CN115267777A - 一种基于被动合成孔径的单星斜视定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于被动合成孔径的单星斜视定位方法，属于电子侦察领域。本发明利用卫星轨道几何模型，设计斜视情况方位向脉冲压缩的匹配滤波，基于径向速度得到不同距离向距离对应的波束中心时刻，通过匹配滤波器的搜索确定目标距离，通过匹配滤波输出确定目标方位，最后通过斜视角确定的锥面、中心斜距确定的球面以及目标在地球表面所确定的球面三面交点确定目标坐标。本发明突破了大斜视场景下多普勒信号非线性特性明显以及波束中心时刻难以精准确定的技术难点，使得基于被动合成孔径的辐射源定位方法在大斜视角情况下能够应用，且定位精度以及灵敏度性能优异。

Description

一种基于被动合成孔径的单星斜视定位方法

技术领域

本发明属于电子侦察领域，具体涉及一种基于被动合成孔径的单星斜视定位方法。

背景技术

星载无源定位技术由于不主动发射电磁信号且卫星飞行不受国界制约，具有侦察隐蔽，探测不受空间时间限制等优势，且探测范围广，探测距离相比传统雷达远，在现代电子侦察中发挥着重要作用。相比于基于若干位置信息的传统方法，基于被动合成孔径的单星定位方法，因其相干累加特性，在灵敏度和分辨率上有着显著的优势。然而，宽波束下卫星探测范围广，为实现辐射源定位的快速响应，必然存在大斜视角的定位场景，而在大斜视角定位场景下会存在接收的多普勒信号非线性特性明显以及处理时段不包含零多普时刻的问题。

发明内容

本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了一种基于被动合成孔径的单星斜视定位方法，解决大斜视角定位场景下存在接收的多普勒信号非线性特性明显以及处理时段不包含零多普时刻的问题。

为了解决技术问题，本发明的技术方案是：

一种基于被动合成孔径的单星斜视定位方法，所述方法包括：

步骤101：接收信号预处理得到的辐射源目标的多普勒信号；

步骤102：计算已知波束斜视角下不同距离向距离对应的波束中心时刻；

步骤103：基于所述辐射源目标的多普勒信号和波束中心时刻，设计斜视情况下方位向匹配滤波器生成目标的距离方位定位图像。

步骤104：根据所述距离方位定位图像，通过峰值搜索得到目标的距离方位值，结合预设的地球模型，求解目标坐标，即实现了基于被动合成孔径的单星斜视定位。

进一步，通过仪器读取或仿真生成侦察接收机接收的辐射源目标信号，对接收的辐射源目标信号下变频、去调制得到辐射源目标的多普勒信号。

进一步，基于径向速度计算波束斜视角下不同距离向距离对应的波束中心时刻。

进一步，基于卫星轨道几何模型设计不同距离向距离所对应的匹配滤波器，利用不同距离向距离对应的匹配滤波器对步骤101得到的辐射源目标的多普勒信号进行匹配滤波处理，基于步骤102计算得到的波束中心时刻确定匹配输出结果的有效范围，并把此范围内的输出结果作为对应距离向距离下的方位输出结果。

进一步，所述步骤101的具体过程为：

设置辐射源相关参数，具体包括：各辐射源信号的调制方式以及载波频率都相同，且各辐射源信号调制方式都为二进制相移键控BPSK，载波频率都为f_c，第k个辐射源信号为s_k(t)＝g_k(t)exp(j2πf_ct)，k＝1,2,…,K，t表示时间，g_k(t) 为第k个辐射源信号的基带码元信号，K为辐射源目标总数；

设置场景及星载接收机参数，具体包括：在地心地固坐标系下，卫星轨道半径为R_s的卫星以角速度ω_s匀速圆周飞行，波束斜视角为θ_sq,c，辐射源目标在地表向四周辐射电磁信号，地球为标准球体，半径为R_e，且第k个辐射源目标经度为 Lo_k，第k个辐射源目标方位向距离为La_k，对应的距离向距离为R_k，对应的零多普勒时刻为t_k，目标地心连线和卫星轨道面的夹角为β_k；

由此获得机载接收机接收的信号r(t)：

其中，a_k表示第k个辐射源目标的接收信号强度，w(t)为零均值、方差为σ²高斯白噪声，c表示光速，

表示第k个辐射源目标到接收机的瞬时距离，根据信号载波频率对接收信号r(t)下变频得信号r₁(t)：

其中w₁(t)＝w(t)exp(-j2πf_ct)；

对下变频后的信号r₁(t)平方去调制得到辐射源目标的多普勒信号r₂(t)：

其中C_k为常复数，

对多普勒信号r₂(t)进行截断并采样得到离散信号rd：

rd(l)＝r₂(lT_s),l＝0,1,…,L-1；

其中

f_s表示采样频率，L＝floor(f_s·T)+1，截取信号时间范围为 t＝0:T_s:T，floor(·)表示向下取整，rd∈C^1×L，C^1×L表示1×L维复数矩阵。

