CN109116295A - 基于相控阵选取基线的无源测向算法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于相控阵选取基线的无源测向算法，其包括以下步骤：a)选取相控阵中部分阵元组成二维干涉仪进行测向；b)利用干涉仪测向结果作为依据，确定MUSIC空域搜索的范围；和c)MUSIC算法完成高精度俯仰角和方位角的估计。
Description
技术领域
本申请涉及一种算法，具体涉及一种基于相控阵选取基线的无源测向算法。
背景技术
在现有的无源测向算法中，基于大型相控阵的无源测向算法能够提高电子侦察卫星的测向精度以及抗干扰能力，然而，侦察天线规模的不断增大进一步增加了卫星研发的经济成本和周期成本，同时基于大型侦察天线的电子侦察卫星具有较差的隐蔽性和抗毁性。
根据上述分析，面向我国电子侦察卫星多功能、实用性强、适应范围广及隐蔽抗毁的发展需求，针对基于大规模天线的电子侦察技术导致的隐蔽性差、研发成本高及周期长的问题，本领域需要一种新颖的算法来实现隐蔽且高效的电子侦察。本算法基于当前相控阵天线在通信卫星中的广泛应用现状，选取卫星通信载荷的相控阵阵元，组成干涉仪，实现目标位置的快速估计，完成通信隐蔽下的电子侦察任务。以此为基础，根据任务需要，以干涉仪测向结果为先验信息，缩小空域搜索范围，可降低基于相控阵的空间谱估计运算量，实现目标位置的快速精确估计。同时干涉仪及空间谱估计两种测向方案提供多尺度分辨率的位置信息，可以指导波束形成，实现通信的增强及抗干扰，为设计灵活的新型通信、电子侦察一体化载荷体系架构提供一条新的解决途径。
发明内容
本申请之目的在于提供一种基于相控阵选取基线的无源测向算法。
为了实现上述目的，本申请提供下述技术方案。
本申请提供了一种基于相控阵选取基线的无源测向算法，其包括以下步骤：a)选取相控阵中部分阵元组成二维干涉仪进行测向；b)利用干涉仪测向结果作为依据，确定MUSIC空域搜索的范围；和c)MUSIC算法完成高精度俯仰角和方位角的估计；
其中所述步骤a)中选取5×5的相控阵中的6个阵元组成4条基线；
其中所述步骤a)中选取阵元3和8、阵元14和15分别组成二维短基线，阵元3和23、阵元11和15分别组成二维长基线；以及
其中所述步骤a)中，利用俯仰维、方位维的短基线估计出无模糊的俯仰角、方位角；利用俯仰维、方位维的长基线初步提高俯仰角、方位角的估计精度。
其中所述步骤b)和c)中，利用干涉仪测向结果确定MUSIC算法空域搜索的范围；利用全部阵元进行MUSIC快速精确测向。
与现有技术相比，本申请的有益效果在于能够实现目标位置的快速精确估计，完成通信隐蔽下的高效电子侦察。同时提供多尺度分辨率的位置信息，指导波束形成，实现通信的增强及抗干扰，为设计灵活的新型通信、电子侦察一体化载荷体系架构提供一条新的解决途径。
附图说明
图1是本申请的基于相控阵选取基线的无源测向算法的流程示意图。
图2是本申请的阵列排布及基线选取的示意图。
图3是本申请的二维短基线求解二维无模糊角度的结果示意图。
图4是本申请的二维长短基线联合提高测向精度的示意图。
图5是本申请的基于干涉仪辅助的MUSIC测向结果的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图以及本申请的实施例，对本申请的技术方案进行清楚和完整的描述。
图1是基于相控阵选取基线的无源测向算法的流程图。本发明提出选取相控阵中部分阵元组成二维干涉仪进行测向，然后利用干涉仪测向结果作为依据，确定MUSIC空域搜索的范围，在提高测向精度的同时可以大大降低MUSIC空间谱估计的运算量，并且加快了测向速度、提高了测向实时性。
