CN110286354A - 多目标检测和区分的方法、装置和计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全球导航卫星系统(GNSS)无源探测定位中的多目标检测和区分的方法、装置和计算机可读存储介质，其中方法包括：探测接收机分别接收各GNSS卫星直达信号和反射信号，解调获得卫星星历，进行直达信号和反射信号伪距测量；统计其中具有相同卫星伪随机噪声码或标识号的有效反射信号数量，判断探测范围内的目标个数；对反射信号进行假设组合，分别构建到达时间差观测方程组；计算各到达时间差观测方程组所对应的定位后伪距差残差平方和，实现对各目标反射信号的鉴别和区分。本发明的方案降低了对探测设备特别是天线接收系统的硬件要求。

Description

多目标检测和区分的方法、装置和计算机可读存储介质

技术领域

本发明一般地涉及卫星导航定位及GNSS-R(“Global Navigation SatelliteSystem(GNSS)-reflectometry”，全球导航卫星系统反射测量)遥感探测领域。更具体地，本发明涉及GNSS无源探测定位中的多目标检测区分方法和装置。

背景技术

空间目标探测定位体制主要可分为有源和无源两种。有源定位利用主动发射的无线电、激光、声纳等介质手段来探测目标并进行定位，具有高精度、高机动和一定的全天候等优点，然而通常需要发射大功率探测信号，因此隐蔽性较差，且对周围地区存在电磁污染。

无源定位可克服有源定位的上述缺点，它不主动发射信号，而是利用目标本身电磁辐射或第三方辐射源完成探测、跟踪和定位。对于前一种方式，需要目标本身即为辐射源或携带辐射源，因此适用探测的目标有限。相比之下，利用第三方辐射源能够有效提升系统被动探测能力，可用的辐射源包括周边地区地面广播、通讯、电视信号，以及空间中已知频率的商业通信卫星(随着几大国际通信卫星计划的实施，未来将有超过1000颗商业通信卫星在轨)、GNSS导航卫星等。此时，天线接收来自第三方辐射源的直达波信号，以及辐射源照射目标后形成的反射或散射波信号，处理消除无用信息和噪声干扰，得到到达时间、载波相位(差)、多普勒频移、入射波方位角等各类观测量，并进而完成对目标的定位。

无源定位由于自身不对外发射信号，因此隐蔽性好、生存能力强。同时，由于很多第三方照射源工作频率较低，因此系统具有较强的反隐身能力，有利于对隐身飞机、超低空飞行器及巡航导弹等目标的探测。

与利用地面广播、通讯及电视发射台等辐射源相比，利用通信卫星、导航卫星等星载辐射源的被动探测手段信号覆盖范围更广，可有效弥补地基外辐射源探测系统覆盖范围不足的问题。目前，国内外已经开始对此类外辐射源雷达系统进行深入研究。

利用GNSS导航卫星信号作为外部辐射源，结合高增益天线及高灵敏度数字接收机，捕获和跟踪来自多颗GNSS卫星的直达信号以及照射目标后形成的回波反射信号，检出两者到达伪距差，基于TDOA模型建立联合观测方程组，能够实现对目标的被动三维定位。然而，由于导航卫星数量众多，因此在多目标环境下每颗卫星会照射多个探测目标并形成多个具有相同伪随机噪声(PRN)码或卫星标识(ID)号的反射信号，这种交叉重复性会导致难以检测和区别多目标对象，限制了系统多目标定位能力。利用多元干涉阵列进行角度测量或利用相控阵天线进行窄波束数字扫描能够解决这一难题，但技术难度与实现代价较大。