进一步，所述步骤102的具体过程为：

根据接收天线的波束指向以及空间坐标位置确定定位区域Ω：

距离向距离范围R＝Rmax_min，方位向时间范围t_a∈[Tmax_min]，其中， Rmax_min表示以R_min为起点，R_max为终点，间隔dR进行采样，R∈R^M×1，R^M×1表示M×1维实数矩阵,R_m＝R(m),m＝1,2,…,M，M为总的距离向距离单元数；

针对距离向距离为R_m,m＝1,2,…,M的目标，设置波束中心时刻为零，则对应的卫星与目标的瞬时距离为：

其中t_c(R_m)为不同距离R_m,m＝1,2,…,M对应的相对于零多普勒时刻的波束中心时刻，

卫星辐射源瞬时距离在波束中心时刻的变化率为：

由于卫星辐射源瞬时距离在波束中心时刻的变化率与卫星速度沿波束指向的分量相等，则：

等式两边平方化简转化为cos(ω_st_k)的二次方程

A cos²[ω_st_c(Rm)]+B cos[ω_st_c(R_m)]+C＝0；

其中：

B＝-2R_eR_scos(β_m)sin²(θ_sq,c)；

解上述二次方程可以得到：

设置匹配滤波器时长为T_mf，则不同距离对应的处理时间范围：

t_m＝t(N_m+1:N_m+N₀)；

其中，

N₀＝round((T_max-T_min+T_mf)·f_s)，N_m不小于0，N_m+N₀不大于L的情况下，此时处理信号为：

rd_m＝rd(N_m+1:N_m+N₀)；

其中rd_m∈C^1×N。

进一步，所述步骤103的具体过程为：

设计不同距离向距离对应的匹配滤波器：

其中

利用距离R(m)对应的匹配滤波器h_m对截取的不同距离向距离R(m)所对应的多普勒信号rd_m，得：

X_m＝conv(rd_m,h_m)；

其中conv(·)表示卷积运算，

N_mf＝length(h_m)， length(·)表示向量元素个数；

由此得到距离R(m)下所对应的方位匹配输出结果：

I_m＝X_m(N_mf:N_mf+N-1)；

其中N＝N₀-N_mf，t_a＝linspace(Tmax_min)，表示将(Tmax_min)均分成N- 1段N点；

由此获得波束斜视角为θ_sq,c下定位区域Ω的定位结果I：

其中，I∈R^M×N，abs(·)表示取模值。

进一步，所述步骤104的具体过程为：

搜索定位结果I的峰值，确定目标的距离向距离R₀和方位向时刻t_p，由此确定目标波束中心时刻t_c(R₀)，由卫星轨道信息可知此时卫星的速度矢量：

卫星的位置矢量：

同时由目标距离向距离R₀和对应的波束中心时刻t_c(R₀)可得目标的中心距离R_c为：

其中

假设目标坐标为：

由目标的中心斜距、波束斜视角以及地球半径可以构造关于目标坐标的方程组：

解方程组得目标坐标：

y＝a₁z+a₀；

x＝b₁z+b₀；

其中：

B₀＝2a₁a₀+2b₁b₀，

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明利用卫星轨道几何模型，设计斜视情况方位向脉冲压缩的匹配滤波，基于径向速度得到不同距离向距离对应的波束中心时刻，通过匹配滤波器的搜索确定目标距离，通过匹配滤波输出确定目标方位，最后通过斜视角确定的锥面、中心斜距确定的球面以及目标在地球表面所确定的球面三面交点确定目标坐标。本发明突破了大斜视场景下多普勒信号非线性特性明显以及波束中心时刻难以精准确定的技术难点，使得基于被动合成孔径的辐射源定位方法在大斜视角情况下能够应用，且定位精度以及灵敏度性能优异。

附图说明：

图1为本发明实施例中辐射源定位流程示意图；

图2为本发明实施例中回波信号生成的几何模型示意图；

图3为本发明实施例中匹配滤波器设计的几何模型示意图；

图4为本发明实施例中辐射源空间定位几何原理图；

图5为本发明实施例的仿真结果。

具体实施方式

下面结合实施例描述本发明具体实施方式：

需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1：

图1为本发明实施例中辐射源定位流程示意图，如图1所示，本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤101：接收信号预处理得到去调制多普勒信号。仪器读取/仿真生成侦察接收机接收的辐射源目标信号，对接收信号下变频、去调制得到辐射源目标的多普勒信号；

