能，并比SiRF减少占用约20％的硬件空间，功耗较少，适用范围广。

型号参数：SiRFstarIII

感度：-159dBm

特色：省电、简化线路设计

尺寸：27.9mm×20mm×2.9mm

精准度：Position：10～20m

工作电压：3.3V

接收频道：20颗卫星频道

GPS芯片接收到卫星信息之后，确定出当前弹丸阵元的坐标信息，将数据传输给数据处理模块共使用。

2)本实施例的相位接收模块内部结构如图3所示。位于弹丸前端的相位接收模块接收到由天线传来的无线电相位信息，经过低噪放，滤波处理，并与本振源产生的信号进行混频处理，再经过IQ分解器，将其分解为相互正交的IQ两路信号，此处AD采样使用50MHz的采用频率。之后将获得的信号相位信息传输给数据处理模块。

3)本实施例的数据发射模块由数据编码芯片，脉冲发生器，时钟信号，以及放大器组成。

数据编码芯片采用UM3758-108，其引脚结构如图6所示，该芯片属大规模CMOS器件，它集编码发送和接收解码于一身，在编解码电路、控制领域以及保密通信方面有着广泛的应用，把它用作一种新型数字接口，更展现其在通信领域的应用价值。其通信接口电路如图7所示。

UM3758-108芯片的管脚排列如图6所示。各管脚功能描述如下：

A0～A9：三态编码地址输入端；

D0～D7：编码数据输入或输出；

OSC：外接RC电路构成系统时钟；

VSS：电源地；

T/R：编码发送与接收解码选择，接高电平时为编码发送，接收低电平时为接收解码；此处将T/R至于高电平进行编码发送；

IN：接收解码时，编码脉冲输入端；

TX/RX：编码发送输出端或解码接收正确标志显示(RX输出低电平)；

VDD：电源正端(3～12V)；

VDD接+12V，波特率设置为2500。

4)本实施例的数据接收模块包括数据解码芯片，脉冲发生器，时钟信号，以及放大器组成。

数据解码芯片依然采用UM3758-108。并将T/R引脚置低电平，进行接收解码。其通信接口电路如图7所示。

5)本实施例的数据处理模块包括AD基带信号采样，FPGA控制芯片，DSP数据处理芯片以及SRAM，FLASH等内部存储器，如图8所示。其中：AD基带信号采样：中频变换后的信号分别送入通道进行采样，ADC选用AD公司的AD9283，工作电压3.3V，最高采样率100MHz，8bits输出，单端输入电压范围是0-1V。

FPGA控制芯片：采样后的信号送入FPGA，根据算法需要控制采样数据的个数，并进行数据预处理。FPGA采用Xilinx公司的Spantan3系列，144pin，片内包含216Kbits的RAM存储空间。

