CN112415471B - 一种单站移动测向定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于提供一种单站移动测向定位方法,利用单个监测测向设备,基于重心算法的角度平滑处理和概率累积统计方法,实现目标辐射源的位置确定。主要步骤为:S1、定位所需数据的采集、记录和存储;S2、针对采集的数据进行预处理;S3、生成辐射源定位统计图并估计辐射源位置。与现有技术方案相比,本发明所具有的有益效果为:利用重心算法的角度平滑处理和概率统计技术,设计了一种稳健的、便于软件或硬件设计实现的测向单站移动定位方法,具有定位准确性高、设备和人工成本低、实用性强的特点。

Description

一种单站移动测向定位方法
技术领域
本发明涉及无线电信号监测测向和频谱管理技术的辐射源定位领域,具体涉及一种单站移动测向定位方法。
背景技术
在无线电监测和频谱管理领域,目标辐射源定位是一个常见的业务。这对于无线电干扰的排查、定位、取证等都非常关键。辐射源定位方法有多种,常见的有:利用多个测向站的测向结果进行交叉测向定位;利用多个监测站同时采集信号数据进行TDOA时差定位;利用单个测向点的运动测向数据进行累计定位。对于前两种方法需要多个监测站点/测向站点的协同配合,不但对多个站点间的配合有较高的技术要求和硬件要求,同时硬件设施成本较高,耗费人力也较多。对于现有技术中利用单个测向点的运动测向数据进行累计定位的方法虽然硬件设施成本降低,但现有技术中已知的方法定位准确性不高。为了提高定位准确性,本发明给出了一种单站移动测向定位方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于无线电监测测向领域的单站移动测向定位方法,利用独立的单个监测测向设备,基于重心算法的角度平滑处理以及概率累计统计方法,即可实现目标辐射源的定位。
为实现上述目的,本发明的技术方案是:
一种单站移动测向定位方法。具体包括以下步骤:
S1、定位所需数据的采集、记录和存储,以供后续计算使用:具体的,定位所需数据包括移动过程中各个测向点的示向度、电子罗盘角度、信号电平、经纬度信息、当前时间。
S2、针对采集的数据进行预处理:具体包括:测向点经纬度坐标的变换,将各个测向点的经纬度坐标数据转换为正交坐标数据;根据各个测向点接收的信号电平进行筛选;利用示向度和罗盘角度生成测向角度;对相邻测向点的测向角度进行基于重心算法的角度平滑处理。
S3、生成辐射源定位累计图并估计辐射源位置:基于测向角度和测向点的位置信息生成测向射线,并根据测向射线计算和统计生成定位累计图,该统计图为灰度图;最后遍历整个定位累计图,寻找灰度最大值,获得本方法估计出的辐射源目标位置。
与现有技术方案相比,本发明所具有的有益效果为:
本发明利用基于重心算法的角度平滑处理以及概率统计技术,设计了一个稳健的、便于软件或硬件设计实现的单站移动测向定位方法,可避免多站交叉测向导致硬件成本、人力成本较高的问题,并且具有定位准确性高,稳定性好,设备和人工成本低,实用性强的特点。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的整体实现流程示意图。
图2是本发明具体实施方式的信号采集处理示意图。
图3是本发明具体实施方式的信号处理示意图。
图4是本发明具体实施方式的定位累计图生成和目标定位示意图。
图5是本发明具体实施方式的示向度平滑处理示意图。
图6是本发明具体实施方式的具体实践操作流程说明图。
图7是本发明具体实施方式的定位累计图累计说明示意图。
图8是本发明具体实施方式的定位累计图显示效果示意图。
图9是本发明具体实施方式的角度坐标变换和重心求取示意图。
图10是本发明具体实施方式的测向角度平滑处理前后对比示意图,图10(a)为平滑处理前生成的测向射线图,图10(b)为平滑处理后生成的测向射线图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1至图10,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。
本发明的目标辐射源的单站移动测向定位方法,便于通用计算机软件平台实现。通用的软件平台,比如PowerPC嵌入式系统平台,基于x86的Windows操作系统平台。
整体实现流程如图1所示,具体包括如下步骤。
S1、定位所需数据的采集、记录和存储,以供后续计算使用:具体的,定位所需数据包括移动过程中各个测向点的示向度、电子罗盘角度、信号电平、经纬度信息、当前时间;流程详细内容参考图2的S11-S16。
S2、针对采集的数据进行预处理;具体包括:测向点经纬度坐标的变换,将各个测向点的经纬度坐标数据转换为正交坐标数据;根据各个测向点接收的信号电平进行筛选;利用示向度和罗盘角度生成测向角度;对相邻测向点的测向角度进行基于重心算法的角度平滑处理;流程参考图3的S21-S24。
S3、生成辐射源定位累计图并估计辐射源位置:基于测向角度和测向点的位置信息生成测向射线,并根据测向射线计算和统计生成定位累计图,该统计图为灰度图;最后遍历整个定位累计图,寻找灰度最大值,获得本方法估计出的辐射源目标位置;具体流程参考图4的S31-S35。
步骤S1信号采集的具体实现细节结合图2描述如下。
S11、单站移动测向定位车辆准备。车辆可以为无线电监测领域的监测测向车辆,更准确地说,只要具备测向功能的无线电监测测向车辆,均可用于单站移动测向定位。
S12、保证测向设备、GPS设备、电子罗盘等工作正常。
S13、设定测向的频率、带宽。
S14、在预定的地理区域的道路上进行跑车,车速不高于35公里/小时;行驶路线尽量遍历各条街道。该单站移动测向定位方案对具体行驶路线没有严格要求和限制。行驶过程完全允许因红绿交通灯、突发事故等因素引起的车辆临时停驶、车辆临时变换方向等操作。
S15、数据记录和采集。在跑车过程中,实时采集和记录相关数据,包括示向度、罗盘角度、GPS经纬度、当前时间、信号电平五项参数数据。通常情况下,示向度为测向点车辆测得的测向点到目标辐射源方向射线与车辆中的测向天线零度方向的夹角,测向天线零度方向通常为车头方向。罗盘角度为电子罗盘测得的车头方向与正北方向的夹角。
