方位角先验条件下基于稀布线阵的测距无源定位方法技术

本发明专利技术提供一种方位角先验条件下基于稀布线阵的测距无源定位方法，结合无源定位多站体制和单站体制各自的特点，通过在空间小范围内以稀疏线阵的形式布设观测站的基础上，利用观测站接收数据相位信息，实现一近场辐射源测距定位。通过对观测数据相位信息的结构作细致的分析的基础上，利用先验方位角信息对观测数据相位信息中存在相位模糊的部分进行相位补偿，利用观测数据相位信息中无相位模糊的部分建立阵列信号模型，基于MUSIC算法完成近场辐射源距离的估计。

【技术实现步骤摘要】
方位角先验条件下基于稀布线阵的测距无源定位方法
本专利技术涉及电子信息技术，特别涉及近场辐射源无源定位技术。
技术介绍
无源定位是指在观测设备自身不辐射电磁波的条件下，被动地接收近场辐射源的电磁波信号，并在一定坐标系统下，利用观测设备和辐射源间存在的方向和距离意义上的空间相对几何关系及其变化，通过测量辐射源电磁波信号中携带的到达角、到达时间差和/或其它相应物理量的变化等信息，解算出辐射源的目标位置、速度及加速度，最终隐蔽地实现目标定位。无源定位体制分为多站无源定位和单站无源定位。多站无源定位方法主要是利用在大空间范围内设置的多个观测站截获目标辐射源发射的信号并计算出相应的观测量，如在任意两站上的到达时间差等，由此估计出目标辐射源的位置等信息。多站无源定位体制下，各观测站之间时间同步要求较严格，通常需进行大量数据传输和融合，这使得多站定位系统一般很复杂；此外，多站定位系统的可能存在多个观测站点无法成功侦收到采用了诸如自适应波束形成等低截获概率技术的辐射源发射的信号，从而直接导致多站无源定位体制失效。单站无源定位方法，如基于辐射源来波方向等观测量的单站定位方法，则无需复杂的时间同步和多个观测站之间的数据融合。但是，由于单站方法中的观测量往往没有充分包含辐射源位置信息，这使得单站无源定位方法一般存在可观性问题。为解决单站定位体制可观性问题，单站无源定位方法通常需要多次测量和较长观测时间间隔。在特定场合下，为解决可观性问题，单站无源定位系统甚至还需作特定形式的运动。因此，可观性问题经常导致各种单站无源定位方法在应用上受到限制。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种更加稳定地、有效的，根据一批次测量数据即可实现近场辐射源的无源定位方法。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是，方位角先验条件下基于稀布线阵的测距无源定位方法，包括以下步骤：步骤1.将M个观测站设置在小范围内的一条直线上，选择一个观测站为第0号观测站，其它观测点与第0号观测站的距离dm满足其中，M为系统中观测站总数，M≥2，m为观测站编号m＝0,...,M-1，λ为辐射源工作波长，θ为辐射源方位到达角，R0表示辐射源到第0号观测站的距离；步骤2.将M个观测站接收观测数据，计算得到辐射源方位到达角的估计值θ，生成观测数据矩阵x(t)，x(t)＝a(θ,R0)s(t)+n(t),t＝1,2,...,N；其中，t为采样时刻，t＝1,2,...,N，N为采样总长度，s(t)观测站接收的信号向量，n(t)为高斯白噪声向量，a(θ,R0)为辐射源阵列流形矢量，(·)T为矩阵转置运算；步骤3.利用计算辐射源方位到达角的估计值θ确定Φ，diag表示对角矩阵，将相位补偿矩阵Φ左乘到观测数据矩阵x(t)完成相位补偿；步骤4.求相位补偿所得数据矩阵的自协方差矩阵将自协方差矩阵进行矩阵特征值分解，在分解得到的特征值所对应的特征向量矩阵中删除最大特征值所对应的特征向量后得到噪声子空间矩阵G，利用噪声子空间矩阵G进行MUSIC谱峰搜索，从而获得准则函数峰值所对应的辐射源到第0号观测站的距离R0为近场辐射源距离估计值；MUSIC谱峰搜索所用准则函数PMUSIC(R0)为：PMUSIC(R0)＝1/||GHΦa(θ,R0)||2，其中，||·||2为2-范数的平方。