CN114222242A - 基于数字相控阵体制的通信定位一体化方法及系统 - Google Patents

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CN114222242A CN202111315813.6A CN202111315813A CN114222242A CN 114222242 A CN114222242 A CN 114222242A CN 202111315813 A CN202111315813 A CN 202111315813A CN 114222242 A CN114222242 A CN 114222242A
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Abstract

本发明提供了一种基于数字相控阵体制的通信定位一体化方法及系统，通过数字相控阵天线在数字域形成K个定向窄波束覆盖全空域扫描范围，对第二节点全向发射的通信探测信号进行接收；对接收到的信号进行帧头匹配和能量检测，将匹配到通信探测信号的相关峰且能量最大的一个定向窄波束作为目标定向窄波束；通过数字波束形成在目标定向窄波束的方向形成和波束与差波束，确定目标定向窄波束的方向与第二节点的实际方向的偏离值，确定第二节点的实际方向；根据第二节点的实际方向，与第二节点建立通信链接；通过与第二节点进行通信，确定与第二节点之间的距离。本发明能够在不依赖卫星或移动通信基站基础设施建设的条件下实现通信定位一体化。

Description

基于数字相控阵体制的通信定位一体化方法及系统
技术领域
本发明涉及无线通信及定位技术领域，尤其涉及一种基于数字相控阵体制的通信定位一体化方法及系统。
背景技术
在现代舰艇编队、车辆编队等军用电子作战平台上，需要配备通信设备和定位设备来完成信息传输和互定位的功能，具备协同任务的能力。
目前，完成通信和定位的功能主要有三种方法，一是采用分立的通信和定位设备，独立地完成相应功能，但是采用分立设备会占据宝贵的平台空间，消耗更多的能源，导致平台隐身能力差、设备间电磁兼容性能差等问题。
二是通信和定位一体化设计，现有通信和定位一体化技术是利用GNSS、GPS信号源的定位系统，或者利用北斗及天通卫星的定位及短报文通信能力来实现通信和定位的功能，这种方法依赖于外部卫星设备，在卫星拒止或者弱导航条件下无法进行定位。
三是在4G、5G移动通信中的通信和定位一体化网络，在移动通信中不利用卫星也能实现定位，但定位精度较低，通常采用卫星定位系统联合多个基站对终端进行室外定位，以提高定位精度，针对特定环境与应用需求，采用WIFI定位、无线射频识别(RFID)定位、超宽带(UWB)定位等技术进行室内定位，为用户提供基于位置的服务，因此，这种方法同样依赖于卫星系统，以及广泛的移动通信基础设施建设。
因此，现有的通信定位一体化方法存在必须依赖卫星系统或者移动通信基站基础设施建设的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于数字相控阵体制的通信定位一体化方法及系统，能够解决现有技术在实现通信定位一体化的过程中必须依赖卫星系统或者移动通信基站基础设施建设的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于数字相控阵体制的通信定位一体化方法，该方法适用于一种通信定位一体化系统，该系统包括第一节点和第二节点，所述第一节点设有数字相控阵天线，该方法应用于所述第一节点，包括：
通过所述数字相控阵天线在数字域形成K个定向窄波束；
通过所述K个定向窄波束覆盖全空域扫描范围，对所述第二节点全向发射的通信探测信号进行接收；
对所述K个定向窄波束接收到的信号进行帧头匹配和能量检测，将匹配到所述通信探测信号的相关峰且能量最大的一个定向窄波束作为目标定向窄波束；
通过数字波束形成在所述目标定向窄波束的方向形成和波束与差波束，根据所述和波束与差波束确定所述目标定向窄波束的方向与所述第二节点的实际方向的偏离值；
根据所述目标定向窄波束的方向与所述偏离值，确定所述第二节点的实际方向；
根据所述第二节点的实际方向，与所述第二节点建立通信链接；
通过与所述第二节点进行通信，确定与所述第二节点之间的距离。
在一种可能的实现方式中，所述通过所述数字相控阵天线在数字域形成K个定向窄波束包括：
将全部扫描范围划分为K个搜索角度，每个搜索角度包括方位角和俯仰角，其中，方位和俯仰方向上的角度增量小于波束宽度；
