CN1932549A - 一种低空飞行目标无源定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种低空飞行目标无源定位方法及系统，涉及无线通信技术领域。建立一种蜂窝网无源定位系统，使用CDMA蜂窝网基站的信号作为无源侦测信号，在CDMA网络中放入直放设备，对CDMA基站的信号进行放大和转发，设置CDMA基站信号侦收设备，侦收设备对目标的反射信号进行检测和估计，判断目标是否为低空飞行目标，并将检测和估计的参数发送到控制中心存储器，位置确定单元根据控制中心接收的参数情况，建立观测方程，求解目标位置坐标。本发明可有效地解决无源定位系统直达信号对发射信号的干扰以及系统的作用距离问题，并且有利于弱反射信号的检测和估计，对远距离目标定位成功率高。

Description

一种低空飞行目标无源定位方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及对无源移动目标的定位。

背景技术

CDMA蜂窝网早己成功商用并且非常完善，使用CDMA蜂窝网系统的民用信号进行飞行目标的无源定位具有以下特点：①信号可以重构有利于侦收设备有效的进行信号的搜索、捕获；②扩频增益高；有利于弱信号的检测；③基站间严格同步，同步精度在100ns以内，有利于TDOA(Time Differenceof Arrival)观测方程的建立；④CDMA基站间信号导频偏置为64chip＝52μs，有利于始发基站信号的识别；⑤测距精度高，有利于定位精度的提高。在文献[Peiguo Liu；Jibin Liu.Analysis of passive targets detectionusing CDMA signal.VLSI Design and Video Technology，2005.Proceedingsof 2005 IEEE International Workshop on.28-30 May 2005 Page(s)：408-410.]中描述了使用CDMA移动蜂窝网系统构造双基雷达实现飞行目标的无源定位系统关键技术。

但是直接使用CDMA基站信号进行飞行目标的无源定位存在以下难题：①对于远距离目标定位成功率低；②作用距离小，弱信号检测难度大；③直达信号和杂波抑制难度大。为解决作用距离过小和定位成功率较低的困境，一些单位和机构设计具有民用信号的发射机，但是这种设备需要基带处理和授时功能，设备价格较高，对民用频段干扰较大。

发明内容

本发明针对现有技术的上述缺陷，提出一种基于直放设备的CDMA蜂窝网低空飞行目标无源定位方法及系统。在CDMA网络中加入直放设备，采用直放设备直接将CDMA基站的信号转发出去，利用直放设备和侦收设备功率调整以及天线的方向性可有效地解决无源定位系统直达信号对发射信号的干扰以及系统的作用距离问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：建立一种蜂窝网无源定位系统，使用CDMA蜂窝网基站的信号作为无源侦测信号，在CDMA网络中放入直放设备，对CDMA基站的信号进行放大和转发，设置CDMA基站信号侦收设备(Receiver)，侦收设备对目标的反射信号进行检测和估计，判断目标是否为待测目标，如是待测目标，将检测和估计的参数发送到控制中心存储器；位置确定单元根据控制中心接收的参数情况建立距离观测方程，求解目标位置坐标。

直放设备和侦收设备天线方向对准监测目标来向，侦收设备与直放设备相距一定距离；侦收设备将获取的参数发送到位于控制中心的位置确定单元(PDU)；控制中心通过有线或无线方式与每个侦收设备相连，获取侦收设备的参数信息和控制信息。

直放设备应避免放置在其接收天线方向有多个(三个以上)移动通信系统基站导频信号强度相当的位置。

位置确定单元根据信号的参数特性确定所接收信号是否为低空飞行目标的反射信号，并利用侦收设备检测参数和数据库存储参数建立观测方程，求解观测方程，得倒无源低空飞行目标的位置坐标。

