CN107907860A - 一种利用频控阵技术抗时差测量的定位欺骗方法 - Google Patents
一种利用频控阵技术抗时差测量的定位欺骗方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及定位欺骗技术。本发明公开了一种利用频控阵技术抗时差测量的定位欺骗方法，通过设置相控阵天线的各个阵元发射频率，使得各个阵元发射频率各不相同。步骤为：对接收的信号沿时间维进行离散短时傅里叶变换；进行恒虚警检测，记录超过恒虚警门限所对应的时刻点；对所有时刻点进行平均，得到信号到达侦察接收机的时间；以第一部侦察接收机为基准，得到其他接收机相对于第一部接收机的到达时间差；对到达时间差信息建立时差定位方程，采用牛顿迭代法进行求解，得到所述相控阵天线的三维坐标。本发明利用频控阵技术对相控阵天线阵元发射频率进行设定，使得辐射信号具有距离依赖性，侦察接收机无法获得目标的实际的TOA和TDOA，从而实现定位欺骗。
Description
技术领域
本发明涉及目标定位技术，特别涉及定位欺骗方法，具体涉及一种利用频控阵技术抗时差测量的定位欺骗方法。
背景技术
时差定位实际上是反罗兰系统的应用，罗兰导航系统根据已知位置的发射信号确定自身的位置。时差定位法可分为到达时间(TOA，Time of Arrival)定位和到达时间差(TDOA，Time Difference of Arrival)定位。其中，TDOA定位是利用目标发射信号到达不同接收站的时间差对目标进行定位的技术。在一台发射机(辐射源)四台接收机(侦察接收机)体制下，每两个接收机接收到目标信号的时间差可构成一个双曲面，三个双曲面相交于一点即为目标位置。
目前，目标辐射源大多采用传统单天线或相控阵天线发射信号。对于相控阵天线发射系统来说，每个阵元发射同一频率的信号，这些信号在空间形成的辐射方向图是随角度变化的。但波束指向在距离向是恒定的，也就是说波束指向与距离是无关的。当侦察系统侦察接收机接收到由相控阵天线辐射的信号时，采用基于TDOA的定位方法能够对目标辐射源进行准确定位。
与相控阵技术不同，频控阵技术是将发射系统阵列中各阵元辐射信号的载频依次叠加一个远小于载频的频偏，使得各个阵元发射频率各不相同。中国专利(公开号CN105044689A)公开了一种基于频控阵的射频隐身方法及设备，利用频控阵天线发射方向图的特点，通过降低阵元发射信号增益，产生多个低增益天线方向图，由于增益低，不容易被察觉，从而实现隐身。该技术虽然实现了一定的隐身效果，但是却牺牲了信号增益。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用频控阵技术抗时差测量的定位欺骗方法，在不降低信号增益的前提下，实现对基于TDOA测量的侦察系统的定位欺骗。
为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种利用频控阵技术抗时差测量的定位欺骗方法，其特征在于，设置相控阵天线的各个阵元发射频率，使得各个阵元发射频率各不相同，具体步骤如下：
a、侦察接收机对接收的所述相控阵天线辐射信号s(θ,r,t)沿时间维进行离散短时傅里叶变换；
b、对经步骤a处理后的信号进行恒虚警(英文缩写为：CFAR，即Constant FalseAlarm Ratio)检测，记录超过恒虚警门限Th所对应的时刻点；其中，Th由系统参数设定；
c、对经步骤b获得的所有时刻点进行平均，得到信号到达侦察接收机的时间TOAi；
d、以第一部侦察接收机为基准，得到第i部接收机相对于第一部接收机的到达时间差TDOAi1；
e、对经步骤d获得的到达时间差信息建立时差定位方程，采用牛顿迭代法进行求解，得到所述相控阵天线的三维坐标；
其中，i为整数，代表侦察接收机数量，i≥4。
进一步的，i＝4。
进一步的，步骤e中所述时差定位方程具有如下形式：
