CN106501768A - 一种单站动中定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单站动中定位方法。利用运动中的单站在多个不同位置处采集的阵列接收信号确定信号源的位置特征，通过直接在位置网格中搜索与单站阵列接收信号的位置特征匹配的位置进行定位。首先初始化，确定各种初始化参数，然后开始测量过程，确定单站当前位置的坐标以及该位置指向位置网格点的向量、多次快拍的单站阵列接收信号及其自相关矩阵，对自相关矩阵进行特征值分解，确定该位置对应的噪声子空间矩阵。其次单站运动到新的位置，重复测量过程。最后利用单站在多个不同位置确定的指向位置网格点的向量和单站阵列接收信号的位置特征，确定匹配度序列，并确定信号源位置为匹配度序列的最大峰值对应的位置网格点的坐标。本发明定位精度高，误差小。

Description

一种单站动中定位方法

一、技术领域

本发明属于电子信息技术领域中利用运动的单个观测站(简称单站)的天线阵列接收的信号同时对多个同频段的静止信号源进行被动定位的方法，特别是直接在位置网格中搜索与单站天线阵列接收信号的位置特征匹配的位置进行定位的方法。

二、背景技术

在电子信息技术领域，利用单站的天线阵列接收到的信号(简称阵列接收信号)测定信号源的来波方向的技术广泛应用于电子侦察、雷达、通信、声纳、地震、射电天文等诸多领域，有着重要的应用价值。

现有的单站测向定位方法一般要求单站是运动的，先在运动过程中的不同位置上测定静止信号源的来波方向，每个测定的来波方向对应信号源所在的一条直线，再利用直线交叉确定信号源的位置估计；而现有的多站测向定位方法通常是先利用处于不同位置的多个观测站同时测定信号源的来波方向，再利用直线交叉确定信号源的位置估计。多站测向定位方法需要多站之间时间同步和测向数据传输，限制了定位系统的灵活性，而且当需要同时测定多个信号源的位置时，还将遇到由多站之间的来波方向配对引起的组合问题。此外，现有的单站测向定位方法和多站测向定位方法在接收信号较弱或噪声较大的情况下，由于测定信号源的来波方向存在较大的误差，导致直线交叉定位确定信号源的位置估计中也存在较大的误差。

三、发明内容

本发明针对现有的单站测向定位和多站测向定位方法存在的上述缺点，利用运动中的单站在多个不同位置处采集的阵列接收信号确定信号源的位置特征，通过直接在位置网格中搜索与单站阵列接收信号的位置特征匹配的位置进行定位，简称单站动中定位方法。

本发明的解决方案是：首先初始化，即：确定单站的初始位置坐标，单站在运动过程中重复测量的次数，每次测量获得的单站阵列接收信号的快拍次数，单站上天线阵列所有阵元的位置坐标，所有位置网格点的坐标，信号源的个数(假设有K个)，信号源辐射的信号频率；然后开始测量过程，即：确定单站当前位置的坐标以及该位置指向位置网格点的向量、多次快拍的单站阵列接收信号及其自相关矩阵，并对自相关矩阵进行特征值分解，确定该位置对应的噪声子空间矩阵；其次单站运动到新的位置，重复测量过程，即：确定单站当前位置的坐标以及该位置指向位置网格点的向量、多次快拍的单站阵列接收信号及其自相关矩阵，并对自相关矩阵进行特征值分解，确定该位置对应的噪声子空间矩阵；接着利用单站在多个不同位置确定的噪声子空间矩阵确定阵列接收信号的位置特征；最后利用单站在多个不同位置确定的指向位置网格点的向量和单站阵列接收信号的位置特征，确定匹配度序列，并确定信号源位置为匹配度序列的前K个最大的峰值对应的位置网格点的坐标。

本发明方法包括的步骤是：

步骤1：初始化，即：确定单站的初始位置坐标，单站在运动过程中重复测量的次数，每次测量获得的单站阵列接收信号的快拍次数，单站上天线阵列所有阵元的位置坐标，所有位置网格点的坐标，信号源个数以及信号源辐射的信号频率；