由于直放设备的电延迟和目标的动态特性，在时域和频域上，原CDMA基站信号和反射信号可以完全错开，有利于弱反射信号的检测和估计。

本发明还提出一种蜂窝网无源定位方法，在CDMA通信网络中设置直放设备、侦收设备，使用CDMA基站信号作为无源侦测信号，直放设备对CDMA基站信号进行放大和转发；侦收设备调整信号的搜寻窗位置和宽度，并对目标的反射信号进行检测和估计，判断目标是否为待测目标(即低空飞行目标)，如果是待测目标，将检测和估计的参数发送到控制中心存储器中，位置确定单元设置在控制中心，位置确定单元根据控制中心接收到的参数情况，调用存储器中的参数建立距离观测方程，求解目标位置坐标。

目标的反射信号包括：信号到达时间、信号强度、信号到达角度、CDMA基站的地理位置，侦收设备根据上述信号确定信噪比、时间延迟、多普勒频率偏移，并设置信号处理数据长度以及信噪比检测门限，根据多普勒频率偏移、信号强度、时间延迟判断目标是否为低空飞行目标。位置确定单元根据侦收设备检测到的目标反射信号的方位角和俯仰角建立角度观测方程。如果控制中心收到侦收设备发送的由目标反射的直放设备转发的多个CDMA基站的信号时，可以建立多个椭球观测方程。

本发明的有益效果是，利用直放设备和侦收设备功率调整以及天线的方向性可有效地解决无源定位系统直达信号对发射信号的干扰以及系统的作用距离问题，并且有利于弱反射信号的检测和估计。对于远距离目标定位成功率高。

附图说明

图1低空飞行目标系统定位流程图

图2目标定位原理示意图

图3角度和时延测量飞行目标定位原理图

具体实施方式

图1所示为本发明的低空飞行目标系统定位方法流程图，首先在CDMA网络中放入直放设备，对CDMA基站的信号进行放大和转发，测量CDMA系统导频码的相位时延，时间延时；设置CDMA基站信号侦收设备(Receiver)，侦收设备在进行时频二维搜索完成对信号的估计和检测时需要调整时域搜寻窗和频域搜寻窗的位置和宽度。直放设备和侦收设备天线方向对准监测目标来向，侦收设备与直放设备相距一定距离；位置确定单元(PDU)设置在控制中心处，控制中心直接和侦收设备相连(这种连接方式可以是有线的，也可以是无线的)，直放设备应放置在避免其接收天线方向有多个强度(三个及其以上)相当的导频信号位置。

将直放设备的地理位置坐标和信号的时间延迟，侦收设备的地理位置坐标，CDMA基站的导频信号和地理位置坐标等参数发送到位于控制中心的存储器中存储；在侦收设备端设置信号处理数据长度以及信噪比检测门限；侦收设备接收目标反射的由直放设备转发的CDMA基站信号，对接收信号(包括到达时间、信号强度、信号到达角度、频率偏移、CDMA基站的地理位置)进行检测，确定信噪比、时间延迟、信号到达方向、多普勒频率偏移；根据多普勒频率偏移、信号强度、时间延迟判断目标是否为低空飞行目标。如果反射波的特性符合以下特性，该目标为低空飞行目标，即待定位目标。

①频率偏移，快速低空飞行目标的频率偏移比其他目标的频率偏移高5倍以上；②信号强度，低空飞行目标的反射信号强度与直达信号以及多径信号相比小40dB以上；③时间延迟，以目标在50公里处为例，低空飞行目标的反射信号时间延迟与直达信号以及多径信号相比增加300μs以上。如果确定目标为待定位目标，则侦收设备将接收的上述信号参数发送到控制中心；控制中心通知相邻侦收设备进行信号处理数据长度调整，并进行信号检测；相邻侦收设备也将检测到的信号参数发送到控制中心的数据存储器中进行存储，定位中心根据信号强度和检测到的反射信号数量判断定位可能性；如具备定位可能，由位置确定单元(PDU)调用数据库中相应参数，以及计算模型求解目标位置，并输出定位结果。