具体的，图2为本发明实施例中回波信号生成的几何模型示意图，如图2所示。

设置辐射源相关参数，具体包括：各辐射源信号的调制方式以及载波频率都相同，且各辐射源信号调制方式都为二进制相移键控BPSK，载波频率都为f_c，第k个辐射源信号为s_k(t)＝g_k(t)exp(j2πf_ct)，k＝1,2,…,K，t表示时间，g_k(t)为第k个辐射源信号的基带码元信号，K为辐射源目标总数；

设置场景及星载接收机参数，具体包括：在地心地固坐标系下，卫星轨道半径为R_s的卫星以角速度ω_s匀速圆周飞行，波束斜视角为θ_sq,c。辐射源目标在地表向四周辐射电磁信号，地球为标准球体，半径为R_e，且第k个辐射源目标经度为 Lo_k，第k个辐射源目标方位向距离为La_k，对应的距离向距离为R_k，对应的零多普勒时刻为t_k，目标地心连线和卫星轨道面的夹角为β_k；

由此获得机载接收机接收的信号r(t)：

其中a_k表示第k个辐射源目标的接收信号强度，w(t)为零均值、方差为σ²高斯白噪声，c表示光速，

表示第k个辐射源目标到接收机的瞬时距离，根据信号载波频率对接收信号r(t)下变频得信号r₁(t)：

其中w₁(t)＝w(t)exp(-j2πf_ct)；

对下变频后的信号r₁(t)平方去调制得到辐射源目标的多普勒信号r₂(t)：

其中C_k为常复数，

对多普勒信号r₂(t)进行截断并采样得到离散信号rd：

rd(l)＝r₂(lT_s),l＝0,1,…,L-1；

其中

f_s表示采样频率，L＝floor(f_s·T)+1，截取信号时间范围为 t＝0:T_s:T，floor(·)表示向下取整，rd∈C^1×L，C^1×L表示1×L维复数矩阵。

步骤102：计算已知波束斜视角下不同距离向距离对应的波束中心时刻。基于径向速度计算波束斜视角下不同距离向距离对应的波束中心时刻。

具体的，图3为本发明实施例中匹配滤波器设计的几何模型示意图，如图3 所示，根据接收天线的波束指向以及空间坐标位置确定定位区域Ω：

距离向距离范围R＝R_min:dR:R_max，方位向时间范围t_a∈[T_min,T_max]，其中， R_min:dR:R_max表示以R_min为起点，R_max为终点，间隔dR进行采样，R∈R^M×1，R^M×1表示M×1维实数矩阵,R_m＝R(m),m＝1,2,…,M，M为总的距离向距离单元数；

针对距离向距离为R_m,m＝1,2,…,M的目标，设置波束中心时刻为零，则对应的卫星与目标的瞬时距离为：

其中t_c(R_m)为不同距离R_m,m＝1,2,…,M对应的相对于零多普勒时刻的波束中心时刻，

卫星辐射源瞬时距离在波束中心时刻的变化率为：

由于卫星辐射源瞬时距离在波束中心时刻的变化率与卫星速度沿波束指向的分量相等，则：

等式两边平方化简转化为cos(ω_st_k)的二次方程

Acos²[ω_st_c(R_m)]+Bcos[ω_st_c(R_m)]+C＝0；

其中：

B＝-2R_eR_scos(β_m)sin²(θ_sq,c)；

解上述二次方程可以得到：

设置匹配滤波器时长为T_mf，则不同距离对应的处理时间范围：

t_m＝t(N_m+1:N_m+N₀)

其中

N₀＝round((T_max-T_min+T_mf)·f_s)， N_m不小于0，N_m+N₀不大于L的情况下，此时处理信号为：

rd_m＝rd(N_m+1:N_m+N₀)；

其中rd_m∈C^1×N。

步骤103：设计斜视情况下方位向匹配滤波器生成目标的距离方位定位图像。基于卫星轨道几何模型设计不同距离向距离所对应的匹配滤波器，利用不同距离向距离对应的匹配滤波器对步骤101得到的多普勒信号进行匹配滤波处理，基于步骤102计算得到的波束中心时刻确定匹配输出结果的有效范围，并把此范围内的输出结果作为对应距离向距离下的方位输出结果。