步骤2：开始测量过程，即：确定单站当前位置的坐标以及该位置指向位置网格点的向量、多次快拍的单站阵列接收信号及其自相关矩阵，并对自相关矩阵进行特征值分解，确定该位置对应的噪声子空间矩阵；

步骤3：单站运动到新的位置，重复测量过程，即：确定单站当前位置的坐标以及该位置指向位置网格点的向量、多次快拍的单站阵列接收信号及其自相关矩阵，并对自相关矩阵进行特征值分解，确定该位置对应的噪声子空间矩阵；

步骤4：利用单站在多个不同位置确定的噪声子空间矩阵确定阵列接收信号的位置特征；

步骤5：利用单站在多个不同位置确定的指向位置网格点的向量和单站阵列接收信号的位置特征，确定匹配度序列，并确定信号源位置为匹配度序列的前K个最大的峰值对应的位置网格点的坐标。

步骤1所述初始化，即：确定单站的初始位置坐标，为(x₀,y₀,z₀)；确定单站上天线阵列所有阵元的初始位置坐标，分别为(a_m,b_m,c_m)，m＝1,2,...,M，M是阵元个数；确定单站在运动过程中重复测量过程的次数，为P；确定每次测量获得的单站阵列接收信号的快拍次数为L，确定所有位置网格点的坐标，分别为(α_n,β_n,γ_n)，n＝1,2,...,N，N是位置网格点的个数；确定信号源个数为K；确定信号源辐射的信号频率为f；

步骤2所述开始测量过程，即：确定单站当前位置的坐标，为(x₁,y₁,z₁)，确定该位置指向位置网格点的向量，为

其中，c是光速，f是信号源辐射的信号频率，m＝1,2,...,M，n＝1,2,...,N；确定多次快拍的单站阵列接收信号，为x₁(t)，t＝1,2,…,L，L是单站阵列接收信号的快拍个数；确定其自相关矩阵，为

其中，H表示共轭转置；对自相关矩阵，即R₁，进行特征值分解，为

其中，Λ_s1＝diag(λ₁₁,λ₁₂,…,λ_1K)是以λ₁₁,λ₁₂,…,λ_1K为对角元素的对角矩阵，为自相关矩阵R₁的前K个大特征值，U₁为前K个大特征值对应的特征向量u₁₁,u₁₂,…,u_1K构成的信号子空间矩阵，Λ_v1＝diag(λ_1K+1,λ_1K+2,…,λ_1M)是以其余较小的M-K个特征值为对角元素的对角矩阵，V₁为由其余较小的M-K个特征值对应的特征向量u_1K+1,u_1K+2,…,u_1M构成的噪声子空间矩阵；确定该位置对应的噪声子空间矩阵，为V₁＝[u_1K+1,u_1K+2,…,u_1M]；

步骤3所述单站运动到新的位置，重复测量过程，即：确定单站当前位置的坐标，为(x_p,y_p,z_p)，p＝2,3,...,P，P为重复测量过程的次数；以及该位置指向位置网格点的向量，为

其中，c是光速，f是信号源辐射的信号频率，m＝1,2,...,M，n＝1,2,...,N；确定多次快拍的单站阵列接收信号，为x_p(t)，t＝1,2,…,L，L是单站阵列接收信号的快拍个数，确定其自相关矩阵，为

其中，H表示共轭转置；对自相关矩阵，即R_p，进行特征值分解，为

其中，Λ_sp＝diag(λ_p1,λ_p2,…,λ_pK)是以λ_p1,λ_p2,…,λ_pK为对角元素的对角矩阵，λ_p1,λ_p2,…,λ_pK为自相关矩阵R_p的前K个大特征值，U_p为前K个大特征值对应的特征向量u_p1,u_p2,…,u_pK构成的信号子空间矩阵，Λ_vp＝diag(λ_pK+1,λ_pK+2,…,λ_pM)是以其余较小的M-K个特征值为对角元素的对角矩阵，V_p为由其余较小的M-K个特征值对应的特征向量u_pK+1,u_pK+2,…,u_pM构成的噪声子空间矩阵；确定该位置对应的噪声子空间矩阵，为

