CN110018440B - 基于定向天线的l型直角阵列测向方法、装置和系统 - Google Patents

基于定向天线的l型直角阵列测向方法、装置和系统 Download PDF

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CN110018440B CN201910265858.3A CN201910265858A CN110018440B CN 110018440 B CN110018440 B CN 110018440B CN 201910265858 A CN201910265858 A CN 201910265858A CN 110018440 B CN110018440 B CN 110018440B
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Abstract

本发明公开一种基于定向天线的L型直角阵列测向方法、装置和系统。本发明的方法包括：构建接收信号方位角与俯仰角的角度估计模型；利用所述L型直角阵列分别进行比幅测向和比相测向，获得接收信号的相位差测量值和幅度差测量值，以及获得相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差；将所述相位差测量值和幅度差测量值代入所述第一联合矩阵，以及将相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差代入所述加权矩阵，根据最小二乘法求解所述角度估计模型的方位角参数与俯仰角参数，获得所述信号的方位角和俯仰角的估计值。本发明的技术方案同时使用比幅和比相测向信息进行测向达到提升测向精度的效果。

Description

基于定向天线的L型直角阵列测向方法、装置和系统
技术领域
本发明涉及干涉仪测向技术领域，尤其涉及一种基于定向天线的L型直角阵列测向方法、装置和系统。
背景技术
干涉仪测向体制是一种广为应用的测向体制，其中L型直角阵常用于二维测角，通常使用全向天线或宽波束天线。这种配置下，采用分时接收体制(即L型直角阵的两组基线分时测量相位差)时测向误差与来波方位无关；采用同时接收体制(即L型直角阵的两组基线同时测量相位差)测向精度与来波方位的2倍有关。在一些应用场景中，往往对多个特定区域特别关注，希望在这几个区域得到较高的测向精度，此时采用宽波束干涉仪就很难以较低的代价满足上述要求。
通常为了实现多个特定区域的高精度测向，需实现包含特定区域的整片区域内的高精度测向，这无疑会大大提升系统设计成本。一种满足特定区域高精度测向的体制是波束可调的窄波束比幅测向，而在比幅测向的同时系统实际仍具备开展基于定向天线的干涉仪比相测向的能力，同时使用比幅和比相信息进行测向有望进一步提升测向精度。
然而，关于基于定向天线二维角比幅比相测向系统虽有一些研究，但基本均是针对和差单脉冲测向系统，且关于其性能分析方法尚未见报导。限制了基于定向天线的比幅(基于幅度比较法)比相测向系统的应用。
发明内容
本发明提供了一种基于定向天线的L型直角阵列测向方法、装置和系统，以至少部分解决上述问题。
第一方面，本发明提供了一种基于定向天线的L型直角阵列测向方法，包括：构建接收信号方位角与俯仰角的角度估计模型，所述角度估计模型包括关联信号相位差测量值与幅度差测量值的第一联合矩阵，关联信号相位差理论值与幅度差理论值的第二联合矩阵和与信号方位角和信号俯仰角均无关的加权矩阵；其中，所述相位差理论值与所述幅度差理论值均包括方位角参数与俯仰角参数，所述加权矩阵关联相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差；利用所述L型直角阵列分别进行比幅测向和比相测向，获得接收信号的相位差测量值和幅度差测量值，以及获得相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差；将所述相位差测量值和幅度差测量值代入所述第一联合矩阵，以及将相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差代入所述加权矩阵，根据最小二乘法求解所述角度估计模型的方位角参数与俯仰角参数，获得所述信号的方位角和俯仰角的估计值。
在一些实施例中，角度估计模型为：
Figure GDA0004074166170000021
其中，
Figure GDA0004074166170000022
分别为方位角参数α和俯仰角参数β的估计值，ξ,ψ分别为方位角参数α和俯仰角参数β的控制变量，
Figure GDA0004074166170000023
为所述第一联合矩阵，Φ(ξ,ψ)为所述第二联合矩阵，W为所述加权矩阵。
在一些实施例中，所述
Figure GDA0004074166170000024
所述
Figure GDA0004074166170000025
其中，A1,A2,A3分别表示所述L型直角阵列的三个定向天线，
