CN108152836A - 一种基于fda天线抗三星频差定位体制的欺骗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于目标定位技术领域，具体的说是一种基于FDA天线抗三星频差定位体制的欺骗方法。本发明在相控阵天线的基础上，在相邻阵元对发射信号附加了一个远小于工作载频的频率增量，使得卫星侦察接收机无法准确测量目标辐射源与侦察接收机之间的多普勒频率，从而导致卫星侦察系统采用基于FDOA的定位方法时，无法获得目标辐射源的真实位置，即利用FDA有效解决了上述现有技术中存在的问题。

Description

一种基于FDA天线抗三星频差定位体制的欺骗方法
技术领域
本发明属于目标定位技术领域，具体的说是一种利用FDA(FDA，FrequencyDiverse Array频率分集阵列)天线辐射的信号进行抗三星频差定位体制的欺骗方法。
背景技术
相控阵天线通常每个阵元发射的是同一个信号，通过在每个阵元的输出端接入移相器来实现波束方向控制，调整移相器的相移量便可实现波束的空域扫描。
相控阵雷达因其灵活的波束扫描特性被广泛的应用到军事和民用领域。然而，因其每个阵元发射的信号频率相同，当相控阵辐射源暴露在由三颗侦察卫星组成的侦察系统侦收区域时，侦察系统利用现有的测频技术能够准确获取相控阵辐射源的工作频率。这就意味着多个卫星侦察接收机将得到目标辐射源的多普勒频差信息，结合侦察卫星自身位置，利用FDOA(Frequency Difference of Arrival，频率到达差)定位方法就能计算目标辐射源的位置。暴露目标辐射源的真实位置是非常危险的，尤其在战争时期,这将同时危及周边重要军事设施的安全。如何隐蔽目标辐射源的真实位置，针对卫星侦察系统实现定位欺骗显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种利用FDA天线抗三星频差测量的定位欺骗方法。本发明所采用的频率分集阵列天线与相控阵天线不同之处在于：FDA是相控阵天线的扩展,其在相邻阵元上对发射信号附加了一个远小于工作载频的频率增量，即每个阵元辐射信号的频率不同。因频率增量较小，且不同阵元发射的信号频率不同,考虑到信号在频域分析中不可避免的产生栅栏效应和频率泄露现象。这一改变使得传统测频方法的测频误差增大,从而使得卫星侦察接收机难以有效获取目标辐射源发射信号的频率真实值，也就无法在多个卫星侦察接收机之间形成准确的多普勒频差信息。那么，当卫星侦察系统采用基于FDOA的三星频差定位方法时，也就无法完成对目标辐射源的准确定位，即利用FDA天线辐射的信号可以实现抗三星频差测量的定位欺骗。
本发明所采用的技术方案为：
一种基于FDA天线抗三星频差定位体制的欺骗方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、对卫星侦察接收机接收的FDA信号s(θ,r,t)进行中频采样后，再进行快速傅里叶变换，其中，θ为波束指向角，r为目标辐射源第一个阵元到卫星侦察接收机的距离，t为目标辐射源发射FDA信号的时间；
b、对经步骤a处理后的信号进行CFAR(Constant False Alarm Ratio，衡虚警)检测，记录超过CFAR门限Th所对应的频谱峰值；其中，Th由系统参数设定；
c、对经步骤b获得的所有频点进行平均，得到粗的频率测量值；
d、以粗的频率测量值为中心，在频率范围内，利用Chirp-Z(一种频率估计方法)变换得到细化后的频率测量值；其中，由系统参数设定；
e、重复步骤a-d，直至获得第i部卫星侦察接收机的频率测量值fi,i＝2,3；以第一部卫星接收机为基准，得到第i部卫星接收机相对于第一部卫星接收机的到达频率差fi1,i＝2,3；
f、对经步骤e获得的到达频率差信息建立频差定位方程，采用最大似然估计法进行求解，从而得到目标辐射源的位置坐标。
具体的，所述步骤a中接收的FDA信号s(θ,r,t)具有如下表达式：
其中，M为阵元个数，f0为FDA天线第一个阵元辐射的频率，λ0为第一个阵元发射信号波长，d为阵元间距，△f为相邻阵元的载频增量，c为光速。
具体的，所述步骤b中的CFAR检测方法为OS-CFAR(有序统计量恒虚警检测)，其检测门限Th由系统参数设定。
