CN105676171A - 单通道双基站超短波信号空间定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单通道双基站超短波信号空间定位方法，属于超短波无线电定位技术领域。本方法利用单通道的准多普勒天线阵和参考天线组成的双站定位系统，将仿真信号直接提取相位作为数据库，利用空间夹角把方位角、俯仰角二维信息转化为一维信息，采用相似性度量函数对数据库和实测相位进行匹配搜索，求取目标源所在方位角。本发明方法实现了对空中的超短波射频信号进行精确定位，提高了测向系统的实时性，降低了系统成本和复杂度，可节约大量人力及资金，具有重要的实际意义。

Description

单通道双基站超短波信号空间定位方法

技术领域

本发明属于超短波无线电定位技术领域，涉及到双基地超短波信号空间定位方法，具体涉及到一种基于单通道伪多普勒测向及TDOA(到达时间差)估计的双基站空间定位方法。

背景技术

无线电测向技术的发展是与电磁波及其应用的研究工作密切联系在一起的。每种电磁辐射，不论以何种形式出现，都带有方向信息。无线电测向按其测向原理的不同，可以分为振幅法、相位法、多普勒法、到达时间差法、空间谱估计法等。振幅法测向是根据测向天线阵列各阵元感应来波信号后输出信号的幅度大小，即利用天线各阵元的直接幅度响应或者比较幅度响应，测得来波到达方向的方法。相位法测向是根据测向天线阵列各阵元之间的相位差，测定来波到达方向的方法。如相位干涉仪测向、多普勒和准多普勒测向等。多普勒法测向是利用测向天线自身以一定的速度旋转引起的接收信号附加多普勒调制进行测向的方法。本质上属于相位法测向。时差法测向是根据测得的来波信号到达测向天线阵列中两个及以上不同位置的阵元的时间差来测定来波到达方向的方法。空间谱估计测向是将测向天线阵列接受的信号分解为信号与噪声两个子空间，利用来波方向构成的矢量与噪声子空间正交的特性测向。在现有测向方法中，幅度测向法由于系统复杂，误差较大，而多普勒测向法则受噪声和信号调制类型的影响较大，所以在实际应用中受到一定限制。空间谱估计测向法是近年来兴起的测向体制之一，是一种高精度测向体制，但是，计算的复杂度使得技术实现上也存在一定的困难，如相位一致的多通道接收机难以制作。因此，大多数宽带测向系统仍然是以干涉仪测向法为基础的，具有高精度、算法简单、高灵敏度等优点。

超短波信号由于频段宽，通信容量大；视距以外的不同网络电台可以用相同频率工作；可用方向性较强的天线，有利于抗干扰；通信较稳定等特点，广泛的应用于军事通信、地震灾害监控、洪水预警等领域。因此，对此类信号进行定位是无线电测向中一项重要任务。但针对具有较高中心频率的超短波信号，为避免天线互耦的影响，基线间距离增大，从而无法满足条件：λ/d＞1/2，d为基线间距离，λ为超短波信号波长，故对此类信号的测向很容易产生相位模糊的问题。目前解决相位模糊的方法主要有长短基线相结合法、曲线拟合法、数据库相关法等。长短基线相结合法是利用短距离的天线元得到粗略的距离，再利用长基线由于相位模糊得到的多个解，从中得到精确值。但此方法不适用于高频超短波信号，需要短基线也很难得到精确解，同时此种方法需要双通道或多通道接收系统，设备成本高，灵活性差。曲线拟合法利用周期中的连续两点作为基准，对信号每一点相位做整数倍周期的加减，从而拟合成正弦波形。但信号频率很高导致没有连续的两点，则无法实现曲线拟合。数据库相关法是通过比较入射信号的实测相位差信息与事先已存在的各方位、频率入射信号的相位差分布信息的相似性，从而得到入射信号的方位信息，但在无相位模糊或半模糊区域，会存在相同的相关系数，导致出现多解的问题。