Figure GDA0004074166170000026
与
Figure GDA0004074166170000027
分别表示第一基线所接收信号的第一相位差测量值和第二基线所接收信号的第二相位差测量值，
Figure GDA0004074166170000028
分别表示所述三个定向天线所述接收信号的幅度测量值，
Figure GDA0004074166170000029
与
Figure GDA00040741661700000210
分别表示第一基线所接收信号的第一相位差理论值和第二基线所接收信号的第二相位差理论值，UA1,UA2,UA3分别表示所述三个定向天线所述接收信号的幅度理论值，所述第一基线与所述第二基线相互垂直，所述理论值为通过所述L型直角阵列模型计算得到。
在一些实施例中，所述第一相位差理论值
Figure GDA00040741661700000211
和所述第二相位差理论值
Figure GDA0004074166170000037
分别为
Figure GDA0004074166170000031
所述第一幅度差理论值ln UA2-ln UA1和所述第二幅度差理论值lnUA3-ln UA1分别为
Figure GDA0004074166170000032
其中，i为定向天线的序号，i＝1,2,3，d表示第一基线与第二基线的基线长度，b表示天线3dB波束宽度，λ表示信号波长，γAi表示接收信号与定向天线Ai波束指向之间的夹角，γAi＝arccos(cosβAicosαAicosψcosξ+cosβAisinαAicosψsinξ+sinβAisinψ)，(αAi,βAi)表示定向天线Ai的波束指向。
在一些实施例中，当所述L型直角阵列的第一基线与第二基线分时测量信号相位差与幅度差时，所述加权矩阵
Figure GDA0004074166170000033
当所述第一基线与所述第二基线分时测量信号相位差与幅度差时，所述加权矩阵
Figure GDA0004074166170000034
其中，
Figure GDA0004074166170000035
分别为所述三个定向天线的相位测量误差的方差，
Figure GDA0004074166170000036
分别为所述三个定向天线的幅度测量误差的方差。
在一些实施例中，利用所述L型直角阵列分别进行比幅测向和比相测向，获得接收信号的相位差测量值和幅度差测量值，以及获得相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差，包括：利用L型直角阵列的第一基线和第二基线对信号进行比幅测向，获得所述第一基线所接收信号的第一幅度差测量值和所述第二基线所接收信号的第二幅度差测量值；利用所述L型直角阵列的第一基线和第二基线对信号进行比相测向，获得所述第一基线所接收信号的第一相位差测量值和所述第二基线所接收信号的第二相位差测量值；其中，所述第一基线和所述第二基线相互垂直；根据所述L型直角阵列中的天线为全向天线时对应的相位测向误差的方差和幅度差测量误差的方差，获得所述L型直角阵列中定向天线对应的相位测向误差的方差和幅度差测量误差的方差。
在一些实施例中，在获得所述信号的方位角和俯仰角的估计值之后，还包括：计算所述第二联合矩阵中所述方位角参数与所述俯仰角参数的偏微分，并将所述方位角和俯仰角的估计值代入偏微分处理后的所述第二联合矩阵，获得雅克比矩阵J；根据所述雅克比矩阵和所述加权矩阵W，获得测向误差的协方
Figure GDA0004074166170000041
第二方面，本发明提供了一种基于定向天线的L型直角阵列测向装置，包括：模型构建单元，构建接收信号方位角与俯仰角的角度估计模型，所述角度估计模型包括关联信号相位差测量值与幅度差测量值的第一联合矩阵，关联信号相位差理论值与幅度差理论值的第二联合矩阵和与信号方位角和信号俯仰角均无关的加权矩阵；其中，所述相位差理论值与所述幅度差理论值均包括方位角参数与俯仰角参数，所述加权矩阵关联相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差；模型参数计算单元，利用所述L型直角阵列分别进行比幅测向和比相测向，获得接收信号的相位差测量值和幅度差测量值，以及获得相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差；角度求解单元，用于将所述相位差测量值和幅度差测量值代入所述第一联合矩阵，以及将相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差代入所述加权矩阵，根据最小二乘法求解所述角度估计模型的方位角参数与俯仰角参数，获得所述信号的方位角和俯仰角的估计值。
第三方面，本发明提供了一种基于定向天线的L型直角阵列测向系统，包括：基于定向天线的L型直角阵列，接收辐射源辐射的信号并发送给处理器；存储器，存储计算机可执行指令；处理器，所述计算机可执行指令在被执行时，使所述处理器执行L型直角阵列测向方法。