针对每个搜索角度，计算所述数字相控阵天线的平面阵列在该搜索角度所对应方向的导向矢量；
将每个搜索角度所对应方向的导向矢量累加求和，得到多波束权值；
将所述平面阵列接收到的数据与所述多波束权值的共轭转置相乘，得到所述K个定向窄波束。
在一种可能的实现方式中，所述针对每个搜索角度，计算所述数字相控阵天线的平面阵列在该搜索角度所对应方向的导向矢量包括：
通过第一公式计算所述平面阵列在搜索角度(θi,φi)所对应方向的导向矢量，所述第一公式为
Figure BDA0003343606540000031
在所述第一公式中，a(θi,φi)为平面阵列在搜索角度(θi,φi)所对应方向的导向矢量，(θi,φi)为所述K个搜索角度中的一个搜索角度，该搜索角度的方位角为θi，俯仰角为φi，1＜＝i＜＝K，e为自然常数，j为虚部单位，M为所述平面阵列俯仰方向阵元数，N为所述平面阵列方位方向阵元数，
Figure BDA0003343606540000032
为平面阵列的空间相位矩阵；
其中，通过第二公式获取
Figure BDA0003343606540000033
所述第二公式为
Figure BDA0003343606540000034
在所述第二公式中，
Figure BDA0003343606540000035
α为方位方向相邻两个阵元的相位差，β为俯仰方向相邻两个阵元的相位差，λ为所述通信探测信号的波长，dy为方位方向的阵元间距，dz为俯仰方向的阵元间距，π为圆周率。
在一种可能的实现方式中，所述通过数字波束形成在所述目标定向窄波束的方向形成和波束与差波束，根据所述和波束与差波束确定所述目标定向窄波束的方向与所述第二节点的实际方向的偏离值包括：
将所述平面阵列平均分为四个不重叠的部分；
分别对每一部分进行数字波束形成，得到四个合成波束；
根据所述四个合成波束，分别获取和波束与差波束，其中，所述差波束包括方位方向的差波束与俯仰方向的差波束；
根据所述和波束，所述方位方向的差波束和所述俯仰方向的差波束，分别计算方位误差幅度和俯仰误差幅度；
将所述方位误差幅度除以方位和差曲线的斜率，得到方位角度偏差，将所述俯仰误差幅度除以俯仰和差曲线的斜率，得到俯仰角度偏差，所述目标定向窄波束的方向与所述第二节点的实际方向的偏离值包括所述方位角度偏差和所述俯仰角度偏差。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述四个合成波束，分别获取和波束与差波束，其中，所述差波束包括方位方向的差波束与俯仰方向的差波束包括：
根据第三公式得到和波束，所述第三公式为：
∑＝F1+F2+F3+F4
根据第四公式得到方位方向的差波束，所述第四公式为：
Δp＝(F1+F3)-(F2+F4)
根据第五公式得到俯仰方向的差波束，所述第五公式为：
Δq＝(F1+F2)-(F3+F4)
在所述第三公式、所第四公式和所述第五公式中，所述四个不重叠的部分分别为第一部分、第二部分、第三部分和第四部分，其中所述第一部分和所述第二部分相邻且处于同一俯仰角度范围，所述第一部分和所述第三部分相邻且处于同一方位角度范围，所述第二部分和所述第四部分相邻且处于同一方位角度范围，所述第三部分和所述第四部分相邻且处于同一俯仰角度范围，F1为所述第一部分的合成波束，F2为所述第二部分的合成波束，F3为所述第三部分的合成波束，F4为所述第四部分的合成波束，∑为所述和波束的矩阵，Δp为所述方位方向的差波束的矩阵，Δq为所述俯仰方向的差波束的矩阵；
所述根据所述和波束，所述方位方向的差波束和所述俯仰方向的差波束，分别计算方位误差幅度和俯仰误差幅度；
根据第六公式计算所述方位误差幅度，所述第六公式为：
Figure BDA0003343606540000051
根据第七公式计算所述俯仰误差幅度，所述第七公式为：
Figure BDA0003343606540000052
在所述第六公式和所述第七公式中，εθ表示所述方位误差幅度，εφ表示所述俯仰误差幅度，Im[]表示对向量取虚部，∑*表示对所述和波束的矩阵∑求逆，|∑|2表示矩阵∑幅值的平方。
在一种可能的实现方式中，所述通过与所述第二节点进行通信，确定与所述第二节点之间的距离包括：
在所述第二节点的实际方向形成定向窄波束，向所述第二节点发送通信信号，同时记录发送所述通信信号的时刻；
接收所述第二节点发送的响应信号，所述响应信号包括所述第二节点对所述通信信号的处理时延；
记录接收到所述响应信号的时刻；
根据所述发送所述通信信号的时刻、所述第二节点对所述通信信号进行处理的时延和接收到所述响应信号的时刻，计算链路传输时延；