发明内容

本发明针对现有对目标超短波信号进行空间定位存在的问题，提供了一种单通道双基站超短波信号空间定位方法。本发明充分考虑实际应用环境和应用场合，采用简单便携式的单通道测向系统，提出了伪多普勒测向技术和相关干涉仪相结合的测向方法，实现了单通道到阵列下的高分辨测向。同时，针对超短波在较高频段易引起相位模糊问题，本发明将仿真信号直接提取相位作为数据库，这里要求仿真信号与实测信号具有相同频率，即提取的相位具有相同的相位模糊，进而采用相似性度量函数对数据库和实测相位进行匹配搜索，求取目标源所在方位角，很好地解决了相位模糊问题；本发明进一步利用空间夹角把方位角、俯仰角二维信息转化为一维信息；采用单通道多普勒测向及TDOA估计的双站定位方法，实现了空间目标的精确定位，提高了测向系统的实时性，从实际应用角度来看，减少了系统的成本，降低了系统的复杂度，具有重要的实际应用价值。

本发明提供的基于单通道准多普勒天线阵和参考天线的单通道双基站超短波信号空间定位方法，包括如下步骤：

步骤一：将准多普勒天线阵和参考天线利用GPS进行同步；

步骤二：设置准多普勒天线阵单通道开关控制器的开关工作模式处在停留模式，准多普勒天线阵和参考天线同步接收超短波信号；所述的停留模式下，开关静态连通准多普勒天线阵中的某一根天线；

步骤三：针对高频率超短波信号，影响其TDOA估计结果的因素主要有窄带、分数时延等问题，对步骤二得到的两路具有时延信息的信号求取时延估计值，具体是：首先采用样条插值，求取分数时延，再利用希尔伯特差值与相关函数相结合的方法求取窄带信号时延估计值；

步骤四：设置准多普勒天线阵单通道开关控制器的开关工作模式处在连续切换模式，准多普勒天线阵和参考天线同步接收超短波信号；所述的连续切换模式下，开关以设定的角频率在准多普勒天线阵的天线中进行切换；

利用步骤二得到的两路同步信号对本步骤准多普勒天线阵接收的信号进行消除调制信息和初始相位处理，得到仅包含准多普勒相位的信号；

步骤五：对步骤四处理得到后形成的单脉冲准多普勒信号提取相位；

步骤六：利用理论的准多普勒天线阵建立包含空间夹角的仿真相位差数据库；

步骤七：将实测的相位差，在包含空间夹角的仿真相位差数据库中进行相似性度量，得到相似性最大的仿真相位差所对应的空间夹角，将空间夹角转换为所要估计的俯仰角和方向角；

步骤八：利用估计的时延和俯仰角、方向角对目标进行定位。定位时，将时延估计值与双站形成的双曲线作为目标方程，方位角与单通道阵列形成的直线作为约束方程，采用牛顿法优化算法得到目标源的坐标位置。

相对于现有技术，本发明的优点和积极效果在于：本发明即能够利用单通道的伪多普勒天线阵和参考天线，无需庞大的天线阵，同时解决了调制信息和初始相位的影响，又充分考虑超短波射频信号产生的相位模糊，建立同真实信号一样波长的单载波零中频仿真信号的相位数据库，利用相似度度量方法有效解决了实现超短波射频信号的空间定位。本发明是根据实际需求提出，特别适用于无条件架设庞大天线阵的地区，可节约大量人力及资金，采用简单便捷的单通道系统，实现对超短波信号的宽频段、全方位、高精度空间定位，具有重要的实际意义。

附图说明

图1为本发明提供的单通道双基地超短波信号空间定位系统总流程图；

图2为准多普勒天线阵列单通道开关控制器的示意图；

图3为准多普勒天线阵控制开关工作模式选择界面示意图；

图4为信号软件采集的界面示意图；

图5为本发明实施例中参考天线接收到的915MHz超短波MSK信号波形图；

图6为本发明实施例中准多普勒天线阵不切换开关时接收到的915MHz超短波MSK信号波形图；

图7为本发明实施例采用插值相关法所得的时延估计波形图；

图8为消除初相和调制信息流程图；

图9为空间夹角示意图；

图10为本发明实施例的实测信号相位波形图；

图11为本发明实施例对实测信号进行相似性度量得到的准多普勒相位波形仿真图；

图12为利用入射方向角和时延估计值联合定位的原理示意图；

图13为本发明实施例中实测的目标源定位结果图；

图14为本发明实施例中PSK超短波信号定位仿真图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案的实现。