V_p＝[u_pK+1,u_pK+2,…,u_pM]；

步骤4所述利用单站在多个不同位置确定的噪声子空间矩阵确定阵列接收信号的位置特征，为V＝[V₁,V₂,…,V_P]；

步骤5所述利用单站在多个不同位置确定的指向位置网格点的向量和单站阵列接收信号的位置特征，确定匹配度序列，为

其中，n＝1,2,…,N；确定信号源位置为匹配度序列的前K个最大的峰值对应的位置网格点的坐标。

本发明的积极效果是：

利用运动中的单站在多个不同位置处采集的阵列接收信号确定信号源的位置特征，直接在位置网格中搜索与单站阵列接收信号的位置特征匹配的位置进行定位。本发明能够突破现有的单站测向定位方法和多站测向定位方法时在接收信号较弱或噪声较大的情况下，由于测定信号源的来波方向存在较大误差，导致直线交叉定位确定信号源的位置估计中也存在较大的误差的问题。定位精确性有很大提高。

四、具体实施方式

本实施方式以单站上5个阵元组成天线阵列(即M＝5)为例，设定信号源个数为3，它们位置的坐标分别固定为(16321.98,2012.34,1067.34)，(15321.98,2612.34,1067.34)，(17321.98,3212.34,1067.34)，坐标的单位均为米(下同)。信号源辐射的信号频率均为700MHz，天线阵列的每个阵元接收信号的信噪比均为9dB，噪声是零均值的高斯白噪声。

本发明的具体实施方式的流程如下：

步骤1：初始化：设定单站的初始位置坐标为(0,0,0)，单站上天线阵列的5个阵元初始位置坐标分别为：(0,0,0)，(‐0.57,0.48,0)，(0.23,0.37,0)，(0.23,‐0.380)，(‐0.57,‐0.45,0)；设定单站在运动过程中重复测量的次数P为6，每次测量获得的单站阵列接收信号的快拍次数L为128，信号源个数K为3，信号源辐射的信号频率f为700MHz；

本实施方式中所有位置网格点坐标为(α_n,β_n,γ_n)，n＝1,2,...,N，α_n的取值范围为14000m～18000m，等间隔取81个值；β_n的取值范围为600m～4600m，等间隔取81个值；γ_n的取值范围为1040m～1080m，等间隔取5个值；所以一共确定81×81×5＝32805个位置网格点的位置坐标，N＝32805；

步骤2：开始测量过程：确定单站当前位置的坐标为(7200.00,0.00,0.00)以及该位置指向位置网格点的向量，这些向量的前2个和最后2个分别为

确定128次快拍的单站阵列接收信号，前3个快拍和最后1个快拍分别为

确定其自相关矩阵R₁，其前三列为

后两列为

并对自相关矩阵进行特征值分解，确定该位置对应的噪声子空间矩阵为

步骤3：单站运动到新的位置，重复测量过程：即当单站运动到下一个新的位置，其坐标为(x_p,y_p,z_p)，p＝2,3,...,P，则按照步骤2所述的测量过程，得到当前单站位置对应的噪声子空间矩阵V_p，p＝2,3,...,P，其中，V₂为

V₃为

V₆为

步骤4：将步骤3中单站在多个不同位置确定的噪声子空间矩阵构成阵列接收信号的位置特征，即V＝[V₁,V₂,…,V_P]；

步骤5：利用单站在多个不同位置确定的指向位置网格点的向量和由步骤4得到的单站阵列接收信号的位置特征V确定匹配度序列，确定信号源位置为匹配度序列的前3个最大的峰值对应的位置网格点的坐标，分别为(16300,2000,1070)，(15300,2550,1070)和(17300,3200,1070)。

定义移动节点的定位误差为移动节点的定位位置坐标与移动节点的实际位置坐标之间的距离。在本实施例中，3个信号源的定位误差分别为25.35，66.16和25.36(单位都是：米)，验证了本发明方法对信号源定位的有效性。

Claims (2)

1.一种单站动中定位方法，其特征在于：利用运动中的单站在多个不同位置处采集的阵列接收信号确定信号源的位置特征，通过直接在位置网格中搜索与单站阵列接收信号的位置特征匹配的位置进行定位；

