CN110907925A - 一种高频地波雷达双站模型下的权重定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种高频地波雷达双站模型下的权重定位方法，包括如下步骤：步骤1、利用交叉定位法确定目标位置的估计值及估计误差；步骤2、利用主动雷达角度和距离联合定位法确定目标位置的估计值及估计误差；步骤3、利用各个位置估计的误差确定各个位置估计值的权重实现对目标的权重定位。本发明利用了高频地波雷达可以测得的各种关于目标的信息，结合各种定位方法对目标定位，同时对不同定位方法的结果根据其定位结果的均方误差合理的给出权重得到最终的目标定位结果，避免了传统方法中的对雷达测量信息利用不全的问题，从而更有效地对待测目标进行定位，提高定位结果的精度。

Description

一种高频地波雷达双站模型下的权重定位方法
技术领域
本发明涉及的是辐射源定位技术、雷达信号处理、阵列信号处理以及参数估计理论等领域，特别是涉及一种高频地波雷达双站模型下的权重定位方法。
背景技术
辐射源定位技术在雷达、声呐和无线通信领域都是一个重要的研究课题。在研究高频地波雷达对辐射源进行定位的问题时，多数的定位的模型都建立在多个雷达阵列的基础上，而高频地波雷达双站定位模型在实际应用中也有很重要的研究价值，但由于可适用的算法十分有限，所以关于研究该模型下定位算法的文献却相对稀缺。现有的研究高频地波雷达双站模型下问题的文献均基于传统的交叉定位法和单站主动雷达的角度和距离联合定位法，而这些算法由于仅仅利用几何关系进行定位而且存在信息利用不全的问题，使得定位精度并不理想。
发明内容
本发明的目的在于改善现有技术的局限性，提供了一种高频地波雷达双站模型下的权重定位方法，该方法能够有效地对待测目标进行定位。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种高频地波雷达双站模型下的权重定位方法，包括如下步骤：
步骤1、利用交叉定位法确定目标位置的估计值及估计误差；
步骤2、利用主动雷达角度和距离联合定位法确定目标位置的估计值及估计误差；
步骤3、利用各个位置估计的误差确定各个位置估计值的权重实现对目标的权重定位。
进一步地，所述步骤1具体为：
每个雷达阵列为一个具有M个天线单元的均匀线阵，阵元间距为d，且两雷达阵列均为可发可收的主动雷达阵列，两个雷达阵列的参考阵元的位置坐标分别为S1(x1,y1)和S2(x2,y2)，先利用雷达阵列接收到的目标信号对目标信号的入射方向即目标相对于雷达阵列的方位角进行估计，则每个雷达阵列均可获得雷达阵列关于待测目标的角度信息，θ1为目标相对于雷达阵列1的方位角，θ2为目标相对于雷达阵列2的方位角；对两个雷达阵列的方位角可以表示为：
Figure BDA0001800229250000011
Figure BDA0001800229250000021
其中，
Figure BDA0001800229250000022
为两个雷达阵列测得的目标相对于雷达阵列方位角的估计值，θ1和θ2为待测目标相对于两个雷达阵列方位角的真实值；Δθ1和Δθ2为两个雷达阵列角度测量的测量误差，Δθ1和Δθ2均为零均值方差为σ1 2的高斯噪声且相互独立；
利用雷达阵列和待测目标之间的几何关系可以得出：
Figure BDA0001800229250000023
Figure BDA0001800229250000024
联立上式可以得出待测目标位置的估计结果
Figure BDA0001800229250000025
为：
Figure BDA0001800229250000026
在
Figure BDA0001800229250000027
对上式进行泰勒级数展开，保留线性分量可得目标位置估计值的误差为：
Figure BDA0001800229250000028
利用上式可以计算出双站交叉定位法待测目标估计结果的均方误差(MSE)为：
Figure BDA0001800229250000029
其中，
Figure BDA0001800229250000031
为两个雷达阵列角度测量的测量误差的估计值。
进一步地，所述步骤2具体为：
雷达阵列主动发射信号并接收经目标反射回来的信号，比较雷达阵列发射和接收信号的时间差即可得到待测目标和雷达阵列之间的距离；对两个雷达阵列分别有：
Figure BDA0001800229250000032
Figure BDA0001800229250000033
其中，
Figure BDA0001800229250000034
为目标到两个雷达阵列距离的估计值，R1和R2为待测目标与两个雷达阵列间距离的真实值；Δr1和Δr2为两个雷达阵列距离测量的测量误差，Δr1和Δr2均为零均值方差为
Figure BDA0001800229250000035
的高斯噪声且相互独立；