将所述链路传输时延乘以光速，得到与所述第二节点之间的距离。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述发送所述通信信号的时刻、所述第二节点对所述通信信号进行处理的时延和接收到所述响应信号的时刻，计算链路传输时延包括：
根据第八公式计算所述链路传输时延，所述第八公式为
Figure BDA0003343606540000053
其中，Δt为所述链路传输时延，t2为接收到所述响应信号的时刻，t1为发送所述通信信号的时刻，τ为所述第二节点对所述通信信号进行处理的时延。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于数字相控阵体制的通信定位一体化方法，该方法适用于一种通信定位一体化系统，该系统包括第一节点和第二节点，该方法应用于所述第二节点，包括：
全向发射通信探测信号，以使得所述第一节点根据所述通信探测信号确定所述第二节点的实际方向，并根据所述第二节点的实际方向建立通信链接，通过与所述第二节点进行通信，确定所述第一节点与所述第二节点的距离。
在一种可能的实现方式中，所述全向发射通信探测信号包括：
通过全向天线全向发射所述通信探测信号；
或者，通过数字相控阵天线形成同时多波束的方式全向发射所述通信探测信号，其中，所通信探测信号为低速波形探测信号。
第三方面，本发明实施提供了一种基于数字相控阵体制的通信定位一体化系统，该系统包括第一节点和第二节点；
所述第二节点全向发射通信探测信号；
所述第一节点通过所述数字相控阵天线在数字域形成K个定向窄波束；通过所述K个定向窄波束覆盖全空域扫描范围，对所述第二节点全向发射的通信探测信号进行接收；对所述K个定向窄波束接收到的信号进行帧头匹配和能量检测，将匹配到所述通信探测信号的相关峰且能量最大的一个定向窄波束作为目标定向窄波束；通过数字波束形成在所述目标定向窄波束的方向形成和波束与差波束，根据所述和波束与差波束确定所述目标定向窄波束的方向与所述第二节点的实际方向的偏离值；根据所述目标定向窄波束的方向与所述偏离值，确定所述第二节点的实际方向；根据所述第二节点的实际方向，与所述第二节点建立通信链接；通过与所述第二节点进行通信，确定与所述第二节点之间的距离。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
本发明实施例通过数字相控阵天线在数字域形成K个定向窄波束；通过K个定向窄波束覆盖全空域扫描范围，对第二节点全向发射的通信探测信号进行接收；对K个定向窄波束接收到的信号进行帧头匹配和能量检测，将匹配到通信探测信号的相关峰且能量最大的一个定向窄波束作为目标定向窄波束；通过数字波束形成在目标定向窄波束的方向形成和波束与差波束，根据和波束与差波束确定目标定向窄波束的方向与第二节点的实际方向的偏离值；根据目标定向窄波束的方向与偏离值，确定第二节点的实际方向；根据第二节点的实际方向，与第二节点建立通信链接；通过与第二节点进行通信，确定与第二节点之间的距离。在不依赖卫星或移动通信基础设施建设的条件下，在不降低通信性能的基础上，实现了通信定位的一体化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于数字相控阵体制的通信定位一体化方法的实现流程图；
图2是本发明实施提供的一种将第一节点的数字相控阵天线的平面阵列平均分为四个不重叠的部分的示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种基于数字相控阵体制的通信定位一体化方法的实现流程图；
图4是本发明实施例提供的基于数字相控阵体制的通信定位一体化系统的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
图1为本发明实施例提供的基于数字相控阵体制的通信定位一体化方法的实现流程图，详述如下：
在步骤101中、通过数字相控阵天线在数字域形成K个定向窄波束。
本发明实施例所提供的方法适用于一种通信定位一体化系统，该系统包括第一节点和第二节点，第一节点设有数字相控阵天线。
上述通信定位一体化系统可以是点对点通信系统、点对多点通信系统或者多个节点的自组网通信系统，或者其他能够应用本发明实施例所提供的方法的系统。本发明实施例对此不作限定。
在一种可能的实现方式中，第一节点的数字相控阵天线可以为平面数字相控阵天线。