本发明方法有机地创新性地提出将干涉仪测向法和准多普勒测向法的技术融合无线电测向系统，即通过比较入射信号的实测相位差信息与事先已存在的准多普勒信号的相位差分布信息的相似性，从而得到入射信号的方位信息。本发明方法能够对目标超短波信号进行空间定位，并突破性地提高定位精度和大幅降低定位成本。

本发明方法实现的核心是利用单通道的准多普勒天线阵和参考天线组成的双站定位系统，对空中的超短波射频信号进行精确、实时的定位。要完成这一核心目标，需要解决问题如下：

(1)超短波信号的方向角、俯仰角联合估计问题；

(2)单通道测向系统解决超短波信号引起的较严重的相位模糊；

(3)解决无相位模糊或半相位模糊区域引起的多解问题；

(4)二维搜索计算量较大的问题；

(5)各类调制信号和初始相位的影响导致无法准确提取多普勒频移与数据库进行匹配，影响定位；

(6)如何利用估计的时延值和二维角度信息进行目标源定位。

本发明提出的基于相关干涉仪和伪多普勒测向法的单通道双基站超短波信号空间定位方法，其中接收站一采用单通道准多普勒天线阵，其作用是用来测量目标源的二维角度信息，接收站二为参考天线，其作用主要有两点：一是作为基准天线，用来去除调制信息和初始相位，二是与接收站一联合进行TDOA估计，结合数据库和信号处理技术实现对超短波信号进行空间定位，降低了系统的复杂度，减少了系统的成本，具有重要的实际应用价值。

如图1所示，本发明提供的基于单通道准多普勒天线阵和参考天线的单通道双基站超短波信号空间定位方法，实现步骤如下：

步骤一：将准多普勒天线阵和参考天线利用GPS进行同步。

步骤二：设置准多普勒天线阵单通道开关控制器处在停留模式，准多普勒天线阵和参考天线同步接收两路信号。

步骤三：对步骤二得到的两路具有时延信息的信号相关求取时延。

步骤四：设置准多普勒天线阵单通道开关控制器处于连续切换模式，切换准多普勒天线阵单通道开关得到具有多普勒频移信息的超短波调制信号，并利用步骤二得到的两路同步信号对本步骤准多普勒天线阵的接收信号进行消除调制信息和初始相位处理，得到仅包含准多普勒相位的信号。

步骤五：对步骤四处理后得到的单脉冲准多普勒信号提取相位信息，并求取相位差。

步骤六：利用理论的准多普勒天线阵建立包含空间夹角的相位差数据库。

步骤七：将实测的相位差，在包含空间夹角的相位差数据库中进行相似性度量，得到相似性最大的相位差所对应的空间夹角，将空间夹角转换为所要估计的俯仰角和方向角。

步骤八：利用步骤三估计的时延，以及步骤七估计的俯仰角和方向角对目标进行定位。

步骤一中将准多普勒天线阵和参考天线利用GPS进行时间同步，以使得双基站能同时采集到同一频段的信号。

步骤二中，单通道开关控制器处在停留模式，同步接收两路信号。

本发明实施例中，准多普勒天线阵单通道开关控制器如图2所示，开关工作模式选择界面如图3所示，射频开关工作模式有两种：停留模式，此时开关静态连通准多普勒天线阵中的某一根天线；连续切换模式，此时开关以设定的角频率在准多普勒天线阵的天线中进行切换。在步骤二中选择射频开关工作模式为停留模式，此时，准多普勒天线阵与参考天线同步接收915MHz超短波MSK(最小频移键控)信号，软件采集界面如图4所示，参考天线和准多普勒天线阵接收到的波形分别如图5和图6所示。

