CN107576936A

CN107576936A - 一种去除宽带噪声干扰信号交叉定位虚假点的方法

Info

Publication number: CN107576936A
Application number: CN201710608122.2A
Authority: CN
Inventors: 陈涛; 王梦馨; 黄湘松; 郭立民
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2018-01-12
Anticipated expiration: 2037-07-24
Also published as: CN107576936B

Abstract

本发明公开了一种去除宽带噪声干扰信号交叉定位虚假点的方法，属于电子侦察领域。本发明利用宽带噪声信号本身的自相关性质，对测向交叉定位产生的虚假点进行排除，利用两个观测站解决三维定位问题。本发明包括：利用高精度测向设备对辐射源进行测向得到的方位、俯仰角信息进行目标位置估计；利用估计点与观测站之间的位置关系计算出估计点可能发射的信号到达两个观测站的时差；将两观测站接收到的信号整体进行采样，在不对混合信号进行分离的前提下进行互相关运算，得到真实目标到达两观测站的时差信息；以时差测量误差为门限值，将时差信息进行逐一对比，筛选出真实目标，得到坐标位置。本发明充分利用信号特性，简化了信号处理过程。

Description

一种去除宽带噪声干扰信号交叉定位虚假点的方法

技术领域

本发明涉及到一种去除宽带噪声干扰信号交叉定位虚假点的方法，属于电子侦察领域。

背景技术

无源定位系统使用电子侦察接收机，设备本身不发射电磁信号，只接收目标发射的信号，并以该信号信息作为全部处理数据、产生定位结果的依据。无源定位系统抗干扰能力更强，系统的作用距离更远。

在多种无源定位方法中，测向交叉定位法原理简单、易于实现、定位速度快。目前的高分辨阵列测向技术可以快速、高精度的获取多个目标的角度信息。在实际场景中，方位角信息变化速度较慢、测量精度较高，具有良好的稳定性，因此，测向交叉定位法应用十分广泛。但这种方法有一个明显缺点，即在多个目标、多个观测站时，测向交叉定位法存在严重的虚假交点问题。随着观测站与目标个数的增多，虚假点个数呈指数增长。

如今信号环境日益复杂，宽带噪声干扰信号由于随机性很强、本身截获概率较低、信号特性不明显等特征得到越来越广泛的应用，由于宽带噪声干扰信号是一种连续信号，观测站无法分辨信号到达的时间，针对这种问题，传统利用时差排除虚假点的方法并不适用，因此对解决这种信号虚假点问题的需求越来越高。

在双站定位系统中，对于空间中存在N个辐射源时，每个观测站会产生N条定位线，2N条定位线共产生N²个交点，其中有N个正确定位，其余N(N-1)个交点均为虚假定位点。对于虚假点的剔除，陈红(空军工程大学学报第12卷第1期，2011年2月，基于冗余信息的虚假点消除算法)提出一种利用方位角或时差冗余信息进行数据关联，需要三个以上的观测站，比较本专利采用的双站定位系统，该方法站间通信更复杂，并且文中对时差冗余信息的利用过程比较复杂，计算量较大。张旻(电子学报第10期，2012年10月，一种基于RSS估计的虚假点消除方法)提出一种基于接收信号强度的测向交叉定位方法，运用电磁波传播相关理论，根据接收信号强度和传播路径衰减参数的关系判定各个估计点的置信度，从而排除虚假点，但是在复杂的信道环境中，很难精确的估计多个来波信号的强度。

发明内容

本发明针对双站交叉定位的虚假点问题，提出一种利用宽带噪声干扰信号本身的相关性对虚假点进行排除，得到正确的目标辐射源位置的方法。本发明以宽带噪声调频信号为例进行可行性分析。由于宽带噪声调频信号的调制信号为一个随机噪声，故噪声调频信号随机性很强、本身截获概率较低、信号特性不明显。同一辐射源宽带噪声调频信号有自相关特性，不同辐射源发射的噪声调频信号不存在相关性。利用这一性质，可以将两个观测站接收到的混合信号采样后整体进行相关运算，得到冗余的时差信息用以排除虚假点，而不需要再对信号进行分离与配对。