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有一个或多个计算机程序，所述一个或多个计算机程序被所述测向系统的处理器执行时实现L型直角阵列测向方法。
本发明对定向天线的L型直角阵列进行比幅比相测向，利用波束可调的窄波束比幅测向实现特定区域高精度测向，在比幅测向的同时，L型直角阵列实际仍具备开展基于定向天线的比相测向，同时使用比幅和比相测向信息进行测向达到提升测向精度的效果。
附图说明
图1为本发明实施例示出的基于定向天线的L型直角阵列测向方法的流程图；
图2为本发明实施例示出的L型直角阵列模型示意图；
图3为本发明实施例示出的L型直角阵列采用比幅比相分时测量向时的测向误差等高线示意图；
图4为本发明实施例示出的L型直角阵列采用比幅分时测量向时的测向误差等高线示意图；
图5为本发明实施例示出的L型直角阵列采用比相分时测量向时的测向误差等高线示意图；
图6为本发明实施例示出的L型直角阵列采用比相同时测量向时的测向误差等高线示意图；
图7为本发明实施例示出的基于定向天线的L型直角阵列测向装置的结构框图；
图8为本发明实施例示出的基于定向天线的L型直角阵列测向系统的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。这里使用的词语“一”、“一个(种)”和“该”等也应包括“多个”、“多种”的意思，除非上下文另外明确指出。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。
因此，本发明的技术可以硬件和/或软件(包括固件、微代码等)的形式来实现。另外，本发明的技术可以采取存储有指令的机器可读介质上的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可供指令执行系统使用或者结合指令执行系统使用。在本发明的上下文中，机器可读介质可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如，机器可读介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、器件或传播介质。机器可读介质的具体示例包括：磁存储装置，如磁带或硬盘(HDD)；光存储装置，如光盘(CD-ROM)；存储器，如随机存取存储器(RAM)或闪存；和/或有线/无线通信链路。
本发明实施例提供一种基于定向天线的L型直角阵列测向方法。
图1为本发明实施例示出的基于定向天线的L型直角阵列测向方法的流程图，如图1所示，本实施例的方法包括：
S110，构建接收信号方位角与俯仰角的角度估计模型，所述角度估计模型包括关联信号相位差测量值与幅度差测量值的第一联合矩阵，关联信号相位差理论值与幅度差理论值的第二联合矩阵和与信号方位角和信号俯仰角均无关的加权矩阵；其中，相位差理论值与所述幅度差理论值均包括方位角参数与俯仰角参数，加权矩阵关联相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差。
S120，利用L型直角阵列分别进行比幅测向和比相测向，获得接收信号的相位差测量值和幅度差测量值，以及获得相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差。
S130，将相位差测量值和幅度差测量值代入第一联合矩阵，以及将相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差代入加权矩阵，根据最小二乘法求解角度估计模型的方位角参数与俯仰角参数，获得信号的方位角和俯仰角的估计值。
本实施例对定向天线的L型直角阵列进行比幅比相测向，利用波束可调的窄波束比幅测向实现特定区域高精度测向，在比幅测向的同时，L型直角阵列实际仍具备开展基于定向天线的比相测向，同时使用比幅和比相测向信息进行测向达到提升测向精度的效果。
为便于说明上述步骤S110-S130，首先说明L型直角阵列模型的构建方法。
如图2所示，本实施例定向天线A1,A2,A3构成L型直角阵列，A1位于坐标系原点O，A2与A3分别位于X轴和Y轴，第一基线A1A2、第二基线A1A3的基线长度均为d。来波方向P在XOY平面的投影P’与原点O的连线与X轴正向夹角为α，OP与OP’夹角为β，根据上述角度定义方位角与俯仰角(α,β)，本实施例定义P的来波方向为(α,β)。本实施例，定向天线A1,A2,A3的波束指向分别记为(αA1,βA1)、(αA2,βA2)和(αA3,βA3)。
如图2所示，对于来波方向P，第一基线与第二基线接收信号的相位差理论值分别为：
Figure GDA0004074166170000071
在公式(1)中，d表示第一基线与第二基线的基线长度，λ表示信号波长。
在一些实施例中，定向天线A1,A2,A3均采用相同的具有高斯型方向图的天线，即其接收的信号幅度分别为：
