CN106950533A - 一种抑制干扰的自适应稳健波束成形联合定位方法 - Google Patents

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吴肖敏
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朱伟
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徐玲
余海
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Abstract

本发明提供了一种抑制干扰的自适应稳健波束成形联合定位方法，在干扰环境下首先通过卫星阵列天线接收估计干扰源和期望目标源的方向，基于此估计方向，通过稳健的自适应波束成型算法，抑制干扰源信号，增强被动辐射目标源信号。为了解决目前单独时差(TDOA)和频差(FDOA)定位精度不高以及存在盲区问题，引入无线通信中相干合并思想来合并和融合时差、频差以及方向等多种测量和估计信息，提高联合定位精度。本发明与传统单独时差与频差定位系统相比能充分利用多种测量信息，提高定位精度，避免定位盲区。

Description

一种抑制干扰的自适应稳健波束成形联合定位方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种抑制干扰的自适应稳健波束成形联合定位方法。
背景技术
时差定位的研究源于上世纪六十年代，并在许多方面取得了令人瞩目的成就，已成为无线定位技术中的主要方法。时差定位通常选取一个观测站作为主站，测量信号到达主站与其他副站的时间差。信号到主站与任意副站的时间差确定了一个双曲面，多个双曲面相交即可确定目标的位置。
频差定位是利用接收机与目标之间因相对运动而产生的多普勒频差数据来对目标进行定位的一项新技术。单独频差定位技术还不够成熟，其通常作为时差定位的补充，联合时差定位来提高定位精度。
基于卫星平台，未知的目标源到卫星i的单位向量可表示为
目标源到任意两卫星j和i的时差、频差分别表示为
式中c表示光速，ri表示卫星位置向量，vj和v分别是卫星j和目标源的运行速度。
定位参数TDOA、FDOA的测量精确程度，直接影响后续定位算法的性能以及目标位置的定位精度。因此在干扰环境下，如何实现更精确的定位参数估计来为后续的定位算法提供有效保障，显得尤为重要。基于此我们将波束成形思想引入定位算法，并设计稳健的波束成形来抑制干扰信号，增强目标信号，获得更精确的定位参数。
同时传统的单独TDOA、FDOA定位已经发展成熟，通信中的相干合并技术在多天线MIMO系统中获得了应用，将两者结合不存在技术困难。
联合定位相对于多平台定位系统而言，减少了平台数量，降低了实现系统的成本和难度，并且较单平台方式具有更高的实时性和更好的定位性能。在接收平台相同的情况下，联合定位可以很大程度地提高定位精度。
发明内容
本发明旨在提供一种抑制干扰的自适应稳健波束成形联合定位方法，在干扰环境下，通过波束成形抑制干扰信号，增强目标源信号，得到更精确的定位参数估计。联合TDOA、FDOA和方向信息进行定位，以提高定位精度，消除定位盲区，得到更精确的目标位置。
本发明提供一种抑制干扰的自适应稳健波束成形联合定位方法。包括：将波束成形思想引入到定位算法抑制干扰，利用定位性能良好的TDOA和FDOA单独定位算法，采用通信中相关合并概念，规划设计TDOA与FDOA联合定位算法，结合测向信息实现辐射目标源的定位。
进一步地，具体过程包括：S1.首先用卫星天线阵列采用MUSIC，Caption，ESPRIT估计信号到达角，得到被动辐射源和干扰源方向，由于此估计方向存在角度误差，通过稳健的MMSE，MVDR或自适应波束成形算法，抑制干扰源信号，增强目标源信号；S2.测量被动辐射源目标信号到达卫星之间TDOA、FDOA信息；S3.利用能达克拉美罗界的单独TDOA、FDOA定位算法，采用通信中相关合并概念，设计能达联合克罗美罗界的TDOA/FDOA联合定位算法。进一步利用测向信息，还可以有效消除定位模糊。
进一步地，所述到达角估计或称谱估计分辨率高，可以获得精度较高的方位角估计。
进一步地，所述稳健波束成形算法在干扰环境下，能增强目标源信号，抑制干扰源信号，实现更精确定位参数估计。
进一步地，联合定位算法定位精度高。
进一步地，相较于单独定位算法，联合定位可以有效避免定位盲区。
通过本发明提出的方法，使得在干扰环境下能获得更精确的定位参数，为后续定位算法提供有效保障，相较于单独的TDOA、FDOA定位算法，利用无线通信中的相干合并思想，融合TDOA、FDOA以及方向等信息的联合定位，较多平台定位系统减少了平台数量，降低了实现系统的成本和难度；较单平台定位系统具有更高的实时性和更好的定位性能。并且联合定位还能解决单独TDOA、FDOA卫星定位存在定位盲区的问题，测向信息不仅用于波束成形，还能有效消除单独TODA定位模糊。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1示出了一种抑制干扰的自适应稳健波束成形联合定位方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提供一种抑制干扰的自适应稳健波束成形联合定位方法。包括：将波束成形思想引入到定位算法抑制干扰，通过定位性能良好的TDOA和FDOA单独定位算法，利用通信中相关合并概念，规划设计TDOA与FDOA联合定位算法，结合测向信息实现辐射目标源的定位。具体过程包括：
S1.首先用卫星天线阵列采用MUSIC，Caption，ESPRIT估计信号到达角，得到被动辐射源和干扰方向，由于此估计方向存在角度误差，通过稳健的自适应波束成形算法，抑制干扰源信号，增强目标源信号；
所述稳健的自适应波束成形算法具体如下：由于方向角估计存在误差，为了避免期望方向的信号增益严重衰减，利用对角加载法，约束期望方向信号的幅值响应大于1，同时使输出信号的方差最小，稳健的波束成形表述为：
γ为对角加载因子，θ1,θ2分别为期望方向角度估计值的上界与下界。具体的求解步骤如下：
(1)给定θ1,θ2,Ry，γ的初始值，搜索步长α＞1，θ1＜ζi＜θ2,i＝1,2,…,n；
(2)Ry←Ry+γIN；
(3)S←(a(θ1) a(θ2))，V←(Ry)-1S，φ←-β+π，
(4)如果|a(ζi)wγ|≥1,对所有的i＝1,2,…,n均满足，则停止；否则γ←αγ，执行步骤(2).
S2.测量被动辐射源目标信号到达卫星之间的TDOA、FDOA信息；
S3.利用能达克拉美罗界的单独TDOA、FDOA定位算法，采用通信中相关合并概念，设计能达联合克拉美罗界的TDOA/FDOA联合定位算法。进一步利用测向信息，可以有效消除定位模糊。
所述能达克拉美罗界的TDOA/FDOA联合定位算法的具体步骤如下：
(1)利用能达克拉美罗界的单独TDOA定位算法，单独FDOA定位算法，获得目标位置的初始估计值ras；
(2)由(1)的初始估计值ras构造搜索空间Sas，并对搜索空间进行等分割网格化：搜索空间的每个维度划分为等间距的N等份；
(3)假定参与定位的卫星数目为M，定义TDOA、FDOA的误差函数为：
在搜索空间Sas中确定目标位置的估计值：
其中gt(ras),gf(ras)分别为TDOA与FDOA的克拉美罗界；
(4)设置类似于步骤(2)，构建更小的搜索空间：以更新的ras为中心，同时每个维度都减少为原来的一半，并且每个维度重新划分为等间距的N等份；
(5)重复步骤(3)-(4)，直到收敛。
作为优选方案，定位误差较小的单独TDOA、单独FDOA定位算法在确定目标位置的估计值(4)式中赋予更大的权值。当TDOA测量误差较大时，TDOA定位性能较差，此时设置gt(ras)-1＝0；当FDOA测量误差较大时，FDOA定位性能较差，此时设置gf(ras)-1＝0。