发明内容

在一个方面中，本发明提供一种全球导航卫星系统(GNSS)无源探测定位中的多目标检测和区分的方法，包括：

探测接收机分别接收各GNSS卫星直达信号和反射信号，解调获得卫星星历，进行直达信号和反射信号伪距测量；

统计其中具有相同卫星伪随机噪声码或标识号的有效反射信号数量，判断探测范围内的目标个数；

对反射信号进行假设组合，分别构建到达时间差观测方程组；

计算各到达时间差观测方程组所对应的定位后伪距差残差平方和，实现对各目标反射信号的鉴别和区分。

在一个实施例中，将伪距差残差平方和与既定门限值相比较，并且将小于所述既定门限值的伪距差残差平方和所对应的假设组合作为正确的匹配结果。

在另一个实施例中，其中当无法确定用于伪距差残差平方和的门限值时，将伪距差残差平方和中的最小值所对应的假设组合作为正确的匹配结果。

在另一个方面中，本发明提供一种全球导航卫星系统(GNSS)无源探测定位中的多目标检测和区分的装置，包括：

信号收发器，用于接收各GNSS卫星直达信号和反射信号；

处理器，

存储器，用于存储可由所述处理器执行的计算机指令，并且当由所述处理器执行时，使得所述装置：

解调获得卫星星历，进行直达信号和反射信号伪距测量；

统计其中具有相同卫星伪随机噪声码或标识号的有效反射信号数量，判断探测范围内的目标个数；

对反射信号进行假设组合，分别构建到达时间差观测方程组；

计算各到达时间差观测方程组所对应的定位后伪距差残差平方和，实现对各目标反射信号的鉴别和区分。

在一个实施例中，其中当计算机指令由所述处理器执行时，进一步使得所述装置：

将伪距差残差平方和与既定门限值相比较，并且将小于所述既定门限值的伪距差残差平方所对应的假设组合作为正确的匹配结果。

在又一个实施例中，其中当计算机指令由所述处理器执行时，进一步使得所述装置：

当无法确定用于伪距差残差平方和的门限值时，将伪距差残差平方和中的最小值所对应的假设组合作为正确的匹配结果。

在一个方面中，本发明提供一种计算机可读存储介质，包括用于全球导航卫星系统(GNSS)无源探测定位中的多目标检测和区分的程序，当程序由处理器运行时，执行以下的操作：

分别接收各GNSS卫星直达信号和反射信号，解调获得卫星星历，进行直达信号和反射信号伪距测量；

统计其中具有相同卫星伪随机噪声码或标识号的有效反射信号数量，判断探测范围内的目标个数；

对反射信号进行假设组合，分别构建到达时间差观测方程组；

计算各到达时间差观测方程组所对应的定位后伪距差残差平方和，实现对各目标反射信号的鉴别和区分。

在一个实施例中，其中当程序由所述处理器执行时，进一步执行以下的操作：

将伪距差残差平方和与既定门限值相比较，并且将小于所述既定门限值的伪距差残差平方所对应的假设组合作为正确的匹配结果。

在又一个实施例中，其中当程序由所述处理器执行时，进一步执行以下的操作：

当无法确定用于伪距差残差平方和的门限值时，将伪距差残差平方和中的最小值所对应的假设组合作为正确的匹配结果。

通过利用本发明的方法、装置和计算机可读存储介质，可以实现高效的各目标反射信号的检测和区分，简化检测和区分的过程，并且提高了检测和区分的准确性。另外，本发明的方案也降低了对探测设备特别是天线接收系统的硬件要求。

附图说明

通过阅读仅作为示例提供并且参考附图进行的以下描述，将更好地理解本发明及其优点，其中：

图1是示出根据本发明实施例的GNSS-R多目标探测环境的示意图；

图2是示出根据本发明实施例的GNSS-R TDOA定位模型的示意图；

图3是示出根据本发明的实施例的多目标检测与区分的流程示意图；以及

图4和图5是分别示出根据本发明的实施例的多目标检测结果的示意图。

具体实施方式

本发明总体上提出利用GNSS导航卫星作为外部辐射信号源开展空地目标被动探测时，对探测范围内的多观测目标进行检测和区分的方法、装置和计算机可读存储介质。

本发明的方案以故障检测与排除(“Fault Detection and Exclusion”，FDE) 和接收机自主完好性监测(“Receiver Autonomous Integrity Monitoring”， RAIM)理论为基础。RAIM是故障检测与排除(“Fault Detection and Exclusion”，FDE)理论在卫星导航定位中的应用，其本质在于：一、判断一组测量数据中是否含有错误值；二、如果有，则进一步判断哪个测量值是错误的。通常做法是通过构筑、计算一个或多个测试量，将其与预先设定的门限值进行比较：若测试量超过门限值，认为测量数据组中存在错误的测量值；否则，认为测量值正常。