其中，c为光速；x,y,z为所述相控阵天线的位置坐标；xi,yi,zi为第i部侦察接收机的位置坐标，i取值分别为2，3，4；x1,y1,z1为第1部侦察接收机的位置坐标。
进一步的，所述相控阵天线具有M个阵元，相邻阵元发射频率之差为固定值△f，M为整数，M≥2。
进一步的，所述固定值△f远远小于所述相控阵天线工作载频f0。
进一步的，步骤a中所述接收信号s(θ,r,t)，具有如下表达式：
其中，θ为所述相控阵天线相对侦察接收机的波束指向角；r为所述相控阵天线到侦察接收机的距离；t为所述相控阵天线发射信号时间；d为阵元间隔；c为光速；θ、r、t、△f、f0、d、M由系统参数设定。
进一步的，步骤a中所述离散短时傅里叶变换，其表达式为：
其中，s(n)为接收信号的离散形式，w(i)为窗函数，N为窗长度，n为时刻点，k为离散频率点，STFTx(n,k)表示第n时刻、第k个离散频率点的时频幅值；w(i)、N由系统参数设定。
进一步的，步骤b中所述恒虚警检测方法采用有序统计量恒虚警检测(英文缩写为：OS-CFAR)。
本发明的有益效果是，利用频控阵技术对相控阵天线阵元发射频率进行设定，使得辐射信号具有距离依赖性的特点，侦察接收机接收到的信号到达时间具有多个测量值，无法获得实际的TOA和TDOA，采用基于TDOA的定位方法就不能对目标辐射源进行准确定位。因此，本发明能够对具备时差定位功能的侦察系统进行定位欺骗，在不降低信号增益的前提下，解决了使用相控阵天线的目标辐射源易被定位的问题，提高了相控阵发射系统的生存能力。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分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
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为相控阵发射系统阵元发射频率配置示意图；
图2为发射波束在t＝0时刻处的距离--方位角关系图；
图3为侦察接收机接收信号的时间序列波形；
图4为在一发四收体制下的TDOA定位几何示意图；
图5为基于TDOA方法的辐射源目标三维定位结果。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明将频控阵技术应用于相控阵天线，对相控阵天线阵元发射频率按照频控阵技术进行设定，使得相控阵天线辐射方向图随距离、角度和时间变化，辐射信号具有距离依赖性。从辐射信号特征来看，这样的相控阵天线已经具有频控阵天线的特点。当侦察接收机侦收到目标辐射源发射的信号时，接收到的信号表现为在不同时刻会出现多个信号峰值，侦察接收机无法有效获取信号的真实到达时间。这样，由多个侦察接收机组成的侦察系统也就不能准确获得两个接收机之间的信号到达时间差(TDOA)信息。当侦察系统采用基于TDOA的定位方法时，也就无法完成对目标辐射源的准确定位，即利用频控阵技术实现了抗时差测量的定位欺骗。
下面以一发四收体制下的TDOA定位过程为例，详细描述本发明的实施方法
实施例
如图1所示，在相控阵天线相邻阵元上对发射信号附加一个远小于相控阵雷达工作载频的频率增量△f，即第1个阵元的辐射频率为f0，第m个阵元的辐射信号频率fm为：
fm＝f0+m·△f,m＝0,1,2,......,M-1
其中，M为阵元个数，△f、f0、M由系统参数设定。这种发射信号即具有频控阵天线发射信号的特点。
侦察接收机接收到的信号s(θ,r,t)，具有如下形式：
其中，其中，θ为所述相控阵天线相对侦察接收机的波束指向角；r为所述相控阵天线到侦察接收机的距离；t为所述相控阵天线发射信号时间；d为阵元间隔；c为光速；θ、r、t、△f、f0、d、M由系统参数设定。
根据上述信号模型，使用Matlab(一种计算机算法语言)可以产生如图2所示本例相控阵天线发射波束在t＝0时刻的距离—方位关系图。可以看出：方向图呈现近似“S”型曲线，且随距离和角度变化，这说明信号具有距离依赖性的特点。