基于相控阵选取基线的无源测向算法的具体步骤如下：选取5×5的相控阵中的6个阵元组成4条基线。利用俯仰维、方位维的短基线估计出无模糊的俯仰角、方位角。利用俯仰维、方位维的长基线初步提高俯仰角、方位角的估计精度。在上述俯仰角和方位角二维角度估计的基础上，确定MUSIC算法的空域搜索范围。利用所有阵元接收的数据，采用2D-MUSIC算法进一步提高测角分辨率，完成高分辨二维角度估计。从而，实现快速、高分辨的辐射源二维角度估计。
所述方法可以实现通信隐蔽下的高效电子侦察，并且引导卫星通信载荷对地面站进行实时跟踪，进而指导相控阵波束形成，提高通信效率。
1)选取5×5的相控阵中的6个阵元组成4条基线，阵元3和8、阵元14和15分别组成二维短基线，阵元3和23、阵元11和15分别组成二维长基线；如图2所示。
2)由俯仰维和方位维的二维短基线对应的无模糊相位差估计俯仰角和方位角二维短基线获得的二维角度估计的均方根误差与相位误差的关系如图3所示。
利用短基线得到的俯仰角和方位角估计值和往往在精度上达不到要求，为了减小测向误差应尽可能的增大基线长度，提高基线波长比。因此，可以结合长基线对应的相位差再次对二维角度进行估计，得到精度较高的测角结果。
3)长短基线联合对长基线对应的相位差的模糊数进行搜索，获得无模糊、较高精度的俯仰角和方位角估计值：如图4所示。
利用和对二维长基线对应的相位差的模糊数p、q进行搜索。每一组模糊数(p,q)可以计算出一组对应的角度估计值，搜索出与和最为接近的角度值即为目标的波达方向：
由图4可见结合长基线进行求解后，二维角度估计误差有所降低。
4)干涉仪辅助的MUSIC高分辨方法获得最终的俯仰角和方位角估计：
上述干涉仪测向方法在应用中仍然角度分辨力不足、测向精度不满足实际需求时，可以利用阵列天线实现目标的高分辨空间谱估计。MUSIC算法是最为经典的高分辨DOA估计算法，其核心思想是对多次快拍下的阵列接收数据形成的协方差矩阵进行信号和噪声子空间分解，然后根据信号子空间和噪声子空间的正交特性构建出代价函数来估计目标参数。然而在实际应用中，其复杂的矩阵计算及庞大的计算量，使得现有的具备实用性的系统还不多，在中小型阵列上的有效应用就更少。
MUSIC算法的测向精度与搜索的步长有关。在SNR足够大的情况下，步长越小，精度也越高，理论上测向精度可以达到搜索步长的量级。然而步长选取的越小，星上的计算复杂度及计算量越大。本方法以二维长短基线干涉仪测向结果为先验信息，可以显著缩小MUSIC算法的空域搜索范围，使得采用更小搜索步长成为可能，在提高测向精度的同时降低基于相控阵的空间谱估计的运算量，实现目标位置的快速精确估计。
如图5所示，可知二维角度估计结果：俯仰角＝10.04°，方位角＝15.07°。
上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。
Claims (5)
1.一种基于相控阵选取基线的无源测向算法，其特征在于，包括以下步骤：
a)选取相控阵中部分阵元组成二维干涉仪进行测向；
b)利用干涉仪测向结果作为依据，确定MUSIC空域搜索的范围；和
c)MUSIC算法完成高精度俯仰角和方位角的估计。
2.如权利要求1所述的基于相控阵选取基线的无源测向算法，其特征在于，在所述步骤a)中选取5×5的相控阵中的6个阵元组成4条基线。
3.如权利要求2所述的基于相控阵选取基线的无源测向算法，其特征在于，在所述步骤a)中选取阵元3和8、阵元14和15分别组成二维短基线，阵元3和23、阵元11和15分别组成二维长基线。
4.如权利要求1所述的基于相控阵选取基线的无源测向算法，其特征在于，在所述步骤a)中，利用俯仰维、方位维的短基线估计出无模糊的俯仰角、方位角；利用俯仰维、方位维的长基线初步提高俯仰角、方位角的估计精度。
5.如权利要求1所述的基于相控阵选取基线的无源测向算法，其特征在于，在所述步骤b)和c)中，利用干涉仪测向结果确定MUSIC算法空域搜索的范围；利用全部阵元进行MUSIC快速精确测向。
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