DSP芯片：测向算法实现，DSP选用TI的54系列的定点芯片，主频为100MHz。

SRAM存储器：选用CY7C1041BV33，存储容量：256K×16bits，最高工作速度：15ns。

FLASH存储器：选用SST39VF1601，存储容量：16M×16bits，最高读取速度：90ns。

空间组网式探测系统工作状态，如图9所示。实验中，采用喇叭发射天线模拟目标信号源，其中喇叭发射天线向外辐射正弦波信号，信号频率：3.00GHz；发射信号增益：10dBm。空间环境中随机的分布着五个探测接收阵元。任意选定空间中的一个接收阵元作为空间坐标原点，确定该接收机的法线方向为坐标系X轴，竖直方向为坐标系Z轴，并且由右手螺旋定则确定Y轴。该接收机阵元不断接收到来自周围四个弹丸阵元发生过来的数据通信，经GPS得到的地球坐标系的转换，可以得知空间中五个弹丸阵元的相对坐标分别为：O＝(0，0，0)，S₁＝(-1.21，2.36，5.52)，S₂＝(3.14，-2.32，5.70)，S₃＝(6.59，4.16，3.70)，S₄＝(2.57，-3.98，4.38)。同时得到四个弹丸阵元相对0点阵元接收到电磁波的相位差分别为：Δθ₁＝-1.14×2π，Δθ₂＝-1.29×2π，Δθ₃＝-2.86×2π，Δθ₄＝3.27×2π。根据Δ＝|Δθλ|可以求出四个弹丸阵元相对0点的距离差分别为：Δ₁＝2.1579，Δ₂＝2.4365，Δ₃＝5.3959，Δ₄＝6.0841。由以上参数，由发明内容中的计算方法可联立得方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1(x,y,z)=({x_1}^2-{{\mathrm{\&Delta;}}_1}^2)x^2+({y_1}^2-{{\mathrm{\&Delta;}}_1}^2)y^2+({z_1}^2-{{\mathrm{\&Delta;}}_1}^2)z^2+2x_1{y}_{1}xy+2x_1{z}_{1}xz+2y_1{z}_{1}yz=0\\ f_2(x,y,z)=({x_2}^2-{{\mathrm{\&Delta;}}_2}^2)x^2+({y_2}^2-{{\mathrm{\&Delta;}}_2}^2)y^2+({z_2}^2-{{\mathrm{\&Delta;}}_2}^2)z^2+2x_2{y}_{2}xy+2x_2{z}_{2}xz+2y_2{z}_{2}yz=0\\ f_3(x,y,z)=({x_3}^2-{{\mathrm{\&Delta;}}_3}^2)x^2+({y_3}^2-{{\mathrm{\&Delta;}}_3}^2)y^2+({z_3}^2-{{\mathrm{\&Delta;}}_3}^2)z^2+2x_3{y}_{3}xy+2x_3{z}_{3}xz+2y_3{z}_{3}yz=0\\ f_4(x,y,z)=({x_4}^2-{{\mathrm{\&Delta;}}_4}^2)x^2+({y_4}^2-{{\mathrm{\&Delta;}}_4}^2)y^2+({z_4}^2-{{\mathrm{\&Delta;}}_4}^2)z^2+2x_4{y}_{4}xy+2x_4{z}_{4}xz+2y_4{z}_{4}yz=0\end{array}\right.$

其中模拟目标信号源的坐标为P＝(x，y，z)，方程个数为四个，三个未知参数，转化为求解未知参数x，y，z的最小二乘最优解P₀(x₀，y₀，z₀)。本实施例中设置测向系统的精度为ε＝0.01，由本发明内容中提供的非线性方程组的最小二乘最优解法的迭代公式可以求解出满足精度条件最优解的数值形式为即为本实施例中目标信号源的坐标位置。

本发明的空间组网式探测系统，具有很好的空间灵活度，比较广泛的应用范围，可以用于除了无线电目标探测之外的其他探测领域。同时由于系统采用最小二乘优化方法，具有很高的精度。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.随机分布空间组网式目标探测方法，其特征在于：具体实现过程为：

步骤1，将若干个炮弹阵元随机分布在空间中，任意选取某炮弹阵元为当前坐标系原点O，地理上下为Z轴，炮弹运动方向为X，并根据右手定则确定Y轴；设在该坐标系中存在另外一炮弹阵元，其坐标为S_i(x_i，y_i，z_i)，被打击目标P点的坐标为P(x，y，z)：

过S_i做的垂线，交与Q点，则有：O，S_i点距离差为

将实际坐标带入上式，得到：

化简后得到：(x_i ²-Δ_i ²)x²+(y_i ²-Δ_i ²)y²+(z_i ²-Δ_i ²)z²+2x_iy_ixy+2x_iz_ixz+2y_iz_iyz＝0；

令f_i(x，y，z)＝(x_i ²-Δ_i ²)x²+(y_i ²-Δ_i ²)y²+(z_i ²-Δ_i ²)z²+2x_iy_ixy+2x_iz_ixz+2y_iz_iyz；