具体的，如图3所示，设计不同距离向距离对应的匹配滤波器：

其中

利用距离R(m)对应的匹配滤波器h_m对截取的不同距离向距离R(m)所对应的多普勒信号rd_m，得：

X_m＝conv(rd_m,h_m)；

其中conv(·)表示卷积运算，

N_mf＝length(h_m)，length(·)表示向量元素个数；

由此得到距离R(m)下所对应的方位匹配输出结果：

I_m＝X_m(N_mf:N_mf+N-1)；

其中N＝N₀-N_mf，t_a＝linspace(T_min,T_max,N)，表示将(T_min,T_max)均分成N-1 段N点。

由此获得波束斜视角为θ_sq,c下定位区域Ω的定位结果I：

其中，I∈R^M×N，abs(·)表示取模值。

步骤104：通过目标距离、方位以及地球半径信息确定目标坐标。根据步骤 103得到的距离方位二维图像，通过峰值搜索得到目标的距离方位值，结合地球模型，求解目标坐标。

搜索定位结果I的峰值，确定目标的距离向距离R₀和方位向时刻t_p，由此确定目标波束中心时刻t_c(R₀)，由卫星轨道信息可知此时卫星的速度矢量：

卫星的位置矢量：

同时由目标距离向距离R₀和对应的波束中心时刻t_c(R₀)可得目标的中心距离R_c为：

其中

假设目标坐标为：

图4为本发明实施例中辐射源空间定位几何原理图，由目标的中心斜距、波束斜视角以及地球半径可以构造关于目标坐标的方程组：

解方程组得目标坐标：

y＝a₁z+a₀；

x＝b₁z+b₀；

其中

B₀＝2a₁a₀+2b₁b₀，

下面结合具体实施例对本发明处理效果做进一步展示。

效果展示用仿真实验进行展示，实施例设置的仿真参数包括：

卫星轨道数据由STK生成，卫星高度500km，轨道倾角0度，采样率最大设置为1KHz；辐射源目标1：经度115.99，纬度10.01；辐射源目标2：经度 116.01，纬度9.99；

回波信号利用STK卫星数据在MATLAB生成，信号载波频率：3GHz；码率：1000bound/s；信噪比：-5dB；为了使处理段信号不混叠进行了5倍采样；成像区域：5km；搜索间隔2m；匹配滤波器时长：4s；波束斜视角θ_sq,c＝-30°,负号表示前视。

图5为本发明实施例的仿真结果，通过三面交点可以得到对应目标的经纬度。目标1：经度115.9897，纬度10.0097；目标2：经度116.0099，纬度9.9904；目标1位置误差：44.48m，目标2位置误差：46.88m。

上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (8)

1.一种基于被动合成孔径的单星斜视定位方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤101：接收信号预处理得到的辐射源目标的多普勒信号；

步骤102：计算已知波束斜视角下不同距离向距离对应的波束中心时刻；

步骤103：基于所述辐射源目标的多普勒信号和波束中心时刻，设计斜视情况下方位向匹配滤波器生成目标的距离方位定位图像。

步骤104：根据所述距离方位定位图像，通过峰值搜索得到目标的距离方位值，结合预设的地球模型，求解目标坐标，即实现了基于被动合成孔径的单星斜视定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于被动合成孔径的单星斜视定位方法，其特征在于，通过仪器读取或仿真生成侦察接收机接收的辐射源目标信号，对接收的辐射源目标信号下变频、去调制得到辐射源目标的多普勒信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于被动合成孔径的单星斜视定位方法，其特征在于，基于径向速度计算波束斜视角下不同距离向距离对应的波束中心时刻。

4.根据权利要求1所述的一种基于被动合成孔径的单星斜视定位方法，其特征在于，基于卫星轨道几何模型设计不同距离向距离所对应的匹配滤波器，利用不同距离向距离对应的匹配滤波器对步骤101得到的辐射源目标的多普勒信号进行匹配滤波处理，基于步骤102计算得到的波束中心时刻确定匹配输出结果的有效范围，并把此范围内的输出结果作为对应距离向距离下的方位输出结果。

5.根据权利要求2所述的一种基于被动合成孔径的单星斜视定位方法，其特征在于，所述步骤101的具体过程为：

设置辐射源相关参数，具体包括：各辐射源信号的调制方式以及载波频率都相同，且各辐射源信号调制方式都为二进制相移键控BPSK，载波频率都为f_c，第k个辐射源信号为s_k(t)＝g_k(t)exp(j2πf_ct)，k＝1,2,…,K，t表示时间，g_k(t)为第k个辐射源信号的基带码元信号，K为辐射源目标总数；