直放设备、侦收设备、控制中心的选址、安装和架设。

在CDMA移动通信系统中，增加直放设备、侦收设备、控制中心，在进行直放设备的位置选择过程中，应当避免接收CDMA基站信号的直放设备天线方向上有多个信号强度相当的导频信号，以免造成转发的基站信号过多，影响信号的侦测效果，且该直放设备需要提供自定位功能，可以和CDMA基站同站架设也可以分置，直放设备的天线一定要指向监测目标的来向以防造成对移动通信系统的干扰。直放设备的作用是将CDMA基站的信号进行放大和转发。

侦收设备需要同直放设备保持一定的距离(一般在5公里以上)，侦收设备的天线指向监测目标的来向，在信号检测过程中需要进行时频搜索，利用目标的频域特性完成对目标的分辨和检测。侦收设备检测到目标的信号后将信噪比、时间延迟、信号到达方向、多普勒频率偏移、信号强度等相应的参数发送到控制中心，同时控制中心可以向侦收设备发送相应的控制信息。

通过调整搜寻窗的参数消除时间估计误差。在侦收设备上调整信号的搜索窗口位置和宽度，对CDMA基站信号搜索窗口中心点进行调整，调整值为直放设备的时间延迟量；在CDMA搜索窗宽度基础上增加一个度量值作为搜索窗的宽度调整，该值可取2*R/(3*10⁸)(其中R为系统作用距离)。

侦收设备的功能是对低空飞行目标的反射信号进行检测，为了实现对反射信号的同步和解码，该侦收设备需要具有授时系统以满足对时钟和频率精度的要求，授时精度最好在20ns范围。通过侦收设备获取以下信息：信号到达时间TOA(Time of Arrival)，信号强度SOA(Strength of Arrival)，信号到达角度AOA(Angle of Arrival)，频率偏移FOA(Frequency ofArrival)，CDMA基站的地理位置，并确定信噪比、时间延迟、多普勒频率偏移；同时该基站提供以下外部接口：电源、通信、CDMA天线。

控制中心包括位置确定单元和数据存储单元，位置确定单元根据相应参数调用计算模块进行目标位置的计算，同时控制中心可以接收侦收设备发送的信息，并且可以向侦收设备发送相应的控制信息。

图2所示为目标定位原理示意图，当有多个直放设备的信号被侦收设备检测后，相应参数被送到控制中心位置确定单元PDU，确定低空飞行目标FlingTarget的地理位置。

图中以R_tr表示直放设备TA与侦收设备Receiver的相对位置，侦收设备检测飞行目标(Fling Target)的反射信号，并且获取时间延迟估计τ_TFA+τ_FR，将上述检测参数送入控制中心存储器中存储，位置确定单元调用相关参数，可建立以直放设备TA和侦收设备为焦点，以c×(τ_TFA+τ_FR)为长短轴之和的椭球方程，飞行目标即位于该椭球轨迹上。同理，可得到侦收设备分别与直放设备TB和TC构成的椭球轨迹，由三个椭球轨迹的交点可获知目标的位置。建立侦收设备、直放设备TA和CDMA基站BSA之间的分段距离观测方程

$\sqrt{{(x-x_R)}^2+{(y-y_R)}^2+{(z-z_R)}^2}+\sqrt{{(x-x_{\mathrm{TA}})}^2+{(y-y_{\mathrm{TA}})}^2+{(z-z_{\mathrm{TA}})}^2}$

$+\sqrt{{(x_{\mathrm{BA}}-x_{\mathrm{TA}})}^2+{(y_{\mathrm{BA}}-y_{\mathrm{TA}})}^2+{(z_{\mathrm{BA}}-z_{\mathrm{TA}})}^2}$

$=({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{RA}}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{TA}})\·C$