步骤三求取两路信号的时延估计值和初始相位差，由于高频率超短波信号中心频率很高，相应需要较高的采样频率才能得到精确的时延估计值，但这在实际应用中是很难实现的，所以本发明采用插值相关法对时延估计进行求解。影响高频率超短波的TDOA估计结果的因素主要有窄带、分数时延等问题，本步骤对步骤二得到的两路具有时延信息的超短波信号，首先采用样条插值，求取分数时延，再利用希尔伯特差值与相关函数相结合的方法求取窄带信号时延估计值，所得到的结果如图7所示。同时，对参考天线接收信号取共轭与阵列天线接收信号相乘，求取初始相位差。

在步骤四中，如图2和图3所示，将准多普勒天线阵单通道开关控制器的射频开关工作模式改为连续切换模式，准多普勒天线阵与参考天线同步接收超短波信号，为了保证相位模糊仅是由于r/λ＞1/2引起的，利用步骤三中，停留模式下得到的初始相位差去除步骤四得到的准多普勒天线阵接收信号的初相和调制信息，最后得到仅包含准多普勒相位的信号。具体步骤如图8所示，首先对两路信号做归一化处理，然后将参考天线接收信号与步骤三中求得的初始相位差相乘，得到与阵列天线接收信号具有相同调制信息和初相的接收信号S1，最后对阵列天线接收信号取共轭得到信号S2，将其与S1相乘，从而得到单脉冲、零初相的准多普勒信号。

步骤五利用相关取相位的方法，求取阵元间的准多普勒相位：针对一实测信号，第n个阵元与第m(m≠n)个阵元之间的相位差φ_m,n为第n个阵元与第m(m≠n)个阵元之间各阵元接收到的信号求互相关运算后取其相位得到,即：

r_mn＝E[s_n(t)s_m(t)^*](1)

其中，s_n(t),s_m(t)分别表示第n个阵元和第m(m≠n)个阵元去除调制信息和初始相位后仅包含准多普勒相位的接收信号，s_m(t)^*表示对信号s_m(t)取共轭。对第n个阵元与第m个阵元之间的各阵元接收到的信号求互相关得到r_mn，对r_mn取相位即可得到φ_m,n。

其中，φ_m,n表示第m个阵元与第n个阵元之间的相位差，φ_n和φ_m分别表示第n个阵元和第m个阵元的相位，λ为超短波信号波长，r为准多普勒天线阵的半径，N为准多普勒天线阵阵元个数，θ为方向角，为俯仰角。m和n均为正整数。

步骤六中的包含空间夹角的仿真相位差数据库的建立方法，主要包括两个方面：一是利用空间夹角代替了方向角和俯仰角的二维搜索；二是与传统的直接利用相位差作为数据库不同，本发明通过建立仿真信号再提取相位进行差值运算作为数据库，很好地解决了相位模糊的问题。

具体地，考虑到相位模糊的影响，本发明并不是直接将仿真相位信息建立数据库与真实的相位信息进行相位匹配，而是建立各方向角的单脉冲准多普勒仿真信号，即

其中，x(n,θ)表示第n个阵元在方向角为θ下的单脉冲准多普勒仿真信号。

由于方向角包含在多普勒相位中，常规方法是利用相关得到的相位差作为样本。但由于相位模糊的影响，此种方法无法得到真实的DOA估计值。本发明提出利用仅包含多普勒相位的仿真信号直接提取相位，再利用相位差建立数据库。仅包含多普勒相位的仿真信号s(n)为：

采用本发明方法建立的相位差数据库和实际的相位差具有了相同的相位模糊，也就是说相同二维角度信息下的相位差波形是相似的，再利用相似性度量函数求取相似性最大处所对应的二维角度。

但是，由于参与相关运算的样本库包含了方位角、俯仰角二维信息，二维搜索运算量较大，本发明把空间夹角的概念应用到相关干涉仪测向系统，把标准相关干涉仪中方位角、俯仰角二维信息转化为一维信息，大大减小了样本库中数据，减少了相关运算的计算量，提高了测向系统的实时性。所谓空间夹角α如图9所示，是指入射信号方向与天线基线之间的夹角。从几何关系可以得出O、A两阵元间相位差φ_OA与空间夹角α的关系如下：

