单通道双基站超短波信号空间定位方法技术

本发明专利技术公开一种单通道双基站超短波信号空间定位方法，属于超短波无线电定位技术领域。本方法利用单通道的准多普勒天线阵和参考天线组成的双站定位系统，将仿真信号直接提取相位作为数据库，利用空间夹角把方位角、俯仰角二维信息转化为一维信息，采用相似性度量函数对数据库和实测相位进行匹配搜索，求取目标源所在方位角。本发明专利技术方法实现了对空中的超短波射频信号进行精确定位，提高了测向系统的实时性，降低了系统成本和复杂度，可节约大量人力及资金，具有重要的实际意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超短波无线电定位
，涉及到双基地超短波信号空间定位方法，具体涉及到一种基于单通道伪多普勒测向及TDOA(到达时间差)估计的双基站空间定位方法。
技术介绍
无线电测向技术的发展是与电磁波及其应用的研究工作密切联系在一起的。每种电磁辐射，不论以何种形式出现，都带有方向信息。无线电测向按其测向原理的不同，可以分为振幅法、相位法、多普勒法、到达时间差法、空间谱估计法等。振幅法测向是根据测向天线阵列各阵元感应来波信号后输出信号的幅度大小，即利用天线各阵元的直接幅度响应或者比较幅度响应，测得来波到达方向的方法。相位法测向是根据测向天线阵列各阵元之间的相位差，测定来波到达方向的方法。如相位干涉仪测向、多普勒和准多普勒测向等。多普勒法测向是利用测向天线自身以一定的速度旋转引起的接收信号附加多普勒调制进行测向的方法。本质上属于相位法测向。时差法测向是根据测得的来波信号到达测向天线阵列中两个及以上不同位置的阵元的时间差来测定来波到达方向的方法。空间谱估计测向是将测向天线阵列接受的信号分解为信号与噪声两个子空间，利用来波方向构成的矢量与噪声子空间正交的特性测向。在现有测向方法中，幅度测向法由于系统复杂，误差较大，而多普勒测向法则受噪声和信号调制类型的影响较大，所以在实际应用中受到一定限制。空间谱估计测向法是近年来兴起的测向体制之一，是一种高精度测向体制，但是，计算的复杂度使得技术实现上也存在一定的困难，如相位一致的多通道接收机难以制作。因此，大多数宽带测向系统仍然是以干涉仪测向法为基础的，具有高精度、算法简单、高灵敏度等优点。超短波信号由于频段宽，通信容量大；视距以外的不同网络电台可以用相同频率工作；可用方向性较强的天线，有利于抗干扰；通信较稳定等特点，广泛的应用于军事通信、地震灾害监控、洪水预警等领域。因此，对此类信号进行定位是无线电测向中一项重要任务。但针对具有较高中心频率的超短波信号，为避免天线互耦的影响，基线间距离增大，从而无法满足条件：λ/d＞1/2，d为基线间距离，λ为超短波信号波长，故对此类信号的测向很容易产生相位模糊的问题。目前解决相位模糊的方法主要有长短基线相结合法、曲线拟合法、数据库相关法等。长短基线相结合法是利用短距离的天线元得到粗略的距离，再利用长基线由于相位模糊得到的多个解，从中得到精确值。但此方法不适用于高频超短波信号，需要短基线也很难得到精确解，同时此种方法需要双通道或多通道接收系统，设备成本高，灵活性差。曲线拟合法利用周期中的连续两点作为基准，对信号每一点相位做整数倍周期的加减，从而拟合成正弦波形。但信号频率很高导致没有连续的两点，则无法实现曲线拟合。数据库相关法是通过比较入射信号的实测相位差信息与事先已存在的各方位、频率入射信号的相位差分布信息的相似性，从而得到入射信号的方位信息，但在无相位模糊或半模糊区域，会存在相同的相关系数，导致出现多解的问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有对目标超短波信号进行空间定位存在的问题，提供了一种单通道双基站超短波信号空间定位方法。