在本步骤中，第一节点和第二节点进入通信建链阶段，第二节点全向发射通信探测信号。在一些实施例中，第二节点通过全向天线全向发射通信探测信号，在一些实施例中，第二节点通过数字相控阵天线形成同时多波束的方式全向发射通信探测信号。
在一些实施例中，第二节点发送的通信探测信号为低速波形信号，能够增加探测距离。
第一节点利用相控阵天线的同时多波束能力在数字域形成K个定向窄波束。
在一些实施例中，可通过如下方式形成K个定向窄波束：
第一步，将全部扫描范围划分为K个搜索角度，每个搜索角度包括方位角和俯仰角，其中，方位和俯仰方向上的角度增量小于波束宽度，以确保扫描范围没有遗漏。
K个搜索角度可以用(θ1,φ1),(θ2,φ2),…,(θK,φK)表示。
第二步，针对每个搜索角度，计算数字相控阵天线的平面阵列在该搜索角度所对应方向的导向矢量。
具体的，通过第一公式计算平面阵列在搜索角度(θi,φi)所对应方向的导向矢量，第一公式为
Figure BDA0003343606540000091
在第一公式中，a(θi,φi)为平面阵列在搜索角度(θi,φi)所对应方向的导向矢量，(θi,φi)为K个搜索角度中的一个搜索角度，该搜索角度的方位角为θi，俯仰角为φi，1＜＝i＜＝K，e为自然常数，j为虚部单位，M为平面阵列俯仰方向阵元数，N为平面阵列方位方向阵元数，
Figure BDA0003343606540000092
为平面阵列的空间相位矩阵；
其中，通过第二公式获取
Figure BDA0003343606540000093
第二公式为
Figure BDA0003343606540000094
在第二公式中，
Figure BDA0003343606540000095
α为方位方向相邻两个阵元的相位差，β为俯仰方向相邻两个阵元的相位差，λ为通信探测信号的波长，dy为方位方向的阵元间距，dz为俯仰方向的阵元间距，π为圆周率。
第三步，将每个搜索角度所对应方向的导向矢量累加求和，得到多波束权值。
将各个方向(θi,φi),i＝1,2,…,K的导向矢量a(θi,φi)累加求和，得到多波束权值W，如下式所示：
Figure BDA0003343606540000096
第四步，将平面阵列接收到的数据与多波束权值的共轭转置相乘，得到K个定向窄波束，如下式所示：
Y＝WHX
式中，Y为阵列输出，即为K个定向窄波束，WH为多波束权值的共轭转置，X为平面阵列接收到的数据。
在步骤102中、通过K个定向窄波束覆盖全空域扫描范围，对第二节点全向发射的通信探测信号进行接收。
在本发明实施例中，通过K个定向窄波束覆盖全空域扫描范围，可以通过一次扫描来完成，也可以通过多次扫描来完成。
在步骤103中、对K个定向窄波束接收到的信号进行帧头匹配和能量检测，将匹配到通信探测信号的相关峰且能量最大的一个定向窄波束作为目标定向窄波束。
在本发明实施例中，第一节点和第二节点是通信定位一体化系统中的两个节点，上述通信定位一体化系统可以是点对点通信系统、点对多点通信系统或者多个节点的自组网通信系统。针对任一个节点，该节点预存储有其他节点的帧头信息，即其他节点的帧头序列，当接收到一个节点的通信探测信号，如在本发明实施例中第一节点接收到第二节点的通信探测信号后，第一节点预存储有第二节点的帧头序列，第一节点即可通过预存储的第二节点的帧头序列与第二节点发送的通信探测信号进行帧头匹配。
在本发明实施例中，目标定向窄波束的方向即为第二节点的粗略的位置方向，将目标定向窄波束的方向记作(θ′0,φ′0)，θ′0为目标定向窄波束的方位角，φ′0为目标定向窄波束的俯仰角。(θ′0,φ′0)是K个定向窄波束中的一个，与上述表示方法不同，但实际意义相同，用于表示本步骤得到的目标定向窄波束。
在步骤104中，通过数字波束形成在目标定向窄波束的方向形成和波束与差波束，根据和波束与差波束确定目标定向窄波束的方向与第二节点的实际方向的偏离值。
对应的，可以将第二节点的实际方向记作(θ0,φ0)。此时得到的目标定向窄波束的方向与第二节点的实际方向存在一定的偏差，只能代表第二节点的粗估方向，通过目标定向窄波束的方向与第二节点进行通信的话，信噪比较低，需要获取第二节点的精准方向，即本步骤中的实际方向。
在一种可能的实现方式中，本步骤可以通过如下方式实现：
第一步，结合图2，将数字相控阵天线的平面阵列平均分为四个不重叠的部分。
其中，图2仅为一种示例，本发明实施例不对第一节点的相控阵天线的平面阵列的实际部署情况进行限定。
第二步，分别对每一部分进行数字波束形成，得到四个合成波束。