Figure GDA0004074166170000072
在公式(2)中，i为定向天线的序号，G表示天线增益，b表示天线3dB波束宽度，γAi表示接收信号与定向天线Ai波束指向之间的夹角，UAi表示定向天线Ai对应的幅度理论值。其中，γAi为：
γAi＝arccos(cosβAicosαAicosβcosα+cosβAisinαAicosβsinα+sinβAisinβ) (3)
在公式(3)中，(αAi,βAi)表示第i个定向天线Ai的波束指向。
根据公式(2)，可以得到第一基线与第二基线对应的幅度差理论值分别为：
Figure GDA0004074166170000081
在公式(3)中，lnΔUAi表示定向天线Ai的幅度测向误差。
在实际测量过程中，无论是相位差还是幅度差均有测量误差，即第一基线与第二基线对应的相位差理论值与相位差测量值之间满足为：
Figure GDA0004074166170000082
第一基线与第二基线对应的幅度差理论值与幅度差测量值之间满足为：
Figure GDA0004074166170000083
在公式(5)～(6)中，
Figure GDA0004074166170000084
分别表示第一基线与第二基线的相位差测向误差，ΔUAi表示定向天线Ai的幅度测量误差。
可以理解的是，本实施例中所涉及的理论值，例如相位差理论值
Figure GDA0004074166170000085
幅度差理论值lnUA2-lnUA1 lnUA3-lnUA1以及幅度理论值UAi，均是指基于图2所示的L型直角阵列模型计算得到的数值，即理论值为通过模型计算得到，而测量值是基于测量得到。
在建立L型直角阵列模型，并计算得到相位差理论值、幅度差理论值之后，可以结合图2-6，对上述步骤S110-S130进行详细说明。
首先，执行步骤S110，即构建接收信号方位角与俯仰角的角度估计模型，所述角度估计模型包括关联信号相位差测量值与幅度差测量值的第一联合矩阵，关联信号相位差理论值与幅度差理论值的第二联合矩阵和与信号方位角和信号俯仰角均无关的加权矩阵；其中，相位差理论值与所述幅度差理论值均包括方位角参数与俯仰角参数，加权矩阵关联相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差。
本实施例中的角度估计模型为：
Figure GDA0004074166170000091
在公式(5)中，
Figure GDA0004074166170000092
分别为方位角参数α和俯仰角参数β的估计值，ξ,ψ分别为方位角参数α和俯仰角参数β的控制变量，
Figure GDA0004074166170000093
为第一联合矩阵，Φ(ξ,ψ)为第二联合矩阵，W为加权矩阵。
在一些实施例中，有：
Figure GDA0004074166170000094
Figure GDA0004074166170000095
                                                         
Figure GDA0004074166170000101
公式(6)可以简写为：
Figure GDA0004074166170000102
在公式(6)中，
Figure GDA0004074166170000103
由于公式(7)中，W是与方位角参数α无关的加权矩阵，当Σ＝cov{ΔΦ}可逆时，W＝Σ-1可使角度估计模型的残差最小，其中cov{·}为协方差矩阵算符。
由此，在一些实施例中，当L型直角阵列的第一基线与第二基线分时测量信号相位差与幅度差时，加权矩阵为：
Figure GDA0004074166170000104
当所述第一基线与所述第二基线分时测量信号相位差与幅度差时，加权矩阵为：
Figure GDA0004074166170000105
在公式(10)～(11)中，
Figure GDA0004074166170000106
分别为三个定向天线的相位测量误差的方差，
Figure GDA0004074166170000107
分别为三个定向天线的幅度测量误差的方差。
在建立角度估计模型之后，继续执行步骤S120，即利用L型直角阵列分别进行比幅测向和比相测向，获得接收信号的相位差测量值和幅度差测量值，以及获得相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差。
在一些实施例中，通过下述方法获得相位差测量值和幅度差测量值：首先利用L型直角阵列的第一基线和第二基线对信号进行比幅测向，获得所述第一基线所接收信号的第一幅度差测量值和所述第二基线所接收信号的第二幅度差测量值；然后利用所述L型直角阵列的第一基线和第二基线对信号进行比相测向，获得所述第一基线所接收信号的第一相位差测量值和所述第二基线所接收信号的第二相位差测量值；其中，所述第一基线和所述第二基线相互垂直。