在无线电监测测向车的不断行驶和移动过程中,不断实时获取各个测向点的数据信息。当前的测向状态是:主流无线电监测测向设备可实现1秒钟几十次的测向操作,因此可在1秒钟内得到几十次测向结果。针对每一次测向,获取一条数据记录,包括上述五项参数数据示向度。车辆移动过程中可获取多条数据。保存所有测向数据以便分析,可使用结构体数组等形式进行缓存,该数组的每个元素包括以上五个参数数据信息。
S16、跑车完毕,采集的数据供后续处理和分析。
步骤S2采集数据的处理过程具体实现细节结合图3描述如下。
S21、获取采集的数据,针对其中的测向点经纬度信息进行坐标变换和原点变换。以初始测向点为坐标原点,将后续各测向点经纬度信息转换为以米为单位的坐标信息。
转换运算伪代码示例如下,其中的oriMobileLocData为采集信息的结构体数组,数组的每个元素包含一次测向对应的经度latitude、纬度longitude等信息。单位为时分秒形式。其中的MobileLocData为以米为距离单位的存储单元;其中的baseLoc为初始测向点的经纬度;
MobileLocData[n]=func_trans_tude(oriMobileLocData[n].latitude,oriMobileLocData[n].longitude ,oribaseLoc,baseLoc);
L1= 40000/360*cos(2*pi* baseLoc.longitude/360)*1000;
L2= 40000/180*1000;
MobileLocData[n].x=oriMobileLocData[n].latitude * L1; %经度变换为米
MobileLocData[n].y = oriMobileLocData[n].longitude * L2; %纬度变换为米
MobileLocData[n].x = MobileLocData[n].x - baseLoc.x; % 初始测向点为0坐标参考
MobileLocData[n].y= MobileLocData[n].y - baseLoc.y; % 初始测向点为0坐标参考。
S22、信号电平筛选处理。根据采集信息的每一项的信号电平数据进行数据筛选。若当前新获取的测向数据的信号电平小于预设电平门限,则该项剔除不用;信号电平门限可设定为20dBμV。
S23、角度变换处理。生成测向角度angle。测向角度是罗盘角度和测向设备测得的示向度之和,若大于等于360度,则折算回360度以内。测向角度angle以正北为基准。正北为0度。
S24、角度平滑处理。具体处理方法参考图5的S241-S243。
步骤S3定位累计图生成和目标位置估计的具体实现细节结合图4描述如下。
S31、确定定位累计图范围大小。定位累计图方格数量可设定为50*50个单元格,每个方格对应的实际地理区域范围可配置,可选为100米*100米~1千米*1千米。该定位累计图中心位置即为移动测向初始点的位置。
S32、测向射线生成。具体实现时,无需绘制射线,目的是明确一条测向射线经过了定位累计图方格中的哪些方格,并把当前测向的测向射线经过的方格坐标记录下来。测向射线以测向点的坐标作为测向射线的起点数据,以平滑处理后的测向角度作为射线的角度数据。几何上,一个点和一个角度即可确定一条直线。
S33、定位累计图的累计计算。定位累计图累计计算示意图如图7所示。每条测向射线从测向点辐射到定位累计图的边缘,该射线经过的方格累加1。若多条测向射线均通过某一个方格,则意味着辐射源在该方格对应位置的概率较大。通过对跑车路线上大量测向射线累计统计,得到最终的定位累计图。定位累计图通过不同灰度表示辐射源的定位概率,灰度值越大表示辐射源在该方格区域的概率越大。
S34、定位累计图图像生成和显示。所有测向数据处理完毕后,得到最终的定位累计图,该图为灰度图,可通过颜色变换,转换为RGB彩色图形进行显示,以便更为直观的观测定位累计图的统计结果。定位累计图RGB彩色示意图如图8所示。
S35、估计目标辐射源的位置。遍历定位累计图对应的数据矩阵,搜索出最大数值的位置,根据最大数值所处方格的位置信息可估计出目标辐射源的具体位置。
如图9所示。由于实际测向场景的复杂性,测向角度(图9中小黑点所示)的随机变化较大,因此有必要针对一小段预设距离(优选为10米~20米,也可根据需要设定)的多个测向角度进行平滑处理,得到该预设距离的最大概率的测向角度。如果针对测向角度在0度和360度范围的直接求平均值,会得到与真实角度偏差较大的测向角度。因此本方法采用转换到正交坐标系求取重心的方式来获取更加准确的测向角度,测向角度平滑处理的具体实现细节结合图5描述如下。
S241、首先将各个测向角度由极坐标转换到直角坐标系,则各个测向角度点对应到一个单位圆周上的各个坐标点(图9中的小黑点)。
S242、在直角坐标系内,基于一小段预设距离中的多个测向点坐标,计算得到这些测向点的重心点坐标(图9中的大黑点);可选的,还可基于预设时间段内获得的多个测向点坐标,计算得到这些测向点的重心点坐标。
S243、将重心点坐标转换回极坐标,提取角度信息,获取最终的平滑处理平均角度值。测向角度平滑处理前后所生成的测向射线对比如图10所示,可以看出能够将明显不对的测向射线剔除,并将测向射线的指向性收敛。
图6为单站移动测向定位具体实践操作流程框图,结合图6的具体实现细节描述如下。
单站移动测向定位车辆准备。车辆可以为无线电监测领域的监测测向车辆,具体车型包括但不限于SUV,MPV,中巴等多种形式。更准确地说,只要具备测向功能的无线电监测测向车辆,均可用于单站移动测向定位。
保证测向设备、GPS设备、罗盘等工作正常;设定单站移动测向定位软件的坐标原点和定位累计图的范围大小。设定目标辐射源的频率、带宽,并开启单站移动测向定位模式。在预定的地理区域的道路上进行跑车,通常情况下,车速不高于35公里/小时;行驶路线尽量遍历各条街道。该单站移动测向定位方案对具体行驶路线没有严格要求和限制。行驶过程完全允许因红绿交通灯、突发事故等因素引起的车辆临时停驶、车辆临时变换方向等操作。
在跑车过程中,单站移动测向定位软件会实时采集和记录相关数据,包括示向度、罗盘角度、GPS经纬度、当前时间、信号电平参数数据。
跑车过程中,单站移动测向定位软件会不断实时显示当前示向度,并随着时间的累计,不断绘制和刷新定位累计图,并不断给出和刷新定位累计图上的最大峰值点,也即本方法所估计的辐射源定位位置。