本专利技术充分考虑实际应用环境和应用场合，采用简单便携式的单通道测向系统，提出了伪多普勒测向技术和相关干涉仪相结合的测向方法，实现了单通道到阵列下的高分辨测向。同时，针对超短波在较高频段易引起相位模糊问题，本专利技术将仿真信号直接提取相位作为数据库，这里要求仿真信号与实测信号具有相同频率，即提取的相位具有相同的相位模糊，进而采用相似性度量函数对数据库和实测相位进行匹配搜索，求取目标源所在方位角，很好地解决了相位模糊问题；本专利技术进一步利用空间夹角把方位角、俯仰角二维信息转化为一维信息；采用单通道多普勒测向及TDOA估计的双站定位方法，实现了空间目标的精确定位，提高了测向系统的实时性，从实际应用角度来看，减少了系统的成本，降低了系统的复杂度，具有重要的实际应用价值。本专利技术提供的基于单通道准多普勒天线阵和参考天线的单通道双基站超短波信号空间定位方法，包括如下步骤：步骤一：将准多普勒天线阵和参考天线利用GPS进行同步；步骤二：设置准多普勒天线阵单通道开关控制器的开关工作模式处在停留模式，准多普勒天线阵和参考天线同步接收超短波信号；所述的停留模式下，开关静态连通准多普勒天线阵中的某一根天线；步骤三：针对高频率超短波信号，影响其TDOA估计结果的因素主要有窄带、分数时延等问题，对步骤二得到的两路具有时延信息的信号求取时延估计值，具体是：首先采用样条插值，求取分数时延，再利用希尔伯特差值与相关函数相结合的方法求取窄带信号时延估计值；步骤四：设置准多普勒天线阵单通道开关控制器的开关工作模式处在连续切换模式，准多普勒天线阵和参考天线同步接收超短波信号；所述的连续切换模式下，开关以设定的角频率在准多普勒天线阵的天线中进行切换；利用步骤二得到的两路同步信号对本步骤准多普勒天线阵接收的信号进行消除调制信息和初始相位处理，得到仅包含准多普勒相位的信号；步骤五：对步骤四处理得到后形成的单脉冲准多普勒信号提取相位；步骤六：利用理论的准多普勒天线阵建立包含空间夹角的仿真相位差数据库；步骤七：将实测的相位差，在包含空间夹角的仿真相位差数据库中进行相似性度量，得到相似性最大的仿真相位差所对应的空间夹角，将空间夹角转换为所要估计的俯仰角和方向角；步骤八：利用估计的时延和俯仰角、方向角对目标进行定位。定位时，将时延估计值与双站形成的双曲线作为目标方程，方位角与单通道阵列形成的直线作为约束方程，采用牛顿法优化算法得到目标源的坐标位置。相对于现有技术，本专利技术的优点和积极效果在于：本专利技术即能够利用单通道的伪多普勒天线阵和参考天线，无需庞大的天线阵，同时解决了调制信息和初始相位的影响，又充分考虑超短波射频信号产生的相位模糊，建立同真实信号一样波长的单载波零中频仿真信号的相位数据库，利用相似度度量方法有效解决了实现超短波射频信号的空间定位。本专利技术是根据实际需求提出，特别适用于无条件架设庞大天线阵的地区，可节约大量人力及资金，采用简单便捷的单通道系统，实现对超短波信号的宽频段、全方位、高精度空间定位，具有重要的实际意义。附图说明图1为本专利技术提供的单通道双基地超短波信号空间定位系统总流程图；图2为准多普勒天线阵列单通道开关控制器的示意图；图3为准多普勒天线阵控制开关工作模式选择界面示意图；图4为信号软件采集的界面示意图；图5为本专利技术实施例中参考天线接收到的915MHz超短波MSK信号波形图；图6为本专利技术实施例中准多普本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单通道双基站超短波信号空间定位方法，其特征在于，采用两个接收站，接收站一采用单通道准多普勒天线阵