步骤2，当坐标原点O处的炮弹阵元接收到来自周围n个炮弹阵元的信号，则可以联立成立方程组：

$\left[\begin{array}{cc}{f}_1(x,y,z)& i=1\\ f_2(x,y,z)& i=2\\ ...& \\ f_i(x,y,z)& i\\ ...& \\ f_n(x,y,z)& i=n\end{array}\right]=0,(n\&GreaterEqual;3)$

对目标的探测过程，即对方程组求解，得出目标P(x，y，z)坐标的过程；

i)当上述方程组中n＝3时，方程的个数等于未知数的个数，方程组有唯一解；

ii)当上述方程组中n＞3时，方程个数大于未知数个数，该超定方程组无解；

以上两种情况都可用最小二乘的思想求解：存在目标理论值P(x，y，z)的一个近似解P₀(x₀，y₀，z₀)，满足该方程组的残差达最小值，即由此达到最佳拟合效果；

步骤3，由于非线性方程组的复杂程度，无法求出满足残差最小近似解的精确解析形式，因此，在给定目标探测精度ε的约束条件下，用数值迭代的方法，求出数值解使其满足由此求得作为目标P(x，y，z)的坐标值，可以较精确地得到目标位置。

2.根据权利要求1所述的随机分布空间组网式目标探测方法，其特征在于：所述方法还适用于利用目标点的方位角，俯仰角来进行探测，定义入射波的与Z轴的夹角为俯仰角入射波在XOY平面的投影与X轴的夹角为方位角θ，目标信号源与原点的径向距离为r；

将P点坐标用方位角θ，俯仰角作参数表示为：

同理有，

令

若该炮弹阵元接收到来自周围n个炮弹阵元的信号，则可以联立成为方程组：

用最小二乘的思想，求解该方程组近似解的数值形式。

3.随机分布空间组网式目标探测系统，其特征在于：具体包括多个相同的探测阵元，每个探测阵元独自为一单位，独立工作且相互进行数据通信，各个阵元单位间工作相互不影响；每个独立探测阵元单位包括目标无线电信号源相位接收模块、阵元单位坐标定位模块、数据信息发射模块、数据信息接收模块和数据处理计算模块；其中，目标无线电信号源相位接收模块、数据信息发射模块、数据信息接收模块和阵元单位坐标定位模块分别连接到数据处理计算模块；

所述的目标无线电信号源相位接收模块采用微带天线接收来自目标信号源的相位信息，经过低噪放，滤波，混频器混频处理，最后经I/Q分解，分解为相互正交的I路，Q路信号相位信息，放大后经A/D高速采样，完成模拟到数字信号的转换，并将数据传输到数据处理计算模块；

所述的阵元单位坐标定位模块定位当前探测阵元在整个系统中的坐标信息；在本系统中，定位采用GPS定位模块，在探测阵元内部安装GPS接收芯片，接收到来GPS卫星的通讯信号，确定探测阵元单位的GPS地球坐标，并将GPS数据信息传输到数据处理计算模块中供使用；

所述的数据信息发射模块将由数据处理计算模块传输的当前探测阵元接收到的相位信息和获得的坐标信息一起编码后，经放大器进行信号放大，以广播的形式发射到空间中，供其他探测阵元接收；

所述的数据信息接收模块不断接收来自系统其它阵元所发射编码信息，通过自身解码器进行解码，获得其中的阵元坐标和接收到的目标相位信息后传输给数据处理计算模块；

所述的数据处理计算模块根据接收到的来自其它阵元的信息数据，以及当前阵元自身测量的坐标和相位信息，在满足一定接收时间和可求解的最小阵元个数的计算条件下，系统开始计算；根据特定探测方法求解出目标信号的相对坐标，并以控制信号的形式输出到系统外部的控制端以控制弹丸飞行轨迹。

4.根据权利要求3所述的随机分布空间组网式目标探测系统，其特征在于：数据信息的发送并不是向另外某一特定的阵元单位，而具有普遍性；同时，接收数据信息的阵元具有随机性、任意性，且接收到的阵元个数可以为多个。