设置场景及星载接收机参数，具体包括：在地心地固坐标系下，卫星轨道半径为R_s的卫星以角速度ω_s匀速圆周飞行，波束斜视角为θ_sq,c，辐射源目标在地表向四周辐射电磁信号，地球为标准球体，半径为R_e，且第k个辐射源目标经度为Lo_k，第k个辐射源目标方位向距离为La_k，对应的距离向距离为R_k，对应的零多普勒时刻为t_k，目标地心连线和卫星轨道面的夹角为β_k；

由此获得机载接收机接收的信号r(t)：

其中，a_k表示第k个辐射源目标的接收信号强度，w(t)为零均值、方差为σ²高斯白噪声，c表示光速，

表示第k个辐射源目标到接收机的瞬时距离，根据信号载波频率对接收信号r(t)下变频得信号r₁(t)：

其中w₁(t)＝w(t)exp(-j2πf_ct)；

对下变频后的信号r₁(t)平方去调制得到辐射源目标的多普勒信号r₂(t)：

其中C_k为常复数，

对多普勒信号r₂(t)进行截断并采样得到离散信号rd：

rd(l)＝r₂(lT_s),l＝0,1,…,L-1；

其中

f_s表示采样频率，L＝floor(f_s·T)+1，截取信号时间范围为t＝0:T_s:T，floor(·)表示向下取整，rd∈C^1×L，C^1×L表示1×L维复数矩阵。

6.根据权利要求2所述的一种基于被动合成孔径的单星斜视定位方法，其特征在于，所述步骤102的具体过程为：

根据接收天线的波束指向以及空间坐标位置确定定位区域Ω：

距离向距离范围R＝Rmax_min，方位向时间范围t_a∈[Tmax_min]，其中，Rmax_min表示以R_min为起点，R_max为终点，间隔dR进行采样，R∈R^M×1，R^M×1表示M×1维实数矩阵,R_m＝R(m),m＝1,2,…,m，M为总的距离向距离单元数；

针对距离向距离为R_m,m＝1,2,…,m的目标，设置波束中心时刻为零，则对应的卫星与目标的瞬时距离为：

其中t_c(R_m)为不同距离R_m,m＝1,2,…,M对应的相对于零多普勒时刻的波束中心时刻，

卫星辐射源瞬时距离在波束中心时刻的变化率为：

由于卫星辐射源瞬时距离在波束中心时刻的变化率与卫星速度沿波束指向的分量相等，则：

等式两边平方化简转化为cos(ω_st_k)的二次方程

A cos²[ω_st_c(R_m)]+B cos[ω_st_c(R_m)]+C＝0；

其中：

B＝-2R_eR_scos(β_m)sin²(θ_sq,c)；

解上述二次方程可以得到：

设置匹配滤波器时长为T_mf，则不同距离对应的处理时间范围：

t_m＝t(N_m+1:N_m+N₀)；

其中，

N₀＝round((T_max-T_min+T_mf)·f_s)，N_m不小于0，N_m+N₀不大于L的情况下，此时处理信号为：

rd_m＝rd(N_m+1:N_m+N₀)；

其中rd_m∈C^1×N。

7.根据权利要求3所述的一种基于被动合成孔径的单星斜视定位方法，其特征在于，所述步骤103的具体过程为：

设计不同距离向距离对应的匹配滤波器：

其中

利用距离R(m)对应的匹配滤波器h_m对截取的不同距离向距离R(m)所对应的多普勒信号rd_m，得：

X_m＝conv(rd_m,h_m)；

其中conv(·)表示卷积运算，

N_mf＝length(h_m)，length(·)表示向量元素个数；

由此得到距离R(m)下所对应的方位匹配输出结果：

I_m＝X_m(N_mf:N_mf+N-1)；

其中N＝N₀-N_mf，t_a＝linspace(Tmax_min)，表示将(Tmax_min)均分成N-1段N点；

由此获得波束斜视角为θ_sq,c下定位区域Ω的定位结果I：

其中，I∈R^M×N，abs(·)表示取模值。

8.根据权利要求1所述的一种基于被动合成孔径的单星斜视定位方法，其特征在于，所述步骤104的具体过程为：

搜索定位结果I的峰值，确定目标的距离向距离R₀和方位向时刻t_p，由此确定目标波束中心时刻t_c(R₀)，由卫星轨道信息可知此时卫星的速度矢量：

卫星的位置矢量：

同时由目标距离向距离R₀和对应的波束中心时刻t_c(R₀)可得目标的中心距离R_c为：

其中

假设目标坐标为：

由目标的中心斜距、波束斜视角以及地球半径可以构造关于目标坐标的方程组：

解方程组得目标坐标：

y＝a₁z+a₀；

x＝b₁z+b₀；

其中：

B₀＝2a₁a₀+2b₁b₀，

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