结合图2，四个不重叠的部分分别为第一部分、第二部分、第三部分和第四部分，其中第一部分和第二部分相邻且处于同一俯仰角度范围，第一部分和第三部分相邻且处于同一方位角度范围，第二部分和第四部分相邻且处于同一方位角度范围，第三部分和第四部分相邻且处于同一俯仰角度范围，F1为第一部分的合成波束，F2为第二部分的合成波束，F3为第三部分的合成波束，F4为第四部分的合成波束。
第三步，根据四个合成波束，分别获取和波束与差波束，其中，差波束包括方位方向的差波束与俯仰方向的差波束。
在一些实施例中，本步骤通过如下方式实现：
根据第三公式得到和波束，第三公式为：
∑＝F1+F2+F3+F4
根据第四公式得到方位方向的差波束，第四公式为：
Δp＝(F1+F3)-(F2+F4)
根据第五公式得到俯仰方向的差波束，第五公式为：
Δq＝(F1+F2)-(F3+F4)
在第三公式、所第四公式和第五公式中，四个不重叠的部分分别为第一部分、第二部分、第三部分和第四部分，其中第一部分和第二部分相邻且处于同一俯仰角度范围，第一部分和第三部分相邻且处于同一方位角度范围，第二部分和第四部分相邻且处于同一方位角度范围，第三部分和第四部分相邻且处于同一俯仰角度范围，F1为第一部分的合成波束，F2为第二部分的合成波束，F3为第三部分的合成波束，F4为第四部分的合成波束，∑为和波束的矩阵，Δp为方位方向的差波束的矩阵，Δq为俯仰方向的差波束的矩阵。
第四步，根据和波束，方位方向的差波束和俯仰方向的差波束，分别计算方位误差幅度和俯仰误差幅度。
通过对差波束进行归一化处理，得到的相位即表示第二节点偏离目标定向窄波束的方向的角度。
根据第六公式计算方位误差幅度，第六公式为：
Figure BDA0003343606540000121
根据第七公式计算俯仰误差幅度，第七公式为：
Figure BDA0003343606540000122
在第六公式和第七公式中，εθ表示方位误差幅度，εφ表示俯仰误差幅度，Im[]表示对向量取虚部，∑*表示对和波束的矩阵∑求逆，|∑|2表示矩阵∑幅值的平方。
第五步，将方位误差幅度除以方位和差曲线的斜率，得到方位角度偏差，将俯仰误差幅度除以俯仰和差曲线的斜率，得到俯仰角度偏差，目标定向窄波束的方向与第二节点的实际方向的偏离值包括方位角度偏差和俯仰角度偏差。
采用下式计算方位角度偏差Δθ和俯仰角度偏差Δφ：
Figure BDA0003343606540000123
Figure BDA0003343606540000124
式中，γθ为方位和差曲线斜率，γφ为俯仰和差曲线斜率。
在步骤105中，根据目标定向窄波束的方向与偏离值，确定第二节点的实际方向。
在本发明实施例中，可以将第二节点的实际方向记作(θ0,φ0)。由于步骤104中计算出了目标定向窄波束(θ′0,φ′0)的方向与第二节点的实际方向的方位角度偏差和俯仰角度偏差，则θ0＝θ′0+Δθ，φ0＝φ’0+Δφ。
由此得到第二节点的实际方向，实现了第一节点对第二节点的精确测向。
在步骤106中，根据第二节点的实际方向，与第二节点建立通信链接。
在本发明实施例中，第一节点不断调整波束指向，使波束实时对准第二节点的实际方向，并向第二节点发送针对通信探测信号的回应信号，在第二节点收到回应信号后，第一节点与第二节点通信链路的建立完成。
在步骤107中，通过与第二节点进行通信，确定与第二节点之间的距离。
通信链路建立后，进入数据传输阶段，第一节点在第二节点的实际方向(θ0,φ0)形成定向窄波束，向第二节点发送通信信号，同时记录发送通信信号的时刻。其中，第一节点发送通信信号的时刻可以记作t1，第一节点通过定向窄波束与第二节点通信，能够降低多径时延对测距的影响，提高对第二节点的测距精度。
第二节点收到第一节点发送的通信信号后，进行解调，并在向第一节点发送响应信号时将第二节点对通信信号的处理时延τ一并发送至第一节点。
第一节点接收第二节点发送的响应信号，响应信号包括第二节点对通信信号的处理时延。
第一节点接收到第二节点发送的响应信号后进行解调，完成双向通信过程。
第一节点记录接收到响应信号的时刻，记作t2。
根据发送通信信号的时刻、第二节点对通信信号进行处理的时延和接收到响应信号的时刻，计算链路传输时延。
根据第八公式计算链路传输时延，第八公式为
Figure BDA0003343606540000131
其中，Δt为链路传输时延，t2为接收到响应信号的时刻，t1为发送通信信号的时刻，τ为第二节点对通信信号进行处理的时延。
将链路传输时延乘以光速，得到与第二节点之间的距离。