首先初始化，即：确定单站的初始位置坐标，单站在运动过程中重复测量的次数，每次测量获得的单站阵列接收信号的快拍次数，单站上天线阵列所有阵元的位置坐标，所有位置网格点的坐标，信号源的个数，假设有K个，信号源辐射的信号频率；然后开始测量过程，即：确定单站当前位置的坐标以及该位置指向位置网格点的向量、多次快拍的单站阵列接收信号及其自相关矩阵，并对自相关矩阵进行特征值分解，确定该位置对应的噪声子空间矩阵；其次单站运动到新的位置，重复测量过程，即：确定单站当前位置的坐标以及该位置指向位置网格点的向量、多次快拍的单站阵列接收信号及其自相关矩阵，并对自相关矩阵进行特征值分解，确定该位置对应的噪声子空间矩阵；接着利用单站在多个不同位置确定的噪声子空间矩阵确定阵列接收信号的位置特征；最后利用单站在多个不同位置确定的指向位置网格点的向量和单站阵列接收信号的位置特征，确定匹配度序列，并确定信号源位置为匹配度序列的前K个最大的峰值对应的位置网格点的坐标；

包括如下步骤：

步骤1：初始化，即：确定单站的初始位置坐标，单站在运动过程中重复测量的次数，每次测量获得的单站阵列接收信号的快拍次数，单站上天线阵列所有阵元的位置坐标，所有位置网格点的坐标，信号源个数以及信号源辐射的信号频率；

步骤2：开始测量过程，即：确定单站当前位置的坐标以及该位置指向位置网格点的向量、多次快拍的单站阵列接收信号及其自相关矩阵，并对自相关矩阵进行特征值分解，确定该位置对应的噪声子空间矩阵；

步骤3：单站运动到新的位置，重复测量过程，即：确定单站当前位置的坐标以及该位置指向位置网格点的向量、多次快拍的单站阵列接收信号及其自相关矩阵，并对自相关矩阵进行特征值分解，确定该位置对应的噪声子空间矩阵；

步骤4：利用单站在多个不同位置确定的噪声子空间矩阵确定阵列接收信号的位置特征；

步骤5：利用单站在多个不同位置确定的指向位置网格点的向量和单站阵列接收信号的位置特征，确定匹配度序列，并确定信号源位置为匹配度序列的前K个最大的峰值对应的位置网格点的坐标。

2.如权利要求1所述的单站动中定位方法，其特征在于：

所述步骤1初始化，即：确定单站的初始位置坐标，为(x₀,y₀,z₀)；确定单站上天线阵列所有阵元的初始位置坐标，分别为(a_m,b_m,c_m)，m＝1,2,...,M，M是阵元个数；确定单站在运动过程中重复测量过程的次数，为P；确定每次测量获得的单站阵列接收信号的快拍次数为L，确定所有位置网格点的坐标，分别为(α_n,β_n,γ_n)，n＝1,2,...,N，N是位置网格点的个数；确定信号源个数为K；确定信号源辐射的信号频率为f；

所述步骤2开始测量过程，即：确定单站当前位置的坐标，为(x₁,y₁,z₁)，确定该位置指向位置网格点的向量，为

$a_1({\mathrm{\α}}_n,{\mathrm{\β}}_n,{\mathrm{\γ}}_n)=\[e^{-j2{\mathrm{\πf\τ}}_{11}({\mathrm{\α}}_n,{\mathrm{\β}}_n,{\mathrm{\γ}}_n)},e^{-j2{\mathrm{\πf\τ}}_{12}({\mathrm{\α}}_n,{\mathrm{\β}}_n,{\mathrm{\γ}}_n)},...,e^{-j2{\mathrm{\πf\τ}}_{1M}({\mathrm{\α}}_n,{\mathrm{\β}}_n,{\mathrm{\γ}}_n)}\]$

其中，c是光速，f是信号源辐射的信号频率，m＝1,2,...,M，n＝1,2,...,N；确定多次快拍的单站阵列接收信号，为x₁(t)，t＝1,2,…,L，L是单站阵列接收信号的快拍个数；确定其自相关矩阵，为

$R_1=\frac{1}{L}\underset{t=1}{\overset{L}{\Σ}}{x}_1\left(t\right)x_1^H\left(t\right)$