在一些实施例中，通过下述方法获得相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差：根据所述L型直角阵列中的天线为全向天线时对应的相位测向误差的方差和幅度差测量误差的方差，获得所述L型直角阵列中定向天线对应的相位测向误差的方差和幅度差测量误差的方差。
在一个示例中，根据公知技术，可以得到：
Figure GDA0004074166170000111
在公式(12)中，∝运算符表示“正比于”，SNRi表示定向天线Ai接收信号的信噪比。
假设采用全向天线时，相位测量误差方差与幅度测量误差方差为
Figure GDA0004074166170000112
则定向天线Ai的相位测向误差的方差和幅度差测量误差的方差为：
Figure GDA0004074166170000113
在获得相位差测量值和幅度差测量值以及相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差之后，继续执行步骤S130，即将相位差测量值和幅度差测量值代入第一联合矩阵，以及将相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差代入加权矩阵，根据最小二乘法求解角度估计模型的方位角参数与俯仰角参数，获得信号的方位角和俯仰角的估计值。
在一些实施例中通过下述方法获得测向误差：计算所述第二联合矩阵中所述方位角参数与所述俯仰角参数的偏微分，并将所述方位角和俯仰角的估计值代入偏微分处理后的所述第二联合矩阵，获得雅克比矩阵J；根据所述雅克比矩阵和所述加权矩阵W，获得测向误差的协方差矩阵(JTΣ-1J)-1；根据所述测向误差的协方差矩阵(JTΣ-1J)-1，获得所述L型直角阵列的测向误差的方差
Figure GDA0004074166170000121
其中，
Figure GDA0004074166170000122
Figure GDA0004074166170000123
分别表示所述协方差矩阵的第一对角元素和第二对角元素。
结合本实施例，假设
Figure GDA0004074166170000124
那么可以得到：
Figure GDA0004074166170000125
在公式(14)中，Δα,Δβ为方位角和俯仰角的测量误差，o(Δα,Δβ)为与Δα,Δβ高阶量有关，J为雅克比矩阵。
其中，雅克比矩阵J为：
Figure GDA0004074166170000126
公式(15)中，
Figure GDA0004074166170000127
将公式(14)代入公式(9)可以得到：
Figure GDA0004074166170000128
在公式(16)中，ΔΦ0＝ΔΦ+o(Δα,Δβ)。
由于Σ＝cov{ΔΦ}为正定矩阵，则测量误差矢量
Figure GDA0004074166170000131
的协方差矩阵为：
Figure GDA0004074166170000132
根据公式(17)的结果，对于某一来波方向(α,β)，本实施例L型直角阵列的测向误差方差为：
Figure GDA0004074166170000133
为详细说明本实施例单基线干涉仪测向方法的有益效果，本发明通过下述实施例进行说明。
本实施例在一个典型场景下的应用示例以演示本发明所公开方法的应用效果。不失一般性，假定天线A1的波束指向为(α1＝35°,β1＝57°)、(α2＝55°,β2＝70°)、(α3＝55°,β3＝50°)，假设天线波束正对是接收信号的信噪比为20dB，基线波长比
Figure GDA0004074166170000134
波束宽度b＝20°，则根据式(18)，图3示出了分时接收体制下各来波方向上的测向误差标准差。作为比较，图4和图5分别示出了基于比幅测向的各来波方向上的测向误差标准差及基于比相测向的各来波方向上的测向误差标准差。由图3-5结果可见，比幅比相测向体制有助于提升测向精度，且扩大高精度测向范围(如测向误差标准差≤5°的范围)。图6示出了基于同时接收体制的比幅比相测向的各来波方向上的测向误差标准差，可见相对于分时接收体制，同时接收能进一步提升高精度测向区范围。
本发明实施例还提供了一种基于定向天线的L型直角阵列测向装置。
图7为本发明实施例示出的基于定向天线的L型直角阵列测向装置的结构框图，如图7所示，本实施例的装置包括：
模型构建单元，构建接收信号方位角与俯仰角的角度估计模型，所述角度估计模型包括关联信号相位差测量值与幅度差测量值的第一联合矩阵，关联信号相位差理论值与幅度差理论值的第二联合矩阵和与信号方位角和信号俯仰角均无关的加权矩阵；其中，所述相位差理论值与所述幅度差理论值均包括方位角参数与俯仰角参数，所述加权矩阵关联相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差；
模型参数计算单元，利用所述L型直角阵列分别进行比幅测向和比相测向，获得接收信号的相位差测量值和幅度差测量值，以及获得相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差；