本发明的目的是这样实现的：

一种去除宽带噪声干扰信号交叉定位虚假点的方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一利用两处观测站对辐射源进行测向得到的方位、俯仰角信息进行目标位置估计设观测站坐标为S₁(x₁,y₁,z₁)，S₂(x₂,y₂,z₂)(i＝1,2)，第n个目标的坐标为T_n(x_Tn,y_Tn,z_Tn)，其中n＝1,2,...,N，N为目标个数将两个观测站对第n个目标的定位线分别记为l_1n、l_2n定位线包含方位角信息α_1n、α_2n，俯仰角信息β_1n、β_2n，定义定位线与x轴正向的夹角为方位角，定义定位线与其在XOY平面上的投影的夹角为俯仰角根据第n个目标与两观测站的几何关系可以得到：

将所述两式整理可以得到：

令r_1n、r_2n分别为第n个目标在XOY面上的投影点到两观测站的距离:

根据几何关系可以得到：

求得目标的高度：在存在测向误差的情况下，两次求得的不同，因此将多次计算求得的目标高度加和求平均值，得到最终估计目标高度：

最终求得目标的估计位置

步骤二利用估计点与观测站之间的位置关系计算出估计点可能发射的信号到达两个观测站的时差宽带噪声调频信号的瞬时频率随着调制信号的幅度的变化而变化，与普通的调频信号不同的是，宽带噪声调频信号的调制信号是一个随机性很强的基带噪声n(t)，噪声调频信号的时域表达式为：

式中，A₀为噪声调频信号的幅度，f₀为载波频率，k_fm为调频指数，n(τ)为零均值高斯白噪声；对于不同观测站接收到的n个辐射源发出的混合信号，利用信号的相关性求解时差信息；假设辐射源个数为3个，因此观测站S₁、S₂收到的信号可以表示为：

其中，辐射源T₁、T₂、T₃发射的信号分别为u₁(t)、u₂(t)、u₃(t)τ₁、τ₂、τ₃为同一信号段到达两个观测站的时差n₁(t)、n₂(t)为不同信道中存在的相互独立的高斯白噪声；τ₁、τ₂、τ₃即为需要估计的到达时间差TDOA，为了求这三个时间差，首先对两个观测站分别采样得到两组信号x₁(t)、x₂(t)，对两路信号处理后做互相关运算，得到以下方程：

其中，R₁₂(τ)表示两观测站接收到的混合信号的互相关系数，表示两观测站接收到的辐射源1发射的信号的互相关系数，表示两信道中噪声的互相关系数，以此类推；由于不同信号源发射的信号不相关，信号与噪声不相关，噪声与噪声不相关，它们之间进行相关运算的结果为零，因此省略公式中为零的项，得到方程：

根据方程可以看出，该方程在τ₁、τ₂、τ₃处存在三个峰值，即可求得信号到达两个观测站的时间差τ₁、τ₂、τ₃。

步骤三利用估计点与观测站之间的位置关系计算出估计点可能发射的信号到达两个观测站的时差将两观测站接收到的信号整体进行采样，在不对混合信号进行分离的前提下进行互相关运算，得到真实目标到达两观测站的时差信息以时差测量误差为门限值，将时差信息进行逐一对比，筛选出真实目标，得到坐标位置；计算出候选点到达两观测站的距离D_1n、D_2n：