其中，d表示阵元间距离。

空间夹角的引入使得方位角和俯仰角二维信息变成一维，从而大大减小了相位差数据库中的数据，即数据库中存储阵元间的仿真相位差及空间夹角，如下：

${\mathrm{\φ}}_{m,n}^{\′}=-\frac{2\mathrm{\π}f}{c}{d}_{m,n}cos\mathrm{\α},m\≠n---\left(6\right)$

其中，φ'_m,n表示第m个阵元与第n个阵元之间的仿真相位差，d_m,n表示第m个阵元与第n个阵元间的距离，f表示信号源的中心频率，c表示信号的传播速度。

本发明利用仅包含多普勒相位的仿真信号直接提取相位，再求取相位差，根据公式(6)可获得对应的空间夹角，从而可建立包含空间夹角的仿真相位差数据库。

在得到空间夹角后，再由如公式(5)所示的入射方向与空间夹角的关系，进而求得入射方向

步骤七中，通过与数据库匹配得到空间夹角，以求取入射方向角。为了克服传统的相关系数作为相似度函数产生多解的问题，本发明采用欧氏距离作为相似性度量函数，表示如下：

$\underset{\mathrm{\α}}{\arg \min }\left(\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}\right)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}({\mathrm{\φ}}_{m,n}-{\mathrm{\φ}}_{m,n}^{\′})}---\left(7\right)$

其中，Δφ表示实测相位差与数据库中仿真相位差的差值，I为阵元间相位差的个数，α为空间夹角，φ'_m,n表示数据库仿真的相位差，φ_m,n为实测相位差。此函数很好地解决了多解的问题，从而得到更加精确的入射方向角。

图10是实测信号在入射方向为(170°,50°)的准多普勒相位波形图，图11是利用欧氏距离最小函数找到的角度为(172°,59°)的准多普勒相位波形仿真图，可以看出实测和仿真的相位波形较为相似，表明了采用此种相关干涉法和多普勒测向原理相结合的方法可以很好的解决高频段超短波信号相位模糊的问题。

步骤八中利用时延估计值和入射方向角联合定位，具体方法如图12所示，将时延估计值与双站形成的双曲线作为目标方程，方位角与单通道阵列形成的直线作为约束方程，采用牛顿法优化算法得到目标源的坐标位置。如图12所示，在已知接收站1准多普勒天线阵的坐标(x₁,y₁,z₁)，接收站2参考天线的坐标(x₂,y₂,z₂)的情况下，通过测得的入射方向角与目标源形成的直线以及双站时延估计得到的双曲线的交叉点进行联合定位。

利用估计的时延和俯仰角、方向角采用优化算法对目标(x,y,z)进行联合定位，具体求解过程如下：

首先利用俯仰角将三维坐标转为二维坐标，即

再利用惩罚函数SUMT外点法求解如下公式：

$\left\{\begin{array}{cc}\min & \sqrt{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2}-\sqrt{{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2}-D\\ s.t.& y-y_1=\tan \mathrm{\θ}*(x-x_1)\end{array}\right.---\left(9\right)$

公式(7)中，D＝τ×C为信号到达双站的距离差，这里τ表示时延估计值，C为光速，通过求解约束优化方程(9)得到目标坐标(x,y,z)。

图13为实测的目标源定位结果图，目标源为915MHz的超短波MSK信号，降到零中频后，利用312.5KHz的采样率对信号进行采样，开关转速5KHz。图14为PSK超短波信号定位仿真图。两图中，圆圈表示双站的位置，三角形表示目标源的实际位置，星形表示估计的目标源位置。从图13和图14中可以看出采用本发明方法，定位较为准确，具有重要的实际应用价值。

Claims (5)

1.一种单通道双基站超短波信号空间定位方法，其特征在于，采用两个接收站，接收站一采用单通道准多普勒天线阵，接收站二为参考天线，所述定位方法实现步骤如下：

步骤一：将准多普勒天线阵和参考天线利用GPS进行同步；

步骤二：设置准多普勒天线阵单通道开关控制器的开关工作模式处在停留模式，准多普勒天线阵和参考天线同步接收超短波信号；所述的停留模式下，开关静态连通准多普勒天线阵中的某一根天线；