角度求解单元，用于将所述相位差测量值和幅度差测量值代入所述第一联合矩阵，以及将相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差代入所述加权矩阵，根据最小二乘法求解所述角度估计模型的方位角参数与俯仰角参数，获得所述信号的方位角和俯仰角的估计值。
本实施例对定向天线的L型直角阵列进行比幅比相测向，利用波束可调的窄波束比幅测向实现特定区域高精度测向，在比幅测向的同时，L型直角阵列实际仍具备开展基于定向天线的比相测向，同时使用比幅和比相测向信息进行测向达到提升测向精度的效果。
在一些实施例中，模型参数计算单元包括：
幅度差计算模块，利用L型直角阵列的第一基线和第二基线对信号进行比幅测向，获得所述第一基线所接收信号的第一幅度差测量值和所述第二基线所接收信号的第二幅度差测量值；
相位差计算模块，利用所述L型直角阵列的第一基线和第二基线对信号进行比相测向，获得所述第一基线所接收信号的第一相位差测量值和所述第二基线所接收信号的第二相位差测量值；其中，所述第一基线和所述第二基线相互垂直；
测量误差方差计算模块，根据所述L型直角阵列中的天线为全向天线时对应的相位测向误差的方差和幅度差测量误差的方差，获得所述L型直角阵列中定向天线对应的相位测向误差的方差和幅度差测量误差的方差。
在一些实施例中，图7所示的装置还包括：误差评估单元；
误差评估单元，计算所述第二联合矩阵中所述方位角参数与所述俯仰角参数的偏微分，并将所述方位角和俯仰角的估计值代入偏微分处理后的所述第二联合矩阵，获得雅克比矩阵J；根据所述雅克比矩阵和所述加权矩阵W，获得测向误差的协方差矩阵(JTΣ-1J)-1；根据所述测向误差的协方差矩阵(JTΣ-1J)-1，获得所述L型直角阵列的测向误差的方差
Figure GDA0004074166170000141
其中，
Figure GDA0004074166170000151
Figure GDA0004074166170000152
分别表示所述协方差矩阵的第一对角元素和第二对角元素。
对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本发明实施例还提供了一种基于定向天线的L型直角阵列测向系统。
图8为本发明实施例示出的基于定向天线的L型直角阵列测向系统的结构示意图，如图8所示，在硬件层面，该测向系统包括处理器，可选地还包括内部总线、网络接口、存储器。其中，存储器可能包含内存，例如高速随机存取存储器(Random-Access Memory，RAM)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器等。当然，该测向系统还可能包括其他业务所需要的硬件，如基于定向天线的L型直角阵列，L型直角阵列接收辐射源辐射的信号并发送给处理器。
处理器、网络接口和存储器可以通过内部总线相互连接，该内部总线可以是ISA(Industry Standard Architecture，工业标准体系结构)总线、PCI(PeripheralComponent Interconnect，外设部件互连标准)总线或EISA(Extended Industry StandardArchitecture，扩展工业标准结构)总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图8中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
存储器，用于存放程序。具体地，程序可以包括程序代码，所述程序代码包括计算机可执行指令。存储器可以包括内存和非易失性存储器，并向处理器提供指令和数据。
处理器从非易失性存储器中读取对应的计算机程序到内存中然后运行，在逻辑层面上形成测向装置。处理器，执行存储器所存放的程序实现如上文描述的基于定向天线的L型直角阵列测向方法。
上述如本说明书图8所示实施例揭示的基于定向天线的L型直角阵列测向装置执行的方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上文描述的测向方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field－Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本说明书实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本说明书实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成图1所示的基于定向天线的L型直角阵列测向方法步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质。