当将这一理论拓展用于多目标探测的检测和区别，本发明的方案首先利用探测接收机接收各直达信号及有效反射信号，并针对多个反射信号进行假设组合，然后构建各到达时间差(“Time Difference of Arrival”，TDOA) 观测方程，并对观测方程组的定位后伪距差残差平方和等检测指标进行计算和分析，从而实现对多探测目标的鉴别。本发明的方案可以实现对多探测目标的检测和区分，降低了对GNSS无源探测线接收系统的硬件要求。

下面将结合附图通过对上述步骤的具体描述来阐述本发明的方案。

1、接收直达及反射信号并进行假设组合

假设某一观测历元，接收机探测范围内的空间目标数量为m，导航辐射源数量为n。那么，每颗卫星均可能照射多个空间目标并形成反射信号，接收机最多将接收到m×n个有效反射信号。如附图1所示，不同信号来自不同的卫星，接收机探测范围内的空间目标数量为3，即目标1、目标2 和目标3，而卫星1、2、3分别照射目标1、2和3，并在接收机处形成3×3个有效反射信号。接收机将可能分别接收到被目标1反射的卫星1、2、3 的信号，被目标2反射的卫星1、2、3的信号，以及被目标3反射的卫星 1、2、3的信号。

2、构建TDOA观测方程组

如附图2所示，接收天线R、目标T和GNSS卫星S_i(i＝1，2，…，n)的空间坐标分别为(x_R，y_R，z_R)、(x_T，y_T，z_T)和卫星S_i的直达信号伪距测量值为ρ_i，反射信号伪距测量值为ρ′_i；卫星S_i至目标T的几何距离为L_i，至接收天线R的直视距离为D_i；目标T至接收天线R的几何距离为D。

首先，计算得到直达信号与反射信号的伪距差Δρ_i：

Δρ_i＝ρ_i-ρ′_i(i＝1，2，…，n) (1)

在不考虑大气传播残余误差的情况下，Δρ_i等于直达路径与反射路径的几何距离之差，因此有：

Δρ_i＝L₁+D-D_i (2)

即：

其中可利用接收机与各GNSS卫星的已知坐标位置计算得到；c为光速。

在式(2)与式(3)中，利用伪距单差形式消除了GNSS卫星轨道误差、卫星原子钟钟差及探测接收机钟差Δt等系统偏差，部分消除了信号在传播过程中的电离层、对流层等大气延时误差(公共误差部分)。卫星坐标利用广播星历实时计算获得，接收机坐标通过GNSS正常定位获得，接收机钟差参数Δt被作差消除，因此观测方程中仅剩3个坐标位置未知数(x_T，y_T，z_T)，通过观测3颗以上GNSS卫星及其有效反射信号即能对其泰勒线性化展开后迭代求解(注意，开展RAIM检测需要更多的冗余观测卫星)，获得目标三维坐标。

式(3)经线性化展开后可整理为：

其中，为探测目标迭代计算开始的近似坐标位置；为卫星至目标近似位置的计算距离；为探测接收机至目标近似位置的计算距离。

在此基础上，通过分别测量直达与反射信号多普勒频率，获得直达与反射信号伪距变化率之差可同理构建得到目标三维速度的观测方程：

其线性方程形式同理有：

上述距离与速度测量方程可联立共同求解，矩阵形式记为：

GΔx＝b (7)

式中，系数矩阵G为：

未知数向量Δx为：

观测量向量b为：

3、构建检测量并进行多目标检测

式(7)中，定位前伪距差残余向量b中各分量等于与目标位置相对应的伪距差计算值减去接收机实际测得的伪距差测量值。通过求解式(7) 可得到定位解算后的伪距差残余向量其相应的残余平方加权和(WSSE) ε_WSSE定义为：

