CN108363037B - 一种基于广域分布式单天线接收的短波远程辐射源一步定位法 - Google Patents

一种基于广域分布式单天线接收的短波远程辐射源一步定位法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于广域分布式单天线接收的短波远程辐射源一步定位法。首先基于短波天波信号传播原理，建立到达信号关于短波远程辐射源位置函数的数学模型，然后基于傅里叶变换技术将广域分布式单天线接收数据转化为频域数据，并利用电离层高度测量初始值以及最大似然估计准则建立短波远程辐射源位置和电离层高度的数学函数模型，最后基于粒子滤波或迭代等优化算法一步获得短波远程辐射源位置信息。本发明无需另建大型阵列接收站，只需在现有广域分布式短波网的基础上，通过单通道接收和算法软件更新，即可实现短波远程辐射源高精度一步定位，算法性能可靠，在民用短波无线电管理和军用短波无线电侦测等领域具有重要的应用价值。

Description

一种基于广域分布式单天线接收的短波远程辐射源一步定 位法
技术领域
本发明涉及短波无线电辐射源远距离定位领域，具体涉及一种基于广域分布式单天线接收的短波远程辐射源一步定位法。
背景技术
短波电磁波利用电离层折射效应可实现远距离通信、广播和雷达等领域有广泛的应用，在国民经济、政府工作、政治外交、国家安全和现代军事等领域发挥的作用越来越大。正常情况下，无线电频谱和发射设备使用，需要经过无线电管理部门的核准认可，必须符合相关法律规定的要求，不得随意使用。然而，一方面，经过长期的短波无线电技术的发展，短波波段的频谱占有率越来越高，密度越来越大，致使频谱供需之间的矛盾原来越严重。更有甚者，不是所有单位或个人都完全遵守相关规则，受利益的驱动，有的单位或个人随意使用国家不允许无偿使用的频率从事无线电业务，对合法用户的正常无线电业务造成干扰，导致空中无线电波秩序混乱，严重威胁着民航、高铁、政府、外交、反恐、国安和国防等重要用频部门的安全。非法用频的行为给正常合法用频者带来了严重危害，甚至给国家安全带来了严重隐患。为了保障国家安全，维护国家重大利益，确保短波电磁空间安全，保护短波无线电管制区重要无线电设备正常使用，对短波无线电频谱进行监测、定位、取证和管制，对打击非法短波频谱应用，具有极其重要的意义。为了达到对无线电频谱和设备管制的目标，对短波无线电频谱进行监测并及时高精度定位是首要条件。
目前，短波无线电辐射源定位方法主要有基于阵列的单站测向定位和基于多单站的测向交汇定位法，但是由于短波波段的波长较长，基于阵列天线测向定位技术需要大型接收天线阵，不仅技术复杂，对接收站环境要求高，而且其建站、应用和维护成本高昂。另外，现有的无线电信号定位方法都是基于“两步估计法”，即第一步先从信号数据中提取方位、时延差、多普勒等定位参数，第二步再基于这些参数解出短波远程辐射源的位置。虽然“两步估计法”定位方法在现代定位系统中已被广泛应用，但定位精度不高，不能满足现代无线电定位精度要求，于是有人提出了“一步定位法”，其基本思想是从信号采集数据域直接估计出短波远程辐射源的位置信息，而无需估计其它中间定位参数。为了提高短波辐射源远程高定位精度，本发明提出了一种基于广域分布式单天线接收的短波远程辐射源一步定位法。该方法无需另建大型阵列接收站，只需在现有分布式短波网的基础上，通过单通道接收和算法软件更新，即可实现对短波远程辐射源进行高精度一步定位，算法性能可靠，在民用短波无线电管理和军用短波无线电侦测等领域具有重要的应用价值。
发明内容
针对现有普遍流行短波远程辐射源定位技术中的不足，本发明提供了一种基于广域分布式单天线接收的短波远程辐射源定位方法，借鉴“一步定位法”解决短波远程辐射源的高精度定位问题。与传统的针对短波远程辐射源的多站测向交汇定位法相比，本发明无需另建大型阵列接收站，只需在现有分布式短波网的基础上，通过单通道接收和算法软件更新，即可实现短波远程辐射源高精度一步定位，算法性能可靠，并且可以在电离层高度先验测量值的基础上，进一步提高电离层高度的估计精度。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种基于广域分布式单天线接收的短波远程辐射源一步定位法，其特征在于，确定一个广域分布式单天线短波监测主站以及广域分布式单天线短波监测分站，包括以下步骤：
步骤1：对N个广域分布式单天线短波监测站接收系统分别进行时频同步，并采集外界短波远程辐射源的天波传播信号，获取信号时域系列数据；
步骤2：对每个广域分布式单天线短波监测站将所采集到的M个时域数据样本点进行傅里叶变换运算，得到信号频域数据；
步骤3：将每个广域分布式单天线短波监测站将所获得的信号频域数据通过网络传输至中心站主服务器，并基于电离层探测系统获取的电离层高度值以及各短波监测站的信号频域数据建立最大似然参数估计准则；
步骤4：基于最大似然参数估计准则，建立估计短波远程辐射源位置参数和电离层折射高度的数据优化目标函数；