以雷达阵列1为例，利用测得的距离信息和步骤1测得的角度信息对目标进行定位，利用雷达阵列1和待测目标之间的几何关系，可以确定待测目标位置的估计结果
Figure BDA0001800229250000036
为：
Figure BDA0001800229250000037
在
Figure BDA0001800229250000038
对上式进行泰勒级数展开，保留线性分量可得目标位置估计值的误差为：
Figure BDA0001800229250000039
利用上式可以计算出主动雷达角度和距离定位法得到的待测目标估计结果的均方误差(MSE)为：
Figure BDA00018002292500000310
同理可以给出雷达阵列2的待测目标位置估计结果
Figure BDA00018002292500000311
估计误差及均方误差为：
Figure BDA00018002292500000312
Figure BDA0001800229250000041
Figure BDA0001800229250000042
进一步地，所述步骤3具体为：
(1)计算各个目标位置估计结果的权重
交叉定位法确定目标位置的估计结果
Figure BDA0001800229250000043
的权重为：
Figure BDA0001800229250000044
雷达阵列1利用主动雷达角度和距离定位法确定目标位置的估计结果
Figure BDA0001800229250000045
的权重为：
Figure BDA0001800229250000046
雷达阵列2利用主动雷达角度和距离定位法确定目标位置的估计结果
Figure BDA0001800229250000047
的权重为：
Figure BDA0001800229250000048
其中
Figure BDA0001800229250000049
(2)计算权重定位结果
Figure BDA00018002292500000410
其中，i＝1,2,3；按照上式进行计算，即可得到权重定位方法的最终目标定位结果。
本发明所提的方法主要思想为先利用传统的定位算法得到精度较低的目标定位结果，然后以权重的方式将不同定位算法得到的目标定位结果结合起来得到较高的精度的目标定位结果，能够最大限度的利用双站模型下雷达阵列可测得的所有可利用的信息，同时以定位结果的均方误差来确定权重，有效的定义了不同精度的定位结果对最终定位结果的贡献，均方误差越大该定位结果对最终定位结果的贡献越小，即所占比重越小，有效的提高了最终目标定位结果的精度。
附图说明
图1是本发明所述方法模型图；图中T(x,y)为最终定位结果坐标；
图2是不同信噪比下权重定位方法的定位结果图；
图3是不同测距精度下权重定位方法的定位结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1，本发明提出一种高频地波雷达双站模型下的权重定位方法，包括如下步骤：
步骤1、利用交叉定位法确定目标位置的估计值及估计误差；
步骤2、利用主动雷达角度和距离联合定位法确定目标位置的估计值及估计误差；
步骤3、利用各个位置估计的误差确定各个位置估计值的权重实现对目标的权重定位。
所述步骤1具体为：
每个雷达阵列为一个具有M个天线单元的均匀线阵，阵元间距为d(d为半波长)，且两雷达阵列均为可发可收的主动雷达阵列，两个雷达阵列的参考阵元的位置坐标分别为S1(x1,y1)和S2(x2,y2)，先利用雷达阵列接收到的目标信号对目标信号的入射方向即目标相对于雷达阵列的方位角进行估计，经典的AOA估计方法有MUSIC算法，Root-MUSIC算法等，则每个雷达阵列均可获得雷达阵列关于待测目标的角度信息，θ1为目标相对于雷达阵列1的方位角，θ2为目标相对于雷达阵列2的方位角；对两个雷达阵列的方位角可以表示为：
Figure BDA0001800229250000051
Figure BDA0001800229250000052
其中，
Figure BDA0001800229250000053
为两个雷达阵列测得的目标相对于雷达阵列方位角的估计值，θ1和θ2为待测目标相对于两个雷达阵列方位角的真实值；Δθ1和Δθ2为两个雷达阵列角度测量的测量误差，Δθ1和Δθ2均为零均值方差为σ1 2的高斯噪声且相互独立；
利用雷达阵列和待测目标之间的几何关系可以得出：
Figure BDA0001800229250000061
Figure BDA0001800229250000062
联立上式可以得出待测目标位置的估计结果
Figure BDA0001800229250000063
为：
Figure BDA0001800229250000064
在
Figure BDA0001800229250000065
对上式进行泰勒级数展开，保留线性分量可得目标位置估计值的误差为：
Figure BDA0001800229250000066