步骤三：对步骤二得到的两路信号求取时延估计值；

步骤四：设置准多普勒天线阵单通道开关控制器的开关工作模式处在连续切换模式，准多普勒天线阵和参考天线同步接收超短波信号；所述的连续切换模式下，开关以设定的角频率在准多普勒天线阵的天线中进行切换；

利用步骤二得到的两路同步信号对本步骤准多普勒天线阵接收的信号消除调制信息和初始相位，得到仅包含准多普勒相位的信号；

步骤五：对步骤四得到的准多普勒信号提取相位，并求取相位差；

步骤六：利用理论的准多普勒天线阵建立包含空间夹角的仿真相位差数据库；

步骤七：将实测的相位差，在包含空间夹角的仿真相位差数据库中进行相似性度量，得到相似性最大的仿真相位差所对应的空间夹角，将空间夹角转换为所要估计的俯仰角和方向角；

步骤八：利用估计的时延和俯仰角、方向角对目标进行定位，具体是：将时延估计值与双站形成的双曲线作为目标方程，将方位角与单通道阵列形成的直线作为约束方程，采用牛顿法优化算法得到目标源的坐标位置。

2.根据权利要求1所述的一种单通道双基站超短波信号空间定位方法，其特征在于，所述的步骤二中，对两路信号，首先采用样条插值，求取分数时延，再利用希尔伯特差值与相关函数相结合的方法求取窄带信号的时延估计值。

3.根据权利要求1所述的一种单通道双基站超短波信号空间定位方法，其特征在于，所述的步骤六中，建立包含空间夹角的仿真相位差数据库的方法是：

(1)建立各方向角的单脉冲准多普勒仿真信号；

其中，x(n,θ)表示第n个阵元在方向角为θ下的单脉冲准多普勒仿真信号，λ为超短波信号波长，r为准多普勒天线阵的半径，N为准多普勒天线阵阵元个数，为俯仰角，θ为方向角；

(2)利用仅包含多普勒相位的仿真信号直接提取相位，再求取相位差；

s_n(t)表示第n个阵元t时刻的仅包含多普勒相位的仿真信号；

(3)引入空间夹角，空间夹角是指入射信号方向与天线基线之间的夹角；对于O、A两阵元间相位差φ_OA与空间夹角α的关系为：

其中，d表示阵元间距离；

(4)第m个阵元与第n个阵元之间的仿真相位差φ'_m,n与空间夹角α的关系为：

${\mathrm{\φ}}_{m,n}^{\′}=-\frac{2\mathrm{\π}f}{c}{d}_{m,n}cos\mathrm{\α},m\≠n$

其中，d_m,n表示第m个阵元与第n个阵元间的距离，f表示信号源的中心频率，c表示信号的传播速度；

(5)根据(2)中求取的相位差，根据(4)中关系得到对应的空间夹角，从而建立包含空间夹角的仿真相位差数据库。

4.根据权利要求1所述的一种单通道双基站超短波信号空间定位方法，其特征在于，所述的步骤七中，采用欧氏距离作为相似性度量函数，进行相似性度量；

所述的相似性度量函数表示为：其中，Δφ表示实测相位差与仿真相位差的差值，I为阵元间相位差的个数，α为空间夹角，φ'_m,n表示数据库仿真的相位差，φ_m,n为实测相位差。

5.根据权利要求1所述的一种单通道双基站超短波信号空间定位方法，其特征在于，所述的步骤八中，通过测得的入射方向角与目标源形成的直线，以及双站时延估计得到的双曲线的交叉点对目标进行联合定位，实现过程为：

首先，利用俯仰角将三维坐标转为二维坐标，如下：

其中，(x,y,z)为目标坐标；

然后，再利用惩罚函数SUMT外点法求解如下公式：

$\left\{\begin{array}{cc}\min & \sqrt{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2}-\sqrt{{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2}-D\\ s.t.& y-y_1=tan\mathrm{\θ}*(x-x_1)\end{array}\right.$

其中，θ为方向角，(x₁,y₁,z₁)为接收站一准多普勒天线阵的坐标，(x₂,y₂,z₂)为接收站二参考天线的坐标；D＝τ×C为信号到达双站的距离差，τ表示时延估计值，C为光速。