仿真的具体参数如下：
系统参数设置：短时傅里叶变换的滑窗类型w(i)为矩形窗；短时傅里叶变换的滑窗长度N＝32；有序统计量恒虚警检测(OS-CFAR)的检测门限Th＝1；本例相控阵天线工作载频的频率增量△f＝300KHz；第一个阵元的辐射频率，即相控阵天线工作载频f0＝20MHz；阵元间隔d＝λ/2，其中λ为信号波长；阵元个数M＝16。
本例频率增量△f/f0为1.5％，通常该比值在1％左右就可以满足系统要求的△f远远小于f0的要求。
侦察接收机参数设置：四部侦察接收机以“Y”型布站，位置坐标依次为(20，20，0)，(0，0，0)，(-20，20，0)，(0，-20，0)，单位：km，如图4所示。
目标(即辐射源，也就是本例相控阵天线)参数设置：目标位置坐标为(80，120，20)，单位km，如图4所示。
利用频控阵技术进行抗时差测量的定位欺骗过程如下：
A、对侦察接收机接收到的辐射源信号s(θ,r,t)进行短时傅里叶变换：
其中，s(n)为接收频控阵信号的离散形式，n为时刻点，n＝1,2,...,128，w(i)为矩形窗，N＝32，k为离散频率点，k＝1,2,...,32，STFTx(n,k)表示第n时刻、第k个离散频率点的时频幅值。接收的信号幅度如图3所示，可以看出：接收到的信号在不同时刻会出现多个信号峰值。
B、采用OS-CFAR方法对短时傅里叶变换后的结果进行检测，将门限Th与变换后的时频幅值比较，记录大于门限Th的信号位置。其中，Th＝1。
C、对所有大于检测门限的信号位置取平均，得到辐射源信号到达第一部侦察接收机的时间TOA1。
D、重复步骤A、B、C，分别得到辐射源信号到达第i部侦察接收机的时间TOAi,i＝2,3,4。
E、以第一部侦察接收机为基准，得到第i部接收机相对于第一部接收机的到达时间差TDOAi1＝TOAi-TOA1，i＝2,3,4。
F、根据上述到达时间差TDOAi1，建立时差定位方程如下所示：
其中，c为光速，(x,y,z)为待估计的目标位置坐标，(xi,yi,zi)，i＝1,2,3,4为第i部侦察接收机的位置坐标，TDOAi1,i＝2,3,4为信号的到达时间差。
由于定位方程是(x,y,z)的非线性函数，所以上式是一个关于(x,y,z)的非线性方程组，可用牛顿法迭代法求解。对于一个非线性方程组F(x)＝0，其牛顿迭代公式为：
X(k+1)＝X(k)-[F′(X(k))]-1F(X(k))
其中：X＝[x,y,z]T，
F'(X)为F(X)一阶导数。当||X(k)-X(k-1)||<ε时，迭代结束，从而得到目标的三维位置坐标。其中，迭代参数ε＝0.3。
为验证本发明的性能，采用蒙特卡洛仿真的方法对7dB信噪比下的定位性能进行统计。设蒙特卡洛仿真次数为500，忽略侦察接收机的位置误差，在一发四收的时差定位体制下，如图4所示，得到目标的三维定位结果如图5所示，其中，“*”代表目标真实位置，“+”代表未使用频控阵技术的目标三维定位结果，“☆”代表采用频控阵技术的目标三维定位结果，“○”代表接收站的位置。由图5可看出，利用时差定位方法估计得到的相控阵天线的目标辐射源位置与目标真实位置偏差很小，而估计的采用了频控阵技术的本例相控阵天线目标辐射源位置与目标真实位置偏差很大。
表1列出了侦察接收机分别接收相控阵辐射源信号与频控阵辐射源信号的条件下，采用TDOA方法获得的目标定位结果以及定位结果的均方根误差(RMSE，Root MeanSquare Error)。可以看出：利用时差定位方法估计得到的采用了频控阵技术的辐射源目标定位结果的RMSE比普通相控阵辐射源目标定位结果的RMSE大一个数量级以上，这说明本发明对时差定位侦察系统具有良好的定位欺骗性。
表1
| 目标位置(km) | (80，120，20) |
| 相控阵辐射源的定位结果(km) | (81.1948，121.5455，20.1400) |