公式1

其中，“x，y，z”：待测飞行目标的地理坐标。其他各参数在建立系统时均可测量，其具体含义如下所述，“x_R，y_R，z_R”：侦收设备的地理坐标，“x_TA，y_TA，z_TA”：直放设备TA的地理坐标，“x_BA，y_BA，z_BA”：CDMA基站BSA的地理坐标，τ_RA：CDMA基站BSA发送的信号通过直放设备TA转发后由飞行目标反射到达侦收设备的时间延迟(该时间延迟由CDMA基站BSA到直放设备TA距离时间延迟τ_BTA、直放设备TA到低空飞行目标距离时间延迟τ_TA、低空飞行目标到侦收设备的距离时间延迟τ_FR、CDMA基站的误差τ_eBA、反射信号的传播误差τ_eTA、侦收设备误差τ_eR确定)，τ_TA：直放设备TA转发信号时造成的信号延迟，C：光速。

公式1进行变形可得：

$\sqrt{{(x-x_R)}^2+{(y-y_R)}^2+{(z-z_R)}^2}+\sqrt{{(x-x_{\mathrm{TA}})}^2+{(y-y_{\mathrm{TA}})}^2+{(z-z_{\mathrm{TA}})}^2}$

$=({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{RA}}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{TA}})\·C-\sqrt{{(x_{\mathrm{BA}}-x_{\mathrm{TA}})}^2+{(y_{\mathrm{BA}}-y_{\mathrm{TA}})}^2+{(z_{\mathrm{BA}}-z_{\mathrm{TA}})}^2}$

表示侦测目标位于以直放设备TA和侦收设备为焦点的椭球面上。

●建立多个观测方程

假设有多个CDMA基站(BSB、BSC)的信号通过直放设备(TB、TC)转发后由目标反射到侦收设备，可以建立多个椭球方程。

基于直放设备TB和CDMA基站BSB建立的椭球方程

$\sqrt{{(x-x_R)}^2+{(y-y_R)}^2+{(z-z_R)}^2}+\sqrt{{(x-x_{\mathrm{TB}})}^2+{(y-y_{\mathrm{TB}})}^2+{(z-z_{\mathrm{TB}})}^2}$

$=({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{RB}}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{TB}})\·C-\sqrt{{(x_{\mathrm{BB}}-x_{\mathrm{TB}})}^2+{(y_{\mathrm{BB}}-y_{\mathrm{TB}})}^2+{(z_{\mathrm{BB}}-z_{\mathrm{TB}})}^2}$

公式2

基于直放设备TC和CDMA基站BSC建立的椭球方程

$\sqrt{{(x-x_R)}^2+{(y-y_R)}^2+{(z-z_R)}^2}+\sqrt{{(x-x_{\mathrm{TC}})}^2+{(y-y_{\mathrm{TC}})}^2+{(z-z_{\mathrm{TC}})}^2}$

$=({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{RC}}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{TC}})\·C-\sqrt{{(x_{\mathrm{BC}}-x_{\mathrm{TC}})}^2+{(y_{\mathrm{BC}}-y_{\mathrm{TC}})}^2+{(z_{\mathrm{BC}}-z_{\mathrm{TC}})}^2}$

公式3

如果根据侦收设备检测的信号能建立三个(或多个)椭球方程，则目标位于三个(或多个)椭球EllipseA、EllipseB、EllipseC的交汇区域，求解由公式1、公式2、公式3联立的方程组，可得侦测目标位置坐标x，y，z。

侦收设备同时可以测量目标的反射信号的方向角，可以建立角度测量方程。图3所示为角度和时延测量飞行目标定位原理示意图。目标反射信号的方向角和时间延迟信息被侦收设备检测后，相应参数被送到位置确定单元，确定低空飞行目标的地理位置，位于椭球面Ellipse A轨迹范围内。

·建立角度观测方程

当目标反射的基站信号被侦收设备检测到并且测量目标反射信号的方位角θ和俯仰角后，将其送往位置确定单元，位置确定单元一旦接收到侦收设备送来的上述参数后，即可建立角度观测方程(如公式4所示)。