即标量ε_WSSE等于加权后的残余向量的长度平方。其中，C＝W^TW，W为测量权重矩阵，可通过对伪距差测量值误差的估算(利用信噪比、仰角等参数)确定取值。

实际上，并不一定需要先解出位置解后才能计算定位后伪距差残余假定式(7)经一次迭代后即可收敛，则其加权最小二乘(WLS)解可表达为：

因此，定位后残余向量为：

其中，S＝I-G(G^TCG)^-1G^TC为转换矩阵。式(13)表明无需求解定位方程组即可通过系数矩阵G将定位前残余b直接转换为定位后残余从而减小运算量。

WLS解可使得加权残余中各分量的平方和ε_WSSE最小，ε_WSSE值的大小体现了各测量值之间的一致性程度，可作为多目标检测和区别的依据。

需要指出的是，若假设各伪距差测量误差之间呈相对独立且为零均值的正态分布，则由于WLS解算中有三个独立有效的控制方程(其余为冗余观测)，因此ε_WSSE呈自由度(DOF)为N-3的χ²分布，其中N为卫星测量值个数。

实际上，由于RAIM算法不仅能够判断测量数据中是否含有错误值，还能进一步判断哪个测量值是错误的，因此无需对所有组合数进行穷举检测。例如，一种具体的判断方法可以是计算各伪距差定位后残余Z_i与转换矩阵Si对应位置元素的比值Z_i/S_i，并认为Z_i/S_i最大值所对应的测量值匹配错误。其中，Z_i代表第i行值的平方，S_i代表S矩阵第i行第i列的值(即 S矩阵对角线上对应第i颗卫星的值)。综上，该多目标检测算法基本流程如附图3所示，下面将结合图3来描述该流程。

在步骤301处，确定假设组合，即对来自各目标的有效反射信号进行假设组合。在步骤302处，计算S矩阵及定位后伪距差残余向量如式 (13)所示。接着，流程前进到步骤303，此处计算残余平方加权和，进而得到检测量ε_WSSE。在步骤304处，判断ε_WSSE是否小于门限值T_WSSE。当确定小于门限值T_WSSE时，在流程前进到步骤305，此处，检测结束，可以确认已获得正确的反射信号匹配结果。当确定ε_WSSE大于或等于门限值T_WSSE时，则流程前进到步骤306，此处，确定当S_i＞0情况下，Z_i/S_i的最大值所对应的卫星i。如果没有找到对应的卫星i，则流程前进到步骤307，此处可以确定已经不存在与某颗卫星对应的S_i＞0的值，由此在步骤308处，可以认为检测结束，并且选择具有最小值ε_WSSE的组合作为反射信号匹配结果。如果在步骤306处找到最大值所对应的卫星i时，则在步骤309处，置换第i颗卫星的反射信号伪距测量值。此后，流程返回到步骤302。

4、仿真计算与验证

仿真由实测数据与生成数据相结合的方式给出。GNSS卫星广播星历电文、C/A码伪距测量值等原始测量值通过导航接收机实际输出，且已知伪距均方误差1σ＝2m；在此基础上，给定两个相距一定距离的空间目标A、 B，并以1σ＝7.9m的均方误差随机生成反射信号伪距测量值。

由于共存在4颗卫星和2个探测目标，因此接收机在每个观测历元最多将接收8个有效反射信号，其中每两个反射信号对应一个相同的卫星ID (或PRN)号。

为验证方法效果，依次将两目标A、B之间距离由远及近设置为250m、 200m、150m、100m、50m，并分别计算得到当目标和反射信号正确及错误匹配时的定位后伪距差残余平方和ε_WSSE，结果如图4所示。根据目标间距离的不同，其检测成功率(统计每个历元的检测结果得到)如图5所示。

通过上述结合附图的详细描述，本领域技术人员可以理解本发明实际上提出基于RAIM理论对观测方程组开展加权最小二乘或奇偶空间矢量正直性检测。通过利用由于错误的反射信号匹配结果会导致伪距差残余或加权最小二乘平方和残余(Weighted SumSquared Error，WSSE)增大或超出门限的属性，从而实现反射信号与探测目标之间的正确匹配，完成多目标的检测与区分。