，接收站二为参考天线，所述定位方法实现步骤如下：步骤一：将准多普勒天线阵和参考天线利用GPS进行同步；步骤二：设置准多普勒天线阵单通道开关控制器的开关工作模式处在停留模式，准多普勒天线阵和参考天线同步接收超短波信号；所述的停留模式下，开关静态连通准多普勒天线阵中的某一根天线；步骤三：对步骤二得到的两路信号求取时延估计值；步骤四：设置准多普勒天线阵单通道开关控制器的开关工作模式处在连续切换模式，准多普勒天线阵和参考天线同步接收超短波信号；所述的连续切换模式下，开关以设定的角频率在准多普勒天线阵的天线中进行切换；利用步骤二得到的两路同步信号对本步骤准多普勒天线阵接收的信号消除调制信息和初始相位，得到仅包含准多普勒相位的信号；步骤五：对步骤四得到的准多普勒信号提取相位，并求取相位差；步骤六：利用理论的准多普勒天线阵建立包含空间夹角的仿真相位差数据库；步骤七：将实测的相位差，在包含空间夹角的仿真相位差数据库中进行相似性度量，得到相似性最大的仿真相位差所对应的空间夹角，将空间夹角转换为所要估计的俯仰角和方向角；步骤八：利用估计的时延和俯仰角、方向角对目标进行定位，具体是：将时延估计值与双站形成的双曲线作为目标方程，将方位角与单通道阵列形成的直线作为约束方程，采用牛顿法优化算法得到目标源的坐标位置。...

【技术特征摘要】
1.一种单通道双基站超短波信号空间定位方法，其特征在于，采用两个接收站，接收站
一采用单通道准多普勒天线阵，接收站二为参考天线，所述定位方法实现步骤如下：
步骤一：将准多普勒天线阵和参考天线利用GPS进行同步；
步骤二：设置准多普勒天线阵单通道开关控制器的开关工作模式处在停留模式，准多普
勒天线阵和参考天线同步接收超短波信号；所述的停留模式下，开关静态连通准多普勒天线
阵中的某一根天线；
步骤三：对步骤二得到的两路信号求取时延估计值；
步骤四：设置准多普勒天线阵单通道开关控制器的开关工作模式处在连续切换模式，准
多普勒天线阵和参考天线同步接收超短波信号；所述的连续切换模式下，开关以设定的角频
率在准多普勒天线阵的天线中进行切换；
利用步骤二得到的两路同步信号对本步骤准多普勒天线阵接收的信号消除调制信息和初
始相位，得到仅包含准多普勒相位的信号；
步骤五：对步骤四得到的准多普勒信号提取相位，并求取相位差；
步骤六：利用理论的准多普勒天线阵建立包含空间夹角的仿真相位差数据库；
步骤七：将实测的相位差，在包含空间夹角的仿真相位差数据库中进行相似性度量，得
到相似性最大的仿真相位差所对应的空间夹角，将空间夹角转换为所要估计的俯仰角和方向
角；
步骤八：利用估计的时延和俯仰角、方向角对目标进行定位，具体是：将时延估计值与
双站形成的双曲线作为目标方程，将方位角与单通道阵列形成的直线作为约束方程，采用牛
顿法优化算法得到目标源的坐标位置。
2.根据权利要求1所述的一种单通道双基站超短波信号空间定位方法，其特征在于，所
述的步骤二中，对两路信号，首先采用样条插值，求取分数时延，再利用希尔伯特差值与相
关函数相结合的方法求取窄带信号的时延估计值。
3.根据权利要求1所述的一种单通道双基站超短波信号空间定位方法，其特征在于，所
述的步骤六中，建立包含空间夹角的仿真相位差数据库的方法是：
(1)建立各方向角的单脉冲准多普勒仿真信号；
其中，x(n,θ)表示第n个阵元在方向角为θ下的单脉冲准多普勒仿真信号，λ为超短波信
号波长，r...

【专利技术属性】
技术研发人员：李景春，邱天爽，夏楠，金芳晓，戚寅哲，张小飞，王文帅，
申请(专利权)人：国家无线电监测中心，大连理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11