继而求出候选点到达两观测站的时间差：

其中c是电磁波传播速度；设时间差测量误差为门限值σ_t，对每个估计点的时差信息进行判决；若估计点的时差信息满足：

TDOA_n-τ₁≤σ_t∪TDOA_n-τ₂≤σ_t∪TDOA_n-τ₃≤σ_t＝1；

则该估计点为目标；若估计点的时差信息满足：

TDOA_n-τ₁≤σ_t∪TDOA_n-τ₂≤σ_t∪TDOA_n-τ₃≤σ_t＝0；

则该估计点为虚假点。

本发明适用的条件为：

(1)观测站上可以提供高精度测向设备，测向设备的精度可以满足用户对定位精度的需求，获取辐射源方位角与俯仰角信息的速度较快，可以满足用户对定位实时性的要求。

(2)多个宽带噪声调频信号彼此不存在相关性，信道中的随机噪声之间不存在相关性，辐射源发射的信号与随机噪声之间不存在相关性。

(3)各个目标到达观测站的时间差远大于时间差测量误差。

本发明的特点主要有以下两点：

(1)利用宽带噪声调频信号的相关性。本发明利用不同观测站接收到的同一辐射源的宽带噪声调频信号之间的相关特性求得时差信息。

(2)省略了信号分离的过程。利用宽带噪声调频信号的性质，对两观测站接收到的信号直接进行采样、相关运算，即可得到多个时间差信息，无需对信号与时间差信息进行配对，直接对时间差信息进行判决，排除不满足条件的估计点。

附图说明

图1为本发明虚假点排除流程图；

图2为本发明双站测向交叉定位原理图；

图3为本发明双站交叉定位目标点与虚假点示意图；

图4为本发明宽带噪声调频信号频谱图；

图5为本发明辐射源1到达两站时延示意图；

图6为本发明信号相关系数曲线图；

具体实施方式

本发明提出的利用宽带噪声调频信号的自相关性去除测向交叉定位产生的虚假点的方法，充分利用了观测站得到的信息与信号本身的性质，使用两个观测平台即可完成虚假点排除，减少了平台之间的通信量与计算量，降低了系统复杂度。测向交叉定位原理如图2所示。

下面结合附图对本发明做详细地描述。

图2给出了本发明的布站与定位原理图，测向交叉定位法是利用多个观测站上装备的高精度测向设备，测得目标相对于观测站的定位线，在不存在测向误差的理想情况下，多条定位线一定可以相交于一点，该点即为目标估计位置。

假设观测站坐标为S₁(x₁,y₁,z₁)，S₂(x₂,y₂,z₂)(i＝1,2)，第n个目标的坐标为T_n(x_Tn,y_Tn,z_Tn)，其中n＝1,2,...,N，N为目标个数。将两个观测站对第n个目标的定位线分别记为l_1n、l_2n定位线包含方位角信息α_1n、α_2n，俯仰角信息β_1n、β_2n，定义定位线与x轴正向的夹角为方位角，定义定位线与其在XOY平面上的投影的夹角为俯仰角。

根据第n个目标与两观测站的几何关系可以得到：

将以上两式整理可以得到：

令r_1n、r_2n分别为第n个目标在XOY面上的投影点到两观测站的距离：

根据几何关系可以得到：

理想情况下即可求得目标的高度：

在存在测向误差的情况下，两次求得的可能不同，此时比较常用的方法即为将多次计算求得的目标高度加和求平均值，得到最终估计目标高度：

其中N为测向站的个数。最终求得目标的估计位置但在实际情况下，由公式(2)(6)计算得到的估计点数应为N²个，其中包含虚假点。

本发明利用宽带噪声调频信号的自相关特性对虚假点进行排除，步骤如下：

首先，根据定位系统的观测范围，对得到的估计点进行粗排除，如图3所示，只保留观测范围内的估计点为候选点。再利用宽带噪声调频信号的相关特性对虚假点进行进一步排除。

宽带噪声调频信号的瞬时频率随着调制信号的幅度的变化而变化，与普通的调频信号不同的是，宽带噪声调频信号的调制信号是一个随机性很强的基带噪声n(t)，噪声调频信号的时域表达式为：

式中，A₀为噪声调频信号的幅度，f₀为载波频率，k_fm为调频指数，n(τ)为零均值高斯白噪声。

对于不同观测站接收到的n个辐射源发出的混合信号，利用信号的相关性求解时差信息。

假设辐射源个数为3个，图5示意了辐射源1的同一信号段到达两观测站时延情况。因此观测站S₁、S₂收到的信号可以表示为：

其中，辐射源T₁、T₂、T₃发射的信号分别为u₁(t)、u₂(t)、u₃(t)；τ₁、τ₂、τ₃为同一信号段到达两个观测站的时差；n₁(t)、n₂(t)为不同信道中存在的相互独立的高斯白噪声。