本发明的方案可以由计算机软件、硬件或软硬件结合来实现，并且执行本发明方案的计算机指令可以存储在计算机可读存储介质上。因此，在一个方面中，本发明还提供用于实现上述检测和区分的装置和计算机可读存储介质。当装置或计算机可读存储介质在运行时，可以实施本发明如上所述的各个步骤，例如结合图3所描述的流程。

虽然本发明所实施的方式如上，但所述内容只是为便于理解本发明而采用的实施例，并非用以限定本发明的范围和应用场景。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种全球导航卫星系统(GNSS)无源探测定位中的多目标检测和区分的方法，包括：

探测接收机分别接收各GNSS卫星直达信号和反射信号，解调获得卫星星历，进行直达信号和反射信号伪距测量；

统计其中具有相同卫星伪随机噪声码或标识号的有效反射信号数量，判断探测范围内的目标个数；

对反射信号进行假设组合，分别构建到达时间差观测方程组；

计算各到达时间差观测方程组所对应的定位后伪距差残差平方和，实现对各目标反射信号的鉴别和区分。

2.根据权利要求1所述的方法，其中将伪距差残差平方和与既定门限值相比较，并且将小于所述既定门限值的距差残差平方和所对应的假设组合作为正确的匹配结果。

3.根据权利要求1所述的方法，其中当无法确定用于伪距差残差平方和的门限值时，将伪距差残差平方和中的最小值所对应的假设组合作为正确的匹配结果。

4.一种全球导航卫星系统(GNSS)无源探测定位中的多目标检测和区分的装置，包括：

信号收发器，用于接收各GNSS卫星直达信号和反射信号；

处理器，

存储器，用于存储可由所述处理器执行的计算机指令，并且当由所述处理器执行时，使得所述装置

解调获得卫星星历，进行直达信号和反射信号伪距测量；

统计其中具有相同卫星伪随机噪声码或标识号的有效反射信号数量，判断探测范围内的目标个数；

对反射信号进行假设组合，分别构建到达时间差观测方程组；

计算各到达时间差观测方程组所对应的定位后伪距差残差平方和，实现对各目标反射信号的鉴别和区分。

5.根据权利要求1所述的装置，其中当计算机指令由所述处理器执行时，进一步使得所述装置：

将伪距差残差平方和与既定门限值相比较，并且将小于所述既定门限值的伪距差残差平方和所对应的假设组合作为正确的匹配结果。

6.根据权利要求1所述的装置，其中当计算机指令由所述处理器执行时，进一步使得所述装置：

当无法确定用于所述伪距差残差平方和的门限值时，将伪距差残差平方和中的最小值所对应的假设组合作为正确的匹配结果。

7.一种计算机可读存储介质，包括用于全球导航卫星系统(GNSS)无源探测定位中的多目标检测和区分的程序，当程序由处理器运行时，执行以下的操作：

分别接收各GNSS卫星直达信号和反射信号，解调获得卫星星历，进行直达信号和反射信号伪距测量；

统计其中具有相同卫星伪随机噪声码或标识号的有效反射信号数量，判断探测范围内的目标个数；

对反射信号进行假设组合，分别构建到达时间差观测方程组；

计算各到达时间差观测方程组所对应的定位后伪距差残差平方和，实现对各目标反射信号的鉴别和区分。

8.根据权利要求7所述的计算机可读存储介质，其中当程序由所述处理器执行时，进一步执行以下的操作：

将伪距差残差平方和与既定门限值相比较，并且将小于所述既定门限值的伪距差残差平方和所对应的假设组合作为正确的匹配结果。

9.根据权利要求7所述的计算机可读存储介质，其中当程序由所述处理器执行时，进一步执行以下的操作：

当无法确定用于伪距差残差平方和的门限值时，将伪距差残差平方和中的最小值所对应的假设组合作为正确的匹配结果。