该计算机可读存储介质存储一个或多个计算机程序，该一个或多个计算机程序包括指令，该指令当被测向系统的处理器执行时，能够实现图1所示的基于定向天线的L型直角阵列测向方法。
为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于定向天线的L型直角阵列测向方法，其特征在于，包括：
构建接收信号方位角与俯仰角的角度估计模型，所述角度估计模型包括关联信号相位差测量值与幅度差测量值的第一联合矩阵，关联信号相位差理论值与幅度差理论值的第二联合矩阵和与信号方位角和信号俯仰角均无关的加权矩阵；其中，所述相位差理论值与所述幅度差理论值均包括方位角参数与俯仰角参数，所述加权矩阵关联相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差；
利用所述L型直角阵列分别进行比幅测向和比相测向，获得接收信号的相位差测量值和幅度差测量值，以及获得相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差；
将所述相位差测量值和幅度差测量值代入所述第一联合矩阵，以及将相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差代入所述加权矩阵，根据最小二乘法求解所述角度估计模型的方位角参数与俯仰角参数，获得所述信号的方位角和俯仰角的估计值；
所述角度估计模型为：
Figure FDA0004074166160000011
其中，
Figure FDA0004074166160000012
分别为方位角参数α和俯仰角参数β的估计值，ξ,ψ分别为方位角参数α和俯仰角参数β的控制变量，
Figure FDA0004074166160000013
为所述第一联合矩阵，Φ(ξ,ψ)为所述第二联合矩阵，W为所述加权矩阵；
所述
Figure FDA0004074166160000014
所述
Figure FDA0004074166160000015
其中，A1,A2,A3分别表示所述L型直角阵列的三个定向天线，定向天线A1,A2,A3构成L型直角阵列，A1位于坐标系原点O，A2与A3分别位于X轴和Y轴，
Figure FDA0004074166160000016
与
Figure FDA0004074166160000017
分别表示第一基线所接收信号的第一相位差测量值和第二基线所接收信号的第二相位差测量值，
Figure FDA0004074166160000018
分别表示所述三个定向天线所述接收信号的幅度测量值，
Figure FDA0004074166160000021
与
Figure FDA0004074166160000022
分别表示第一基线所接收信号的第一相位差理论值和第二基线所接收信号的第二相位差理论值，UA1,UA2,UA3分别表示所述三个定向天线所述接收信号的幅度理论值，所述第一基线与所述第二基线相互垂直，所述理论值为通过所述L型直角阵列模型计算得到。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一相位差理论值
Figure FDA0004074166160000023
和所述第二相位差理论值
Figure FDA0004074166160000024
分别为
Figure FDA0004074166160000025
第一幅度差理论值lnUA2-lnUA1和第二幅度差理论值lnUA3-lnUA1分别为
Figure FDA0004074166160000026
其中，i为定向天线的序号，i＝1,2,3，d表示第一基线与第二基线的基线长度，b表示天线3dB波束宽度，λ表示信号波长，γAi表示接收信号与定向天线Ai波束指向之间的夹角，γAi＝arccos(cosβAicosαAicosψcosξ+cosβAisinαAicosψsinξ+sinβAisinψ)，(αAi,βAi)表示定向天线Ai的波束指向。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
当所述L型直角阵列的第一基线与第二基线分时测量信号相位差与幅度差时，所述加权矩阵
Figure FDA0004074166160000027
当所述第一基线与所述第二基线分时测量信号相位差与幅度差时，所述加权矩阵
Figure FDA0004074166160000031
其中，
Figure FDA0004074166160000032
分别为所述三个定向天线的相位测量误差的方差，
Figure FDA0004074166160000033
分别为所述三个定向天线的幅度测量误差的方差。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述L型直角阵列分别进行比幅测向和比相测向，获得接收信号的相位差测量值和幅度差测量值，以及获得相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差，包括：