则第一节点与第二节点之间的距离s＝c*Δt，s为第一节点与第二节点的距离，c为光速。至此，在双向通信的同时，第一节点完成对第二节点的测向和测距，实现基于数字相控阵体制的通信定位一体化。
本发明采用通信和定位的一体化设计，利用数字相控阵波束形成和测向能力，在不降低通信性能的同时，对通信对象进行测向和测距，在通信系统中集成定位的功能，减少了设备种类，节省空间，提升平台的隐身性能和电磁兼容性能。本发明不依赖卫星系统和基础设施建设，尤其适用于卫星拒止条件下舰载、机载、或者车载等平台编队协同执行任务的自组网通信和互定位应用场合。
本发明实施例通过数字相控阵天线在数字域形成K个定向窄波束；通过K个定向窄波束覆盖全空域扫描范围，对第二节点全向发射的通信探测信号进行接收；对K个定向窄波束接收到的信号进行帧头匹配和能量检测，将匹配到通信探测信号的相关峰且能量最大的一个定向窄波束作为目标定向窄波束；通过数字波束形成在目标定向窄波束的方向形成和波束与差波束，根据和波束与差波束确定目标定向窄波束的方向与第二节点的实际方向的偏离值；根据目标定向窄波束的方向与偏离值，确定第二节点的实际方向；根据第二节点的实际方向，与第二节点建立通信链接；通过与第二节点进行通信，确定与第二节点之间的距离。在不依赖卫星或移动通信基础设施的条件下，在不降低通信性能的基础上，实现了通信定位的一体化。
图3示出了本发明实施例提供的基于数字相控阵体制的通信定位一体化方法的实现流程图，详述如下：
在步骤301中、全向发射通信探测信号，以使得第一节点根据通信探测信号确定第二节点的实际方向，并根据第二节点的实际方向建立通信链接，通过与第二节点进行通信，确定第一节点与第二节点的距离。
在一种可能的实现方式中，通过全向天线全向发射通信探测信号；
或者，通过数字相控阵天线形成同时多波束的方式全向发射通信探测信号，其中，所通信探测信号为低速波形信号。
本发明实施例所提供的方法适用于一种通信定位一体化系统，该系统包括第一节点和第二节点，该方法应用于系统中的第二节点。
本发明实施例的具体实现方式可参见图1所对应的实施例，本发明实施例不再赘述。
本发明实施例中的第一节点通过数字相控阵天线在数字域形成K个定向窄波束；通过K个定向窄波束覆盖全空域扫描范围，对第二节点全向发射的通信探测信号进行接收；对K个定向窄波束接收到的信号进行帧头匹配和能量检测，将匹配到通信探测信号的相关峰且能量最大的一个定向窄波束作为目标定向窄波束；通过数字波束形成在目标定向窄波束的方向形成和波束与差波束，根据和波束与差波束确定目标定向窄波束的方向与第二节点的实际方向的偏离值；根据目标定向窄波束的方向与偏离值，确定第二节点的实际方向；根据第二节点的实际方向，与第二节点建立通信链接；通过与第二节点进行通信，确定与第二节点之间的距离。在不依赖卫星或移动通信基础设施的条件下，在不降低通信性能的基础上，实现了通信定位的一体化。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
结合图4，本发明实施还提供了一种基于数字相控阵体制的通信定位一体化系统4，该系统4包括第一节点41和第二节点42；
第二节点42全向发射通信探测信号；
第一节点41通过数字相控阵天线在数字域形成K个定向窄波束；通过K个定向窄波束覆盖全空域扫描范围，对第二节点全向发射的通信探测信号进行接收；对K个定向窄波束接收到的信号进行帧头匹配和能量检测，将匹配到通信探测信号的相关峰且能量最大的一个定向窄波束作为目标定向窄波束；通过数字波束形成在目标定向窄波束的方向形成和波束与差波束，根据和波束与差波束确定目标定向窄波束的方向与第二节点的实际方向的偏离值；根据目标定向窄波束的方向与偏离值，确定第二节点的实际方向；根据第二节点的实际方向，与第二节点建立通信链接；通过与第二节点进行通信，确定与第二节点之间的距离。
需要说明的是，该系统中第一节点能够实现图1所对应实施例中的全部方法的步骤，具体可参见图1所对应的实施例，该系统中的第二节点能够实现图3所对应实施例中的全部方法的步骤，具体可参见图3所对应的实施例，本发明实施例对此不再赘述。
并且，本发明实施例提供的基于数字相控阵体制的通信定位一体化系统4可以是点对点通信系统、点对多点通信系统或者多个节点的自组网通信系统，或者其他能够应用本发明实施例所提供的方法的系统。本发明实施例对此不作限定。