利用上式可以计算出双站交叉定位法待测目标估计结果的均方误差(MSE)为：
Figure BDA0001800229250000067
其中，
Figure BDA0001800229250000068
为两个雷达阵列角度测量的测量误差的估计值。
所述步骤2具体为：
雷达阵列主动发射信号并接收经目标反射回来的信号，比较雷达阵列发射和接收信号的时间差即可得到待测目标和雷达阵列之间的距离；对两个雷达阵列分别有：
Figure BDA0001800229250000071
Figure BDA0001800229250000072
其中，
Figure BDA0001800229250000073
为目标到两个雷达阵列距离的估计值，R1和R2为待测目标与两个雷达阵列间距离的真实值；Δr1和Δr2为两个雷达阵列距离测量的测量误差，Δr1和Δr2均为零均值方差为
Figure BDA0001800229250000074
的高斯噪声且相互独立；
以雷达阵列1为例，利用测得的距离信息和步骤1测得的角度信息对目标进行定位，利用雷达阵列1和待测目标之间的几何关系，可以确定待测目标位置的估计结果
Figure BDA0001800229250000075
为：
Figure BDA0001800229250000076
在
Figure BDA0001800229250000077
对上式进行泰勒级数展开，保留线性分量可得目标位置估计值的误差为：
Figure BDA0001800229250000078
利用上式可以计算出主动雷达角度和距离定位法得到的待测目标估计结果的均方误差(MSE)为：
Figure BDA0001800229250000079
同理可以给出雷达阵列2的待测目标位置估计结果
Figure BDA00018002292500000710
估计误差及均方误差为：
Figure BDA00018002292500000711
Figure BDA00018002292500000712
Figure BDA0001800229250000081
所述步骤3具体为：
(1)计算各个目标位置估计结果的权重
交叉定位法确定目标位置的估计结果
Figure BDA0001800229250000082
的权重为：
Figure BDA0001800229250000083
雷达阵列1利用主动雷达角度和距离定位法确定目标位置的估计结果
Figure BDA0001800229250000084
的权重为：
Figure BDA0001800229250000085
雷达阵列2利用主动雷达角度和距离定位法确定目标位置的估计结果
Figure BDA0001800229250000086
的权重为：
Figure BDA0001800229250000087
其中
Figure BDA0001800229250000088
(2)计算权重定位结果
Figure BDA0001800229250000089
其中，i＝1,2,3；按照上式进行计算，即可得到权重定位方法的最终目标定位结果。
利用所提的高频地波雷达双站模型下的权重定位方法得到的定位结果如图2和图3所示。可以看到，本发明所提方法成功地在双站高频地波雷达的模型下实现了对目标进行了定位，且定位精度要比传统的定位算法好。
本发明中利用传统定位方法的定位结果的误差给每一个定位结果一个权重提出了一种高频地波雷达双站模型下的权重定位方法。相比于传统的定位方法，这种权重定位法不仅利用了高频地波雷达可以测得的各种关于目标的信息，结合各种定位方法对目标定位，同时对不同定位方法的结果根据其定位结果的均方误差合理的给出权重得到最终的目标定位结果，避免了传统方法中的对雷达测量信息利用不全的问题，从而更有效地对待测目标进行定位，提高定位结果的精度。
以上对本发明所提供的一种高频地波雷达双站模型下的权重定位方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种高频地波雷达双站模型下的权重定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、利用交叉定位法确定目标位置的估计值及估计误差；
步骤2、利用主动雷达角度和距离联合定位法确定目标位置的估计值及估计误差；
步骤3、利用各个位置估计的误差确定各个位置估计值的权重实现对目标的权重定位。
2.根据权利要求1所述的一种高频地波雷达双站模型下的权重定位方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
每个雷达阵列为一个具有M个天线单元的均匀线阵，阵元间距为d，且两雷达阵列均为可发可收的主动雷达阵列，两个雷达阵列的参考阵元的位置坐标分别为S1(x1,y1)和S2(x2,y2)，先利用雷达阵列接收到的目标信号对目标信号的入射方向即目标相对于雷达阵列的方位角进行估计，则每个雷达阵列均可获得雷达阵列关于待测目标的角度信息，θ1为目标相对于雷达阵列1的方位角，θ2为目标相对于雷达阵列2的方位角；对两个雷达阵列的方位角可以表示为：