本专利技术结合无源定位多站体制和单站体制各自的特点，提供一种介于单站与多站之间的近场辐射源无源定位方法。通过在空间小范围内以稀疏线阵的形式布设观测站的基础上，利用观测站接收数据相位信息，实现一近场辐射源测距定位。本专利技术利用观测数据的相位信息进行测距，这一点与传统无源定位方法所采用的到达时差等观测量全然不同。由于观测站阵列在空域稀疏布设，由近场辐射源的方位到达角和距离两参数刻画的阵列流形矢量通常存在相位模糊问题。通过对观测数据相位信息的结构作细致的分析的基础上，利用先验方位角信息对观测数据相位信息中存在相位模糊的部分进行相位补偿，利用观测数据相位信息中无相位模糊的部分建立阵列信号模型，基于MUSIC算法完成近场辐射源距离的估计。进一步的，在基于MUSIC算法完成近场辐射源距离的初始估计后，再利用高精度的极大似然方法迭代地获得近场辐射源距离的高精度估计。即，步骤4之后还包括步骤5：步骤5：用辐射源方位到达角的估计值θ和近场辐射源距离估计值作为初始值，根据极大似然方法准则，采用拟牛顿迭代获得辐射源方位到达角和近场辐射源距离两维参数向量的高精度估计值；极大似然方法的准则函数为：为辐射源方位到达角的高精度估计值，为近场辐射源距离的高精度估计值，表示当目标函数f(α)取最小值时对应α的值；|·|为行列式符号，为辐射源功率估计值，为噪声功率估计值，IM为M×M的单位矩阵；是辐射源阵列流形矢量a(θ,R0)的伪逆，(·)H为矩阵共轭转置运算，为样本自协方差矩阵，Tr{·}为取矩阵迹，为a(θ,R0)正交补子空间的垂直投影算子矩阵，拟牛顿迭代过程为：αk+1＝αk-μkH-1(αk)f'(αk)；其中，αk是第k步迭代获得的辐射源阵列流形矢量α估计值，μk是第k步的迭代步长，H是目标函数f(α)的黑塞Hessian矩阵或其正定的近似矩阵，f'(αk)为目标函数的梯度；迭代终止准则为||H-1(αk)f'(αk)||小于指定数值ε且矩阵H正定，或者迭代次数达到预设最大次数；步骤6：利用辐射源方位到达角的估计值θ以及近场辐射源距离高精度估计值完成辐射源定位。本专利技术的有益效果是，具有同多站体制一样利用空间维，又具有单站无源定位系统快速布设特点，根据一个批次测量数据即可实现近场辐射源测距定位等特点。附图说明图1为本专利技术无源定位问题在右手直角坐标系下的几何图示。考虑在空间平面内某一直线上小范围内稀疏布设M个观测站(观测站之间最远距离不超过某一阈值)，接收一个近场辐射源T从方位角θ辐射来的信号。图2为采用本专利技术具体实例方式在不同方位角先验信息条件下测定的测距均方根误差统计结果，纵坐标是测距误差均方根值，单位为米，横坐标是方位角θ＝-70°,-50°,-30°,-10°,0°,20°,30°,40°,60°,70°，单位为度。图3为采用本专利技术具体实例方式在不同方位角先验信息条件下测定的相对测距均方根误差统计结果，纵坐标是相对测距误差均方根值(比例值，故无单位)，横坐标是方位角θ＝-70°,-50°,-30°,-10°,0°,20°,30°,40°,60°,70°，单位为度。具体实施方式如图1所示，选择一个观测站作为坐标原点，记为第0号观测站，并将观测站阵列所在直线定为X轴，在近场辐射源和X轴所构成的空间平面内建立XY右手直角坐标系。将近场辐射源到坐标原点之间的射线OT以逆时针方向旋转至坐标轴Y所扫过的角度，定义为正向方位到达角度。本专利技术方法所用的关键等式为：(Rm)2＝(R0)2+(dm)2-2R0dmsinθ此等式本文档来自技高网...