具体的，所述步骤d中Chirp-Z变换方法为：
其中，A0表示起始取样点的半径长度，θ0表示起始取样点的相角，W0表示螺旋线的伸展率，表示相邻两点间的等分角；A0，θ0，W0，由Chirp-Z变换的参数设定。
具体的，所述步骤f中频差方程具有如下形式：
其中，pi,vi,(i＝1,2,3)分别为第i个卫星的位置矢量和速度矢量，q为目标的位置矢量
具体的，所述步骤f中最大似然估计的方法为：
其中，Ω为卫星覆盖区域，为待估计的频差向量，f(q)＝【f21(q),f31(q)]T。
本发明的有益效果为，与相控阵目标辐射源相比，由三颗卫星组成的侦察系统不能通过多普勒频差对使用FDA天线的目标辐射源进行准确定位。也就是说，本发明对三星频差定位系统具有定位欺骗性，特别适合一些特定场合的应用。
附图说明
图1为实施例中FDA天线发射阵列示意图；
图2为实施例中接收的FDA信号的频谱图；
图3为实施例中Chirp-Z变换后的频谱图；
图4为实施例中三星频差定位示意图；
图5为实施例中基于FDOA方法的目标定位结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体设施方式对本发明进行详细的描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。
实施例
本实施例是以由三颗侦察卫星组成的侦察系统对使用FDA天线的目标辐射源进行测频定位为例。FDA天线发射阵列示意图如图1所示，卫星侦察接收机接收的FDA信号为：
其中，θ为波束指向角，r为目标辐射源到卫星侦察接收机第一个阵元的距离，t为目标辐射源发射FDA信号的时间，M为阵元个数，f0为FDA天线第一个阵元辐射的频率，λ为第一个阵元发射信号波长，d为阵元间距，△f为相邻阵元的载频增量，c为光速。
根据上述信号模型，使用Matlab(一种计算机算法语言)进行仿真验证，具体的仿真参数如下：
系统参数设置：FDA天线第一个阵元的辐射源频率f0＝8GHz，频率增量△f＝6KHz，阵元间隔d＝λ/2，阵元个数M＝8，中频频率fIF＝30MHz，采样率fs＝100MHz，OS-CFAR的检测门限Th＝0.5。
侦察接收机参数设置：搭载侦察接收机的三颗卫星平台位置坐标依次为(3909.0，4499.4，3452.7)，(3892.3，4527.8，3454.5)，(3868.3，4545.9，3457.7)，单位：km；三颗卫星的速度坐标依次为(-1.667,-3.553,6.517),(-1.706,-3.510,6.520),(-1.752,-3.476,6.529)，单位：km/s。
目标参数设置：目标位置二维坐标为(3362.1，4006.7)，单位：km。目标与卫星侦察接收机位于同一坐标系下。
具体定位过程如下：
A.对卫星侦察接收机接收的FDA信号进行中频采样，再进行快速傅里叶变换。快速傅里叶变换的点数为16384，其变换结果如图2所示，可以看出：由于FDA信号本身的特殊性，接收信号的频谱包含多个峰值。
B.采用OS-CFAR方法对快速傅里叶变换的结果进行检测，将门限Th与信号频谱的幅度比较，记录大于门限Th所对应的频谱峰值。其中，Th＝0.5。
C.对所有大于检测门限的频谱峰值对应的信号频率进行平均，得到粗的频率测量值fco。
D.以粗的频率测量值fco为中心，在频率范围内，利用Chirp-Z变换得到细化后的频率测量值f1。Chirp-Z变换公式为：
其中，N＝2048，A0＝1，θ0＝-1.27rad，W0＝1，经Chirp-Z变换后频谱如图3所示。
E.重复步骤A～D，获得第i部卫星侦察接收机的频率测量值fi,i＝2,3；根据下式得到第i部卫星接收机相对于第一部卫星接收机的到达频率差
fi1＝fi-f1 i＝2,3
F.利用到达频率差信息建立频差定位方程如下：
其中，p1＝(3909.0,4499.4,3452.7)T p2＝(3892.3，4527.8，3454.5)T,
p3＝(3868.3,4545.9,3457.7)T,单位:km；f21＝1085Hz，f31＝2075Hz；
v1＝(-1.667,-3.553,6.517)T，v2＝(-1.706,-3.510,6.520)T，v3＝(-1.752,-3.476,6.529)T，单位km/s。