Claims (4)

1.一种抑制干扰的自适应稳健波束成形联合定位方法，其特征在于：在干扰环境下，将波束成形思想引入到定位算法抑制干扰，通过定位性能良好的TDOA和FDOA单独定位算法，利用通信中相关合并概念，规划设计TDOA/FDOA联合定位算法，结合测向信息实现辐射目标源的定位。联合TDOA、FDOA以及测向信息，不仅能提高定位精度，而且能有效避免定位盲区。具体过程包括：
S11.首先用卫星天线阵列采用MUSIC，Caption，ESPRIT估计信号到达角，得到被动辐射源和干扰源方向，由于此估计方向存在角度误差，通过稳健的MMSE，MVDR或自适应波束成形算法，抑制干扰源信号，增强目标源信号；
S12.测量被动辐射源目标信号到达卫星之间的TDOA、FDOA信息；
S13.利用能达克拉美罗界(CRLB)的单独TDOA、FDOA定位算法，采用通信中相关合并概念，设计能达联合克罗美罗界的TDOA/FDOA联合定位算法，提高定位精度。进一步利用测向信息，还可以有效消除定位模糊。
2.根据权利要求1所述的一种抑制干扰的自适应稳健波束成形联合定位方法，其特征在于：在干扰环境下，能增强目标源信号，抑制干扰源信号，实现更精确定位参数估计。
3.根据权利要求1所述的一种抑制干扰的自适应稳健波束成形联合定位方法，其特征在于：联合定位算法定位精度高。
4.根据权利要求1所述的一种抑制干扰的自适应稳健波束成形联合定位方法，其特征在于：相较于单独定位算法，联合定位可以有效避免定位盲区。
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