τ₁、τ₂、τ₃即为需要估计的到达时间差TDOA，为了求这三个时间差，首先对两个观测站分别采样得到两组信号x₁(t)、x₂(t)，对两路信号处理后做互相关运算，得到以下方程：

其中，R₁₂(τ)表示两观测站接收到的混合信号的互相关系数，表示两观测站接收到的辐射源1发射的信号的互相关系数，表示两信道中噪声的互相关系数，以此类推。

由于不同信号源发射的信号不相关，信号与噪声不相关，噪声与噪声不相关，它们之间进行相关运算的结果为零，因此省略公式(9)中为零的项，得到以下方程：

根据公式(10)可以看出，该方程在τ₁、τ₂、τ₃处存在三个峰值，即可求得信号到达两个观测站的时间差τ₁、τ₂、τ₃，相关函数图如图6所示。

计算出候选点到达两观测站的距离D_1n、D_2n：

继而求出候选点到达两观测站的时间差：

其中c是电磁波传播速度。

设时间差测量误差为门限值σ_t，对每个估计点的时差信息进行判决，以某估计点到达两观测站额时差TDOA_n为例：

TDOA_n-τ₁≤σ_t∪TDOA_n-τ₂≤σ_t∪TDOA_n-τ₃≤σ_t＝1该估计点为目标

TDOA_n-τ₁≤σ_t∪TDOA_n-τ₂≤σ_t∪TDOA_n-τ₃≤σ_t＝0该估计点为虚假点

下面给出典型的仿真结果，以验证本发明的可行性。仿真所用两个观测站坐标为S₁(20,0,0)km，S₂(-20,0,0)km，辐射源个数为4个、6个、8个，间距为1km、5km，时间差误差为20ns，分别在不同条件下进行1000次蒙特卡洛实验，统计正确定位的次数M，用以下公式计算虚假点排除概率：

实验得到虚假点排除概率如下表所示：

表1时间误差20ns虚假点排除概率

通过以上实验，可以验证本方法排除对宽带噪声干扰信号交叉定位虚假点的有效性。

Claims

1.一种去除宽带噪声干扰信号交叉定位虚假点的方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一利用两处观测站对辐射源进行测向得到的方位、俯仰角信息进行目标位置估计设观测站坐标为S₁(x₁,y₁,z₁)，S₂(x₂,y₂,z₂)(i＝1,2)，第n个目标的坐标为T_n(x_Tn,y_Tn,z_Tn)，其中n＝1,2,...,N，N为目标个数将两个观测站对第n个目标的定位线分别记为l_1n、l_2n，定位线包含方位角信息α_1n、α_2n，俯仰角信息β_1n、β_2n，定义定位线与x轴正向的夹角为方位角，定义定位线与其在XOY平面上的投影的夹角为俯仰角根据第n个目标与两观测站的几何关系可以得到：

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将所述两式整理可以得到：

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根据几何关系可以得到：

求得目标的高度：(i＝1,2)在存在测向误差的情况下，两次求得的不同，因此将多次计算求得的目标高度加和求平均值，得到最终估计目标高度：

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最终求得目标的估计位置

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根据方程可以看出，该方程在τ₁、τ₂、τ₃处存在三个峰值，即可求得信号到达两个观测站的时间差τ₁、τ₂、τ₃；

继而求出候选点到达两观测站的时间差：

TDOA_n-τ₁≤σ_t∪TDOA_n-τ₂≤σ_t∪TDOA_n-τ₃≤σ_t＝1；

则该估计点为目标；若估计点的时差信息满足：

TDOA_n-τ₁≤σ_t∪TDOA_n-τ₂≤σ_t∪TDOA_n-τ₃≤σ_t＝0；

则该估计点为虚假点。