接下来，利用最大似然法对目标位置进行估计：
为获得准确的目标位置坐标，在一定区域内进行搜索。当上式出现最小值时，即得到估计的目标位置坐标。
为验证本发明的性能，采用蒙特卡洛仿真的方法对10dB信噪比下的定位性能进行统计。设蒙特卡洛仿真次数为400次，忽略目标高度误差带来的影响。采用三星频差定位体制(如图4所示)，得到目标的定位结果如图5所示。其中，“〇”表示目标真实位置，“☆”表示FDA辐射源目标的定位结果，“*”表示相控阵辐射源目标的定位结果，“+”表示三颗卫星的位置。可以看出，利用三星频差定位方法估计得到的相控阵辐射源目标位置与目标真实位置偏差很小，而估计的FDA辐射源目标位置与目标真实位置偏差很大。
表1列出了三颗卫星侦察接收机分别接收相控阵辐射源信号与FDA辐射信号条件下，采用FDOA方法获得的目标定位结果以及定位结果的RMSE(Root Mean Square Error)。可以看出：利用频差定位方法估计得到的FDA辐射源目标定位结果的RMSE比相控阵辐射源目标定位结果的RMSE大7倍以上，这说明本发明对三星频差定位功能的卫星侦察系统具有良好的定位欺骗性。
表1三颗卫星侦察接收机分别接收相控阵辐射源信号与FDA辐射信号条件下，采用FDOA
方法获得的目标定位结果以及定位结果的RMSE
目标位置 (3362.1，4006.7)
相控阵辐射源的定位结果(km) (3367.2，4012.6)
FDA辐射源的定位结果(km) (3396.0，4038.5)
相控阵辐射源定位的RMSE(km) 6.0
FDA辐射源定位定位的RMSE(km) 46.5

Claims (6)

1.一种基于FDA天线抗三星频差定位体制的欺骗方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、对卫星侦察接收机接收的FDA信号s(θ,r,t)进行中频采样后，再进行快速傅里叶变换，其中，θ为波束指向角，r为目标辐射源第一个阵元到卫星侦察接收机的距离，t为目标辐射源发射FDA信号的时间；
b、对经步骤a处理后的信号进行CFAR检测，记录超过CFAR门限Th所对应的频谱峰值；其中，Th由系统参数设定；
c、对经步骤b获得的所有频点进行平均，得到粗的频率测量值；
d、以粗的频率测量值为中心，在频率范围内，利用Chirp-Z变换得到细化后的频率测量值；其中，由系统参数设定；
e、重复步骤a-d，直至获得第i部卫星侦察接收机的频率测量值fi,i＝2,3；以第一部卫星接收机为基准，得到第i部卫星接收机相对于第一部卫星接收机的到达频率差fi1,i＝2,3；
f、对经步骤e获得的到达频率差信息建立频差定位方程，采用最大似然估计法进行求解，从而得到目标辐射源的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的一种基于FDA天线抗三星频差定位体制的欺骗方法，其特征在于，所述步骤a中接收的FDA信号s(θ,r,t)具有如下表达式：
其中，M为阵元个数，f0为FDA天线第一个阵元辐射的频率，λ0为第一个阵元发射信号波长，d为阵元间距，△f为相邻阵元的载频增量，c为光速。
3.根据权利要求2所述的一种基于FDA天线抗三星频差定位体制的欺骗方法，其特征在于，所述步骤b中的CFAR检测方法为有序统计量恒虚警检测，其检测门限Th由系统参数设定。
4.根据权利要求3所述的一种基于FDA天线抗三星频差定位体制的欺骗方法，其特征在于，所述步骤d中Chirp-Z变换方法为：
其中，A0表示起始取样点的半径长度，θ0表示起始取样点的相角，W0表示螺旋线的伸展率，表示相邻两点间的等分角；A0，θ0，W0，由Chirp-Z变换的参数设定。
5.根据权利要求4所述的一种基于FDA天线抗三星频差定位体制的欺骗方法，其特征在于，所述步骤f中频差方程具有如下形式：
其中，pi,vi,(i＝1,2,3)分别为第i个卫星的位置矢量和速度矢量，q为目标的位置矢量。
6.根据权利要求5所述的一种基于FDA天线抗三星频差定位体制的欺骗方法，其特征在于，所述步骤f中最大似然估计的方法为：
其中，Ω为卫星覆盖区域，为待估计的频差向量，f(q)＝[f21(q),f31(q)]T。
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