其中，H表示共轭转置；对自相关矩阵，即R₁，进行特征值分解，为

$R_1=U_1{\mathrm{\Λ}}_{s1}{U}_1^H+V_1{\mathrm{\Λ}}_{v1}{V}_1^H$

其中，Λ_s1＝diag(λ₁₁,λ₁₂,…,λ_1K)是以λ₁₁,λ₁₂,…,λ_1K为对角元素的对角矩阵，为自相关矩阵R₁的前K个大特征值，U₁为前K个大特征值对应的特征向量u₁₁,u₁₂,…,u_1K构成的信号子空间矩阵，Λ_v1＝diag(λ_1K+1,λ_1K+2,…,λ_1M)是以其余较小的M-K个特征值为对角元素的对角矩阵，V₁为由其余较小的M-K个特征值对应的特征向量u_1K+1,u_1K+2,…,u_1M构成的噪声子空间矩阵；确定该位置对应的噪声子空间矩阵，为V₁＝[u_1K+1,u_1K+2,…,u_1M]；

所述步骤3单站运动到新的位置，重复测量过程，即：确定单站当前位置的坐标，为(x_p,y_p,z_p)，p＝2,3,...,P，P为重复测量过程的次数；以及该位置指向位置网格点的向量，为

$a_p({\mathrm{\α}}_n,{\mathrm{\β}}_n,{\mathrm{\γ}}_n)=\[e^{-j2{\mathrm{\πf\τ}}_{p1}({\mathrm{\α}}_n,{\mathrm{\β}}_n,{\mathrm{\γ}}_n)},e^{-j2{\mathrm{\πf\τ}}_{p2}({\mathrm{\α}}_n,{\mathrm{\β}}_n,{\mathrm{\γ}}_n)},...,e^{-j2{\mathrm{\πf\τ}}_{pM}({\mathrm{\α}}_n,{\mathrm{\β}}_n,{\mathrm{\γ}}_n)}\]$

其中，c是光速，f是信号源辐射的信号频率，m＝1,2,...,M，n＝1,2,...,N；确定多次快拍的单站阵列接收信号，为x_p(t)，t＝1,2,…,L，L是单站阵列接收信号的快拍个数，确定其自相关矩阵，为

$R_p=\frac{1}{L}\underset{t=1}{\overset{L}{\Σ}}{x}_p\left(t\right)x_p^H\left(t\right)$

其中，H表示共轭转置；对自相关矩阵，即R_p，进行特征值分解，为

$R_p=U_p{\mathrm{\Λ}}_{sp}{U}_p^H+V_p{\mathrm{\Λ}}_{vp}{V}_p^H$

其中，Λ_sp＝diag(λ_p1,λ_p2,…,λ_pK)是以λ_p1,λ_p2,…,λ_pK为对角元素的对角矩阵，λ_p1,λ_p2,…,λ_pK为自相关矩阵R_p的前K个大特征值，U_p为前K个大特征值对应的特征向量u_p1,u_p2,…,u_pK构成的信号子空间矩阵，Λ_vp＝diag(λ_pK+1,λ_pK+2,…,λ_pM)是以其余较小的M-K个特征值为对角元素的对角矩阵，V_p为由其余较小的M-K个特征值对应的特征向量u_pK+1,u_pK+2,…,u_pM构成的噪声子空间矩阵；确定该位置对应的噪声子空间矩阵，为

V_p＝[u_pK+1,u_pK+2,…,u_pM]；

所述步骤4利用单站在多个不同位置确定的噪声子空间矩阵确定阵列接收信号的位置特征，为V＝[V₁,V₂,…,V_P]；

所述步骤5利用单站在多个不同位置确定的指向位置网格点的向量和单站阵列接收信号的位置特征，确定匹配度序列，为

$g({\mathrm{\α}}_n,{\mathrm{\β}}_n,{\mathrm{\γ}}_n)=\frac{1}{\underset{p=1}{\overset{p+1}{\Σ}}\left|\right|a_p^H({\mathrm{\α}}_n,{\mathrm{\β}}_n,{\mathrm{\γ}}_n)V_n|{|}^2}$

其中，n＝1,2,…,N；确定信号源位置为匹配度序列的前K个最大的峰值对应的位置网格点的坐标。