本发明实施例中基于数字相控阵体制的通信定位一体化系统的第一节点通过数字相控阵天线在数字域形成K个定向窄波束；通过K个定向窄波束覆盖全空域扫描范围，对第二节点全向发射的通信探测信号进行接收；对K个定向窄波束接收到的信号进行帧头匹配和能量检测，将匹配到通信探测信号的相关峰且能量最大的一个定向窄波束作为目标定向窄波束；通过数字波束形成在目标定向窄波束的方向形成和波束与差波束，根据和波束与差波束确定目标定向窄波束的方向与第二节点的实际方向的偏离值；根据目标定向窄波束的方向与偏离值，确定第二节点的实际方向；根据第二节点的实际方向，与第二节点建立通信链接；通过与第二节点进行通信，确定与第二节点之间的距离。在不依赖卫星或移动通信基础设施的条件下，在不降低通信性能的基础上，实现了通信定位的一体化。

Claims (10)

1.一种基于数字相控阵体制的通信定位一体化方法，其特征在于，该方法适用于一种通信定位一体化系统，该系统包括第一节点和第二节点，所述第一节点设有数字相控阵天线，该方法应用于所述第一节点，包括：
通过所述数字相控阵天线在数字域形成K个定向窄波束；
通过所述K个定向窄波束覆盖全空域扫描范围，对所述第二节点全向发射的通信探测信号进行接收；
对所述K个定向窄波束接收到的信号进行帧头匹配和能量检测，将匹配到所述通信探测信号的相关峰且能量最大的一个定向窄波束作为目标定向窄波束；
通过数字波束形成在所述目标定向窄波束的方向形成和波束与差波束，根据所述和波束与差波束确定所述目标定向窄波束的方向与所述第二节点的实际方向的偏离值；
根据所述目标定向窄波束的方向与所述偏离值，确定所述第二节点的实际方向；
根据所述第二节点的实际方向，与所述第二节点建立通信链接；
通过与所述第二节点进行通信，确定与所述第二节点之间的距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述数字相控阵天线在数字域形成K个定向窄波束包括：
将全部扫描范围划分为K个搜索角度，每个搜索角度包括方位角和俯仰角，其中，方位和俯仰方向上的角度增量小于波束宽度；
针对每个搜索角度，计算所述数字相控阵天线的平面阵列在该搜索角度所对应方向的导向矢量；
将每个搜索角度所对应方向的导向矢量累加求和，得到多波束权值；
将所述平面阵列接收到的数据与所述多波束权值的共轭转置相乘，得到所述K个定向窄波束。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述针对每个搜索角度，计算所述数字相控阵天线的平面阵列在该搜索角度所对应方向的导向矢量包括：
通过第一公式计算所述平面阵列在搜索角度(θi，φi)所对应方向的导向矢量，所述第一公式为
Figure FDA0003343606530000021
在所述第一公式中，(θi，φi)为所述K个搜索角度中的一个搜索角度，该搜索角度的方位角为θi，俯仰角为φi，1＜＝i＜＝K，e为自然常数，j为虚部单位，M为所述平面阵列俯仰方向阵元数，N为所述平面阵列方位方向阵元数，
Figure FDA0003343606530000022
为平面阵列的空间相位矩阵；
其中，通过第二公式获取
Figure FDA0003343606530000023
所述第二公式为
Figure FDA0003343606530000024
在所述第二公式中，
Figure FDA0003343606530000025
α为方位方向相邻两个阵元的相位差，β为俯仰方向相邻两个阵元的相位差，λ为所述通信探测信号的波长，dy为方位方向的阵元间距，dz为俯仰方向的阵元间距，π为圆周率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过数字波束形成在所述目标定向窄波束的方向形成和波束与差波束，根据所述和波束与差波束确定所述目标定向窄波束的方向与所述第二节点的实际方向的偏离值包括：
将所述数字相控阵天线的平面阵列平均分为四个不重叠的部分；
分别对每一部分进行数字波束形成，得到四个合成波束；
根据所述四个合成波束，分别获取和波束与差波束，其中，所述差波束包括方位方向的差波束与俯仰方向的差波束；
根据所述和波束，所述方位方向的差波束和所述俯仰方向的差波束，分别计算方位误差幅度和俯仰误差幅度；
将所述方位误差幅度除以方位和差曲线的斜率，得到方位角度偏差，将所述俯仰误差幅度除以俯仰和差曲线的斜率，得到俯仰角度偏差，所述目标定向窄波束的方向与所述第二节点的实际方向的偏离值包括所述方位角度偏差和所述俯仰角度偏差。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述四个合成波束，分别获取和波束与差波束，其中，所述差波束包括方位方向的差波束与俯仰方向的差波束包括：