公式4

分以下几种情况进行位置求解。

①建立多个距离观测方程

当有多个CDMA基站的信号通过直放设备转发后由目标反射到侦收设备，侦收设备确定后将其发送到控制中心，控制中心接收到3个以上侦收设备发送的待定位目标反射的检测参数后，位置确定单元即可以根据相关参数在系统定位模型中构造多个(3个以上)观测方程。当系统的定位模型包括多个观测方程时，可以建立超定方程，对方程进行泰勒展开使非线性方程组变化为线性方程组，然后使用最小二乘算法确定未知数，即低空飞行目标位置坐标。

②建立两个距离观测方程

当控制中心收到由两个侦收设备发送的检测参数后，并且侦收设备汇报的来波方向的估计误差较大时，仅仅使用两个时间估计值构造距离观测方程。在这种情况下，因为有三个未知数，两个方程无法求解相应的参数；根据飞行目标的特点假定飞行目标的高度为常量，使用滤波算法即可确定目标的地理位置。

当有一个CDMA基站的信号经过转发后被侦收设备监测到并且获得相应的时间延迟和角度信息后，可以使用公式4和公式1建立联立方程组求解目标位置。

③建立三个观测方程

当控制中心收到由两个侦收设备发送的检测参数后，并且相应的TOA观测值和角度观测值有3个可以构造观测方程(即可建立距离观测方程或角度观测方程)，在这种情况下，可以构造正定方程，对观测方程进行泰勒展开使非线性方程组变为线性方程组，然后使用最小二乘算法确定目标位置。

该申请借助于直放站设备进行信号转发，提高目标反射信号的检测概率，增加了定位的可靠性和成功率，使用直放设备不需要基带处理，减少授时单元和信号处理单元，降低设备费用，具有良好的拓展性。

Claims (9)

1、一种蜂窝网无源定位方法，使用CDMA基站信号作为无源侦测信号，其特征在于，在CDMA通信网络中设置直放设备、侦收设备，直放设备对CDMA基站信号进行放大和转发；侦收设备对目标的反射信号进行检测和估计，判断目标是否为待测目标，如果是待测目标，将检测和估计的参数发送到控制中心存储器中，位置确定单元根据控制中心接收到的参数情况，调用存储器中的参数建立观测方程，求解目标位置坐标。

2、根据权利要求1所述的蜂窝网无源定位方法，其特征在于，目标的反射信号包括：信号到达时间、信号强度、信号到达角度、频率偏移、CDMA基站的地理位置，侦收设备根据上述信号估计信噪比、时间延迟、多普勒频率偏移。

3、根据权利要求1所述的蜂窝网无源定位方法，其特征在于，所述待测目标为低空飞行目标。

4、根据权利要求1-3其中之一所述的蜂窝网无源定位方法，其特征在于，位置确定单元根据控制中心收到的侦收设备检测的由目标反射的直放设备转发的CDMA基站信号，建立椭球观测方程。

5、根据权利要求1-3其中之一所述的蜂窝网无源定位方法，其特征在于，位置确定单元根据控制中心收到的侦收设备检测的目标反射信号的方位角和俯仰角建立角度观测方程。

6、根据权利要求2所述的蜂窝网无源定位方法，其特征在于，侦收设备设置信号处理数据长度以及信噪比检测门限，根据多普勒频率偏移、信号强度、时间延迟判断目标是否为待测目标。

7、一种蜂窝网无源定位系统，使用CDMA蜂窝网基站的信号作为无源侦测信号，其特征在于，在CDMA网络中设置直放设备，对CDMA基站的信号进行放大和转发；设置侦收设备，对目标的反射信号进行检测和估计，判断目标是否为待测目标，并将检测和估计的参数发送到控制中心存储器；位置确定单元设置在控制中心，位置确定单元根据控制中心接收的参数情况，调用存储器中参数建立观测方程，求解目标位置坐标。

8、根据权利要求7所述的蜂窝网无源定位系统，其特征在于，侦收设备与直放设备的设置相距距离至少5米，直放设备和侦收设备接收天线方向对准监测目标来向，直放设备放置在避免其接收天线方向有多个强度相当的导频信号位置。

9、根据权利要求7或8所述的蜂窝网无源定位系统，其特征在于，所述待测目标为低空飞行目标。

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