Figure FDA0001800229240000011
Figure FDA0001800229240000012
其中，
Figure FDA0001800229240000013
为两个雷达阵列测得的目标相对于雷达阵列方位角的估计值，θ1和θ2为待测目标相对于两个雷达阵列方位角的真实值；Δθ1和Δθ2为两个雷达阵列角度测量的测量误差，Δθ1和Δθ2均为零均值方差为
Figure FDA0001800229240000014
的高斯噪声且相互独立；
利用雷达阵列和待测目标之间的几何关系可以得出：
Figure FDA0001800229240000015
Figure FDA0001800229240000016
联立上式可以得出待测目标位置的估计结果
Figure FDA0001800229240000017
为：
Figure FDA0001800229240000018
在
Figure FDA0001800229240000021
对上式进行泰勒级数展开，保留线性分量可得目标位置估计值的误差为：
Figure FDA0001800229240000022
利用上式可以计算出双站交叉定位法待测目标估计结果的均方误差(MSE)为：
Figure FDA0001800229240000023
其中，
Figure FDA0001800229240000024
为两个雷达阵列角度测量的测量误差的估计值。
3.根据权利要求2所述的一种高频地波雷达双站模型下的权重定位方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
雷达阵列主动发射信号并接收经目标反射回来的信号，比较雷达阵列发射和接收信号的时间差即可得到待测目标和雷达阵列之间的距离；对两个雷达阵列分别有：
Figure FDA0001800229240000025
Figure FDA0001800229240000026
其中，
Figure FDA0001800229240000027
为目标到两个雷达阵列距离的估计值，R1和R2为待测目标与两个雷达阵列间距离的真实值；Δr1和Δr2为两个雷达阵列距离测量的测量误差，Δr1和Δr2均为零均值方差为
Figure FDA0001800229240000028
的高斯噪声且相互独立；
以雷达阵列1为例，利用测得的距离信息和步骤1测得的角度信息对目标进行定位，利用雷达阵列1和待测目标之间的几何关系，可以确定待测目标位置的估计结果
Figure FDA0001800229240000029
为：
Figure FDA0001800229240000031
在
Figure FDA0001800229240000032
对上式进行泰勒级数展开，保留线性分量可得目标位置估计值的误差为：
Figure FDA0001800229240000033
利用上式可以计算出主动雷达角度和距离定位法得到的待测目标估计结果的均方误差(MSE)为：
Figure FDA0001800229240000034
同理可以给出雷达阵列2的待测目标位置估计结果
Figure FDA0001800229240000035
估计误差及均方误差为：
Figure FDA0001800229240000036
Figure FDA0001800229240000037
Figure FDA0001800229240000038
4.根据权利要求3所述的一种高频地波雷达双站模型下的权重定位方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
(1)计算各个目标位置估计结果的权重
交叉定位法确定目标位置的估计结果
Figure FDA0001800229240000039
的权重为：
Figure FDA00018002292400000310
雷达阵列1利用主动雷达角度和距离定位法确定目标位置的估计结果
Figure FDA00018002292400000311
的权重为：
Figure FDA0001800229240000041
雷达阵列2利用主动雷达角度和距离定位法确定目标位置的估计结果
Figure FDA0001800229240000042
的权重为：
Figure FDA0001800229240000043
其中
Figure FDA0001800229240000044
(2)计算权重定位结果
Figure FDA0001800229240000045
其中，i＝1,2,3；按照上式进行计算，即可得到权重定位方法的最终目标定位结果。
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