| 频控阵辐射源的定位结果(km) | (97.9286，141.1922，23.3632) |
| 普通相控阵辐射源定位的RMSE(km) | 1.9890 |
| 采用频控阵技术的辐射源定位的RMSE(km) | 27.8192 |
Claims (8)
1.一种利用频控阵技术抗时差测量的定位欺骗方法，其特征在于，设置相控阵天线的各个阵元发射频率，使得各个阵元发射频率各不相同，具体步骤如下：
a、侦察接收机对接收的所述相控阵天线辐射信号s(θ,r,t)沿时间维进行离散短时傅里叶变换；
b、对经步骤a处理后的信号进行恒虚警检测，记录超过恒虚警门限Th所对应的时刻点；其中，Th由系统参数设定；
c、对经步骤b获得的所有时刻点进行平均，得到信号到达侦察接收机的时间TOAi；
d、以第一部侦察接收机为基准，得到第i部接收机相对于第一部接收机的到达时间差TDOAi1；
e、对经步骤d获得的到达时间差信息建立时差定位方程，采用牛顿迭代法进行求解，得到所述相控阵天线的三维坐标；
其中，i为整数，代表侦察接收机数量，i≥4。
2.根据权利要求1所述的一种利用频控阵技术抗时差测量的定位欺骗方法，其特征在于，i＝4。
3.根据权利要求2所述的一种利用频控阵技术抗时差测量的定位欺骗方法，其特征在于，步骤e中所述时差定位方程具有如下形式：
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</mrow>
其中，c为光速；x,y,z为所述相控阵天线的位置坐标；xi,yi,zi为第i部侦察接收机的位置坐标，i取值分别为2，3，4；x1,y1,z1为第1部侦察接收机的位置坐标。
4.根据权利要求1所述的一种利用频控阵技术抗时差测量的定位欺骗方法，其特征在于，所述相控阵天线具有M个阵元，相邻阵元发射频率之差为固定值△f，M为整数，M≥2。
5.根据权利要求1～4之一所述的一种利用频控阵技术抗时差测量的定位欺骗方法，其特征在于，所述固定值△f远远小于所述相控阵天线工作载频f0。
6.根据权利要求5所述的一种利用频控阵技术抗时差测量的定位欺骗方法，其特征在于，步骤a中所述接收信号s(θ,r,t)，具有如下表达式：
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其中，θ为所述相控阵天线相对侦察接收机的波束指向角；r为所述相控阵天线到侦察接收机的距离；t为所述相控阵天线发射信号时间；d为阵元间隔；c为光速；θ、r、t、△f、f0、d、M由系统参数设定。
7.根据权利要求1所述的一种利用频控阵技术抗时差测量的定位欺骗方法，其特征在于，步骤a中所述离散短时傅里叶变换，其表达式为：
<mrow>
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<mi>STFT</mi>
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<mo>-</mo>
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其中，s(n)为接收信号的离散形式，w(i)为窗函数，N为窗长度，n为时刻点，k为离散频率点，STFTx(n,k)表示第n时刻、第k个离散频率点的时频幅值；w(i)、N由系统参数设定。
8.根据权利要求1所述的一种利用频控阵技术抗时差测量的定位欺骗方法，其特征在于，步骤b中所述恒虚警检测方法采用有序统计量恒虚警检测。
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| CN201711126609.3A CN107907860A (zh) | 2017-11-15 | 2017-11-15 | 一种利用频控阵技术抗时差测量的定位欺骗方法 |
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