步骤5：基于粒子滤波或迭代优化算法，通过对数据优化目标函数进行寻优，获得短波天波信号辐射源的位置定位信息。
在上述的一种非合作短波辐射源广域分布式短波网单天线时差定位法，所述的短波信号在2～30MHz短波频段内，信号类型包括短波通信、短波广播、天波雷达和地波雷达等短波信号。
在上述的一种非合作短波辐射源广域分布式短波网单天线时差定位法，
步骤1中，广域分布式短波监测站中的第n(n＝1,2,...,N)个单天线所接收到的信号时域模型为
xn(t)＝αns[t-τn(p,hn)-t0]+εn(t) (n＝1,2,...,N)
其中，p表示短波远程辐射源位置向量，hn表示短波远程辐射源通过天波传播至第n个短波监测站所经历的电离层反射高度，t0表示短波远程辐射源发射信号时间，s(t)表示短波远程辐射源辐射信号的复包络，αn表示目标信号传播至第n个短波监测站的损耗因子，εn(t)表示第n各短波监测站天线的接收的噪声向量，τn(p,hn)表示短波远程辐射源信号通过天波传播到达第n个短波监测站的传播群时延，该量是关于短波远程辐射源位置向量p和当前电离层高度hn的函数；
步骤2中，广域分布式短波监测站第n个接收天线所接收大的信号频域模型为
Figure GDA0003158204850000031
其中，
1≤n≤N，1≤m≤M；
Figure GDA0003158204850000032
和
Figure GDA0003158204850000033
分别表示s(t)和εn(t)的频域表达式；fm表示第m个数字频点；an(p,hn,fm)和
Figure GDA0003158204850000041
的表达式分别为：
an(p,hn,fm)＝exp[-j2πfmτn(p,hn)]
Figure GDA0003158204850000042
步骤3中，根据各接收站获取的频域数据在中心站所建立的最大似然估计准则模型为
Figure GDA0003158204850000043
其中，向量h＝[h1,h2,...,hN]T表示每个短波监测站接收到的天波信号历经的电离层高度,
Figure GDA0003158204850000044
表示基于电离层探测方法提供的电离层高度h的初始向量，电离层探测误差协方差矩阵记为P；
步骤4中，短波远程辐射源位置向量p和电离层高度向量h的数学优化函数模型可表示成
Figure GDA0003158204850000045
其中，λmax＝[·]表示取矩阵的最大特征值，
Figure GDA0003158204850000046
A(p,h)和
Figure GDA0003158204850000047
的分别为
Figure GDA0003158204850000048
Figure GDA0003158204850000049
其中，向量
Figure GDA00031582048500000410
可表示为
Figure GDA00031582048500000411
步骤5中，首先基于广域分布式单天线接收的短波远程辐射源信号的大小关系或经验值，获得短波远程辐射源位置向量的初始值
Figure GDA00031582048500000412
同时基于电离层探测设备获得的电离层高度观测向量
Figure GDA00031582048500000413
作为h的初始估计
Figure GDA00031582048500000414
构成初始迭代向量
Figure GDA00031582048500000415
并基于粒子滤波或迭代等优化算法解数值优化目标函数，获得短波辐射源位置信息和电离层高度信息。
在上述的一种非合作短波辐射源广域分布式短波网单天线时差定位法，所述的广域分布式各接收站点接收机均需基于外置GPS或北斗接收机进行同步，外置GPS或北斗接收机输出的pp1s信号，通过RS232输出的同步信号与处理单元进行同步。
因此，本发明具有如下优点：本发明首先基于短波天波信号传播原理，建立到达信号关于短波远程辐射源位置函数的数学模型，然后基于傅里叶变换技术将广域分布式单天线接收数据转化为频域数据，并利用电离层高度测量初始值以及最大似然估计准则建立短波远程辐射源位置和电离层高度的数学函数模型，最后基于粒子滤波优化或迭代等优化算法获得短波远程辐射源位置信息。本发明无需另建大型阵列接收站，只需在现有分布式短波网的基础上，通过单通道接收和算法软件更新，即可实现短波远程辐射源高精度定位，算法性能可靠，并且可以在电离层高度先验测量值的基础上，进一步提高电离层高度的估计精度，在民用短波无线电管理和军用短波无线电侦测等领域具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明的基于广域分布式单天线接收的短波远程辐射源一步定位法原理示意图。
图2为本发明的基于广域分布式单天线接收的短波远程辐射源一步定位法流程示意图。
图3为本发明中一种基于广域分布式单天线接收的短波远程辐射源一步定位法各接收站点同步原理图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