利用L型直角阵列的第一基线和第二基线对信号进行比幅测向，获得所述第一基线所接收信号的第一幅度差测量值和所述第二基线所接收信号的第二幅度差测量值；
利用所述L型直角阵列的第一基线和第二基线对信号进行比相测向，获得所述第一基线所接收信号的第一相位差测量值和所述第二基线所接收信号的第二相位差测量值；其中，所述第一基线和所述第二基线相互垂直；
根据所述L型直角阵列中的天线为全向天线时对应的相位测向误差的方差和幅度差测量误差的方差，获得所述L型直角阵列中定向天线对应的相位测向误差的方差和幅度差测量误差的方差。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在获得所述信号的方位角和俯仰角的估计值之后，还包括：
计算所述第二联合矩阵中所述方位角参数与所述俯仰角参数的偏微分，并将所述方位角和俯仰角的估计值代入偏微分处理后的所述第二联合矩阵，获得雅克比矩阵J；
根据所述雅克比矩阵和所述加权矩阵W，获得测向误差的协方差矩阵(JTΣ-1J)-1；
根据所述测向误差的协方差矩阵(JTΣ-1J)-1，获得所述L型直角阵列的测向误差的方差
Figure FDA0004074166160000034
其中，
Figure FDA0004074166160000035
Figure FDA0004074166160000036
分别表示所述协方差矩阵的第一对角元素和第二对角元素。
6.一种基于定向天线的L型直角阵列测向装置，其特征在于，包括：
模型构建单元，构建接收信号方位角与俯仰角的角度估计模型，所述角度估计模型包括关联信号相位差测量值与幅度差测量值的第一联合矩阵，关联信号相位差理论值与幅度差理论值的第二联合矩阵和与信号方位角和信号俯仰角均无关的加权矩阵；其中，所述相位差理论值与所述幅度差理论值均包括方位角参数与俯仰角参数，所述加权矩阵关联相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差；所述角度估计模型为：
Figure FDA0004074166160000041
Figure FDA0004074166160000042
分别为方位角参数α和俯仰角参数β的估计值，ξ,ψ分别为方位角参数α和俯仰角参数β的控制变量，
Figure FDA0004074166160000043
为所述第一联合矩阵，Φ(ξ,ψ)为所述第二联合矩阵，W为所述加权矩阵；所述
Figure FDA0004074166160000044
所述
Figure FDA0004074166160000045
A1,A2,A3分别表示所述L型直角阵列的三个定向天线，定向天线A1,A2,A3构成L型直角阵列，A1位于坐标系原点O，A2与A3分别位于X轴和Y轴，
Figure FDA0004074166160000046
与
Figure FDA0004074166160000047
分别表示第一基线所接收信号的第一相位差测量值和第二基线所接收信号的第二相位差测量值，
Figure FDA0004074166160000048
分别表示所述三个定向天线所述接收信号的幅度测量值，
Figure FDA0004074166160000049
与
Figure FDA00040741661600000410
分别表示第一基线所接收信号的第一相位差理论值和第二基线所接收信号的第二相位差理论值，UA1,UA2,UA3分别表示所述三个定向天线所述接收信号的幅度理论值，所述第一基线与所述第二基线相互垂直，所述理论值为通过所述L型直角阵列模型计算得到；
模型参数计算单元，利用所述L型直角阵列分别进行比幅测向和比相测向，获得接收信号的相位差测量值和幅度差测量值，以及获得相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差；
角度求解单元，用于将所述相位差测量值和幅度差测量值代入所述第一联合矩阵，以及将相位测量误差的方差和幅度测量误差的方差代入所述加权矩阵，根据最小二乘法求解所述角度估计模型的方位角参数与俯仰角参数，获得所述信号的方位角和俯仰角的估计值。
7.一种基于定向天线的L型直角阵列测向系统，其特征在于，包括：
基于定向天线的L型直角阵列，接收辐射源辐射的信号并发送给处理器；
存储器，存储计算机可执行指令；
处理器，所述计算机可执行指令在被执行时，使所述处理器执行如权利要求1-5任一项所述的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有一个或多个计算机程序，所述一个或多个计算机程序被测向系统的处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述的方法。
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