根据第三公式得到和波束，所述第三公式为：
∑＝F1+F2+F3+F4
根据第四公式得到方位方向的差波束，所述第四公式为：
Δp＝(F1+F3)-(F2+F4)
根据第五公式得到俯仰方向的差波束，所述第五公式为：
Δq＝(F1+F2)-(F3+F4)
在所述第三公式、所第四公式和所述第五公式中，所述四个不重叠的部分分别为第一部分、第二部分、第三部分和第四部分，其中所述第一部分和所述第二部分相邻且处于同一俯仰角度范围，所述第一部分和所述第三部分相邻且处于同一方位角度范围，所述第二部分和所述第四部分相邻且处于同一方位角度范围，所述第三部分和所述第四部分相邻且处于同一俯仰角度范围，F1为所述第一部分的合成波束，F2为所述第二部分的合成波束，F3为所述第三部分的合成波束，F4为所述第四部分的合成波束，∑为所述和波束的矩阵，Δp为所述方位方向的差波束的矩阵，Δq为所述俯仰方向的差波束的矩阵；
所述根据所述和波束，所述方位方向的差波束和所述俯仰方向的差波束，分别计算方位误差幅度和俯仰误差幅度包括：
根据第六公式计算所述方位误差幅度，所述第六公式为：
Figure FDA0003343606530000031
根据第七公式计算所述俯仰误差幅度，所述第七公式为：
Figure FDA0003343606530000041
在所述第六公式和所述第七公式中，εθ表示所述方位误差幅度，εφ表示所述俯仰误差幅度，Im[]表示对向量取虚部，∑*表示对所述和波束的矩阵∑求逆，|∑|2表示矩阵∑幅值的平方。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述通过与所述第二节点进行通信，确定与所述第二节点之间的距离包括：
在所述第二节点的实际方向形成定向窄波束，向所述第二节点发送通信信号，同时记录发送所述通信信号的时刻；
接收所述第二节点发送的响应信号，所述响应信号包括所述第二节点对所述通信信号的处理时延；
记录接收到所述响应信号的时刻；
根据所述发送所述通信信号的时刻、所述第二节点对所述通信信号进行处理的时延和接收到所述响应信号的时刻，计算链路传输时延；
将所述链路传输时延乘以光速，得到与所述第二节点之间的距离。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述发送所述通信信号的时刻、自身对所述通信信号进行处理的时延、所述第二节点对所述通信信号进行处理的时延和接收到所述响应信号的时刻，计算链路传输时延包括：
根据第八公式计算所述链路传输时延，所述第八公式为
Figure FDA0003343606530000042
其中，Δt为所述链路传输时延，t2为接收到所述响应信号的时刻，t1为发送所述通信信号的时刻，τ为所述第二节点对所述通信信号进行处理的时延。
8.一种基于数字相控阵体制的通信定位一体化方法，其特征在于，该方法适用于一种通信定位一体化系统，该系统包括第一节点和第二节点，该方法应用于所述第二节点，包括：
全向发射通信探测信号，以使得所述第一节点根据所述通信探测信号确定所述第二节点的实际方向，并根据所述第二节点的实际方向建立通信链接，通过与所述第二节点进行通信，确定所述第一节点与所述第二节点的距离。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述全向发射通信探测信号包括：
通过全向天线全向发射所述通信探测信号；
或者，通过数字相控阵天线形成同时多波束的方式全向发射所述通信探测信号，其中，所通信探测信号为低速波形信号。
10.一种基于数字相控阵体制的通信定位一体化系统，其特征在于，该系统包括第一节点和第二节点；
所述第二节点全向发射通信探测信号；
所述第一节点通过所述数字相控阵天线在数字域形成K个定向窄波束；通过所述K个定向窄波束覆盖全空域扫描范围，对所述第二节点全向发射的通信探测信号进行接收；对所述K个定向窄波束接收到的信号进行帧头匹配和能量检测，将匹配到所述通信探测信号的相关峰且能量最大的一个定向窄波束作为目标定向窄波束；通过数字波束形成在所述目标定向窄波束的方向形成和波束与差波束，根据所述和波束与差波束确定所述目标定向窄波束的方向与所述第二节点的实际方向的偏离值；根据所述目标定向窄波束的方向与所述偏离值，确定所述第二节点的实际方向；根据所述第二节点的实际方向，与所述第二节点建立通信链接；通过与所述第二节点进行通信，确定与所述第二节点之间的距离。
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