Claims (1)

1.一种单站移动测向定位方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
S1、定位所需数据的采集、记录和存储;定位所需数据包括移动过程中各个测向点的示向度、电子罗盘角度、信号电平、经纬度信息、当前时间;
S2、针对采集的数据进行预处理;
步骤S2包括以下子步骤:
S21、对采集的经纬度进行原点变换和坐标变换:以初始测向点的经纬度为坐标原点,将后续测向点的经纬度信息转换为正交坐标数据;
S22、信号电平筛选:若测向数据的信号电平小于预设电平门限,则剔除;
S23、角度变换处理:根据示向度和罗盘角度生成测向角度;
S24、角度平滑处理;
步骤S24包括以下子步骤:
S241、针对步骤S23计算得到的测向角度,首先将各测向角度由极坐标转换到直角坐标系,各测向角度在直角坐标系中对应单位圆周上的各坐标点;
S242、在直角坐标系内,基于预设距离或预设时间段中的多个测向点坐标,计算得到所述多个测向点的重心点坐标;
S243、将重心点坐标转换回极坐标,得到平滑处理后的测向角度值,即为该预设距离或预设时间段的测向角度;
S3、生成辐射源定位累计图并估计辐射源位置;
步骤S3包括以下子步骤:
S31、对实际地图进行网格化划分确定定位累计图范围;
S32、测向射线生成:在定位累计图中,以测向点的坐标作为测向射线的起点,以步骤S243获得的测向角度作为测向射线的角度,绘制测向射线;
S33、定位累计图的累计计算:在定位累计图中,每条测向射线会从测向点辐射到定位统计图的边缘;对于每条测向射线,其经过的方格累加1,每个方格初始累计值为0;
S34、定位累计图图像生成和显示:所有测向数据处理完毕后,得到最终的定位累计图;
S35、估计辐射源位置:遍历定位累计图的数据矩阵,搜索出最大数值的方格位置;根据最大数值位置估计目标辐射源的位置。
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运动单站对运动目标的快速高精度测向定位研究;周龙健;罗景青;;电子信息对抗技术(第04期);全文 *

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