【技术保护点】
方位角先验条件下基于稀布线阵的测距无源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.将M个观测站设置在小范围内的一条直线上，选择一个观测站为第0号观测站，其它观测点与第0号观测站的距离dm满足其中，M为系统中观测站总数，M≥2，m为观测站编号m＝0,...,M‑1，λ为辐射源工作波长，θ为辐射源方位到达角，R0表示辐射源到第0号观测站的距离；步骤2.将M个观测站接收观测数据，计算得到辐射源方位到达角的估计值θ，生成观测数据矩阵x(t)，x(t)＝a(θ,R0)s(t)+n(t),t＝1,2,...,N；其中，t为采样时刻，t＝1,2,...,N，N为采样总长度，s(t)观测站接收的信号向量，n(t)为高斯白噪声向量，a(θ,R0)为辐射源阵列流形矢量，a(θ,R0)=[1,e-j2πd1sinθ/λ+jπ(d1cosθ)2/(λR0),...,e-j2πdM-1sinθ/λ+jπ(dM-1cosθ)2/(λR0)]T,]]>(·)T为矩阵转置运算；步骤3.利用计算辐射源方位到达角的先验信息θ确定Φ，diag表示对角矩阵，将相位补偿矩阵Φ左乘到观测数据矩阵x(t)完成相位补偿；步骤4.求相位补偿所得数据矩阵的自协方差矩阵将自协方差矩阵进行矩阵特征值分解，在分解得到的特征值所对应的特征向量矩阵中删除最大特征值所对应的特征向量后得到噪声子空间矩阵G，利用噪声子空间矩阵G进行MUSIC谱峰搜索，从而获得准则函数峰值所对应的辐射源到第0号观测站的距离R0为近场辐射源距离估计值；MUSIC谱峰搜索所用准则函数PMUSIC(R0)为：PMUSIC(R0)＝1/||GHΦa(θ,R0)||2，其中，||·||2为2‑范数的平方。...

【技术特征摘要】
1.方位角先验条件下基于稀布线阵的测距无源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.将M个观测站设置在小范围内的一条直线上，选择一个观测站为第0号观测站，其它观测点与第0号观测站的距离dm满足其中，M为系统中观测站总数，M≥2，m为观测站编号m＝0,...,M-1，λ为辐射源工作波长，θ为辐射源方位到达角，R0表示辐射源到第0号观测站的距离；步骤2.将M个观测站接收观测数据，计算得到辐射源方位到达角的估计值θ，生成观测数据矩阵x(t)，x(t)＝a(θ,R0)s(t)+n(t),t＝1,2,...,N；其中，t为采样时刻，t＝1,2,...,N，N为采样总长度，s(t)观测站接收的信号向量，n(t)为高斯白噪声向量，a(θ,R0)为辐射源阵列流形矢量，(·)T为矩阵转置运算；步骤3.利用计算辐射源方位到达角的先验信息θ确定Φ，diag表示对角矩阵，将相位补偿矩阵Φ左乘到观测数据矩阵x(t)完成相位补偿；步骤4.求相位补偿所得数据矩阵的自协方差矩阵将自协方差矩阵进行矩阵特征值分解，在分解得到的特征值所对应的特征向量矩阵中删除最大特征值所对应的特征向量后得到噪声子空间矩阵G，利用噪声子空间矩阵G进行MUSIC谱峰搜索，从而获得准则函数峰值所对应的辐射源到第0号观测站的距离R0为近场辐射源距离估计值；MUSIC谱峰搜索所用准则函数PMUSIC(R0)为：PMUSIC(R0)＝1/||GHΦa(θ,R0)||2，其中，||·||2为2-范数的平方。2....

【专利技术属性】
技术研发人员：殷吉昊，刘梦晗，万群，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51