参见图1～2所示，一种基于广域分布式单天线接收的短波远程辐射源一步定位法，具体包含如下步骤：
步骤1：对N个广域分布式单天线短波监测站接收系统进行时频同步，并采集外界短波远程辐射源的天波传播信号，获取信号时域系列数据；
步骤2：对每个单天线短波监测站将所采集到的M个时域数据样本点进行傅里叶变换运算，得到信号频域数据；
步骤3：将每个单天线短波监测站将所获得的信号频域数据通过网络传输至中心站主服务器，并基于电离层探测系统获取的电离层高度值以及各短波监测站的信号频域数据建立最大似然参数估计准则；
步骤4：基于最大似然参数估计准则，建立估计短波远程辐射源位置参数和电离层散射高度的数据优化目标函数；
步骤5：基于粒子滤波或迭代优化算法，并利用数据优化目标函数进行寻优，获得短波天波信号辐射源的位置定位信息。
图3为本发明中一种基于广域分布式单天线接收的短波远程辐射源一步定位法各接收站点同步原理图，其特征在于：所述的广域分布式各接收站点接收机均需采用外置GPS或北斗接收模块，该模块通过GPS进行授时，提供与pp1s和10MHz信号，时间精度可以达到15ns，并且后级采用两级PLL锁相环，对相应的10MHz参考时钟进行倍频；第一级PLL用于滤除近端干扰，第二级PLL用于滤除远端干扰，从而为系统提供干净稳定的工作时钟；并通过时钟Buffer对其进行分发。从而提供给接收机CPU、FPGA的和ADC工作时钟。
具体实施例：参见图1～2所示，一种基于广域分布式单天线接收的短波远程辐射源一步定位法，具体包含如下步骤：
步骤1，广域分布式短波监测站中的第n(n＝1,2,...,N)个单天线所接收到的信号时域模型为
xn(t)＝αns[t-τn(p,hn)-t0]+εn(t) (n＝1,2,...,N)
其中，p表示短波远程辐射源位置向量，hn表示短波远程辐射源通过天波传播至第n个短波监测站所经历的电离层反射高度，t0表示短波远程辐射源发射信号时间，s(t)表示短波远程辐射源辐射信号的复包络，αn表示目标信号传播至第n个短波监测站的损耗因子，εn(t)表示第n各短波监测站天线的接收的噪声向量，τn(p,hn)表示短波远程辐射源信号通过天波传播到达第n个短波监测站的传播群时延，该量是关于短波远程辐射源位置向量p和当前电离层高度hn的函数；
步骤2中，广域分布式短波监测站第n个接收天线所接收大的信号频域模型为
Figure GDA0003158204850000071
其中，
1≤n≤N，1≤m≤M；
Figure GDA0003158204850000072
和
Figure GDA0003158204850000073
分别表示s(t)和εn(t)的频域表达式；fm表示第m个数字频点；an(p,hn,fm)和
Figure GDA0003158204850000074
的表达式分别为：
an(p,hn,fm)＝exp[-j2πfmτn(p,hn)]
Figure GDA0003158204850000075
步骤3中，根据各接收站获取的频域数据在中心站所建立的最大似然估计准则模型为
Figure GDA0003158204850000076
其中，向量h＝[h1,h2,...,hN]T表示每个短波监测站接收到的天波信号历经的电离层高度,
Figure GDA0003158204850000077
表示基于电离层探测方法提供的电离层高度h的初始向量，电离层探测误差协方差矩阵记为P；
步骤4中，短波远程辐射源位置向量p和电离层高度向量h的数学优化函数模型可表示成
Figure GDA0003158204850000078
其中，λmax＝[·]表示取矩阵的最大特征值，
Figure GDA0003158204850000079
A(p,h)和
Figure GDA00031582048500000710
的分别为
Figure GDA00031582048500000711
Figure GDA0003158204850000081
其中，向量
Figure GDA0003158204850000082
可表示为
Figure GDA0003158204850000083
步骤5，基于粒子滤波或迭代优化算法，利用数据优化模型进行寻优，实现短波远程辐射源的定位。所设计的数值优化方法的实现步骤为：
步骤5.1)基于广域分布式单天线接收的短波远程辐射源信号的强度关系，获得短波远程辐射源位置向量的初始值
Figure GDA0003158204850000084
将基于电离层探测设备获得的电离层高度观测向量
Figure GDA0003158204850000085
作为h的初始估计
Figure GDA0003158204850000086
形成初始迭代向量
Figure GDA0003158204850000087
步骤5.2)基于数据优化模型，利用粒子滤波或迭代优化算法进行寻优，获得短波远程辐射源的定位信息。
研究结果表明，相比于一般方法，本发明公开的短波远程辐射源一步定位法可以提高定位精度。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种基于广域分布式单天线接收的短波远程辐射源一步定位法，其特征在于，确定一个广域分布式单天线短波监测主站以及广域分布式单天线短波监测分站，包括以下步骤：
步骤1：对N个广域分布式单天线短波监测站接收系统分别进行时频同步，并采集外界短波远程辐射源的天波传播信号，获取信号时域系列数据；
广域分布式短波监测站中的第n(n＝1,2,...,N)个单天线所接收到的信号时域模型为
xn(t)＝αns[t-τn(p,hn)-t0]+εn(t)(n＝1,2,...,N)
其中，p表示短波远程辐射源位置向量，hn表示短波远程辐射源通过天波传播至第n个短波监测站所经历的电离层反射高度，t0表示短波远程辐射源发射信号时间，s(t)表示短波远程辐射源辐射信号的复包络，αn表示目标信号传播至第n个短波监测站的损耗因子，εn(t)表示第n各短波监测站天线的接收的噪声向量，τn(p,hn)表示短波远程辐射源信号通过天波传播到达第n个短波监测站的传播群时延，该量是关于短波远程辐射源位置向量p和当前电离层高度hn的函数；
步骤2中，广域分布式短波监测站第n个接收天线所接收大的信号频域模型为
Figure FDA0003158204840000011
其中，
1≤n≤N，1≤m≤M；
Figure FDA0003158204840000012
和
Figure FDA0003158204840000013
分别表示s(t)和εn(t)的频域表达式；fm表示第m个数字频点；an(p,hn,fm)和
Figure FDA0003158204840000014
的表达式分别为：
an(p,hn,fm)＝exp[-j2πfmτn(p,hn)]
Figure FDA0003158204840000015
步骤3中，根据各接收站获取的频域数据在中心站所建立的最大似然估计准则模型为
Figure FDA0003158204840000016
其中，向量h＝[h1,h2,...,hN]T表示每个短波监测站接收到的天波信号历经的电离层高度,
Figure FDA0003158204840000021
表示基于电离层探测方法提供的电离层高度h的初始向量，电离层探测误差协方差矩阵记为P；
步骤4中，短波远程辐射源位置向量p和电离层高度向量h的数学优化函数模型可表示成
Figure FDA0003158204840000022
其中，λmax＝[·]表示取矩阵的最大特征值，
Figure FDA0003158204840000023
A(p,h)和
Figure FDA0003158204840000024
的分别为
Figure FDA0003158204840000025
Figure FDA0003158204840000026
其中，向量
Figure FDA0003158204840000027
可表示为
Figure FDA0003158204840000028
步骤5中，首先基于广域分布式单天线接收的短波远程辐射源信号的大小关系或经验值，获得短波远程辐射源位置向量的初始值
Figure FDA0003158204840000029
同时基于电离层探测设备获得的电离层高度观测向量
Figure FDA00031582048400000210
作为h的初始估计
Figure FDA00031582048400000211
构成初始迭代向量
Figure FDA00031582048400000212
并基于粒子滤波或迭代等优化算法解数值优化目标函数，获得短波辐射源位置信息和电离层高度信息；
步骤2：对每个广域分布式单天线短波监测站将所采集到的M个时域数据样本点进行傅里叶变换运算，得到信号频域数据；
步骤3：将广域分布式每个单天线短波监测站将所获得的信号频域数据通过网络传输至中心站主服务器，并基于电离层探测系统获取的电离层高度值以及各短波监测站的信号频域数据建立最大似然参数估计准则；
步骤4：基于最大似然参数估计准则，建立估计短波远程辐射源位置参数和电离层折射高度的数据优化目标函数；
步骤5：基于粒子滤波或迭代优化算法，通过对数据优化目标函数进行寻优，获得短波天波信号辐射源的位置定位信息。
2.根据权利要求1所述的一种非合作短波辐射源广域分布式短波网单天线时差定位法，其特征在于，所述的短波信号在2～30MHz短波频段内，信号类型包括短波通信、短波广播、天波雷达和地波雷达等短波信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于广域分布式单天线接收的短波远程辐射源一步定位法，其特征在于，所述的广域分布式各接收站点接收机均需基于外置GPS或北斗接收机进行同步，外置GPS或北斗接收机输出的pp1s信号，通过RS232输出的同步信号与处理单元进行同步。
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