改进的短波单位定位方法技术

本发明专利技术公开的一种改进的短波单位定位方法，旨在提供一种具有高分辨的定位性能，计算量小，估计精度高定位方法，本发明专利技术通过下述技术方案予以实现：波束域输出数据通过求解自相关矩阵获得波束域协方差矩阵；分解求出其特征值及对应的特征向量，判断是否存在信号源数目，确定信号源数目对应的信号子空间和噪声子空间，得到各信号源自动配对的估计值；然后，构建多项式f(z)并求解多项式f(z)的根；在多项式f(z)的根中，求根高分辨谱，求出与信号子空间维数相同数目的趋近单位圆上的根，结合阵列阵元数据、波束数目以及相应的物理参量，进行外辐射信号源波达方向估计，获知信号源数目的特征向量，进行深度学习，自我调整短波单站的定位精度。

【技术实现步骤摘要】
改进的短波单位定位方法
本专利技术涉及一种提升短波单站定位性能的方法，具体涉及广泛应用在诸如雷达、通信、声纳、导航、地震、生物医学工程、射电天文等领域，适应复杂电磁环境的波达方向估计改进方法，实现对目标的探测、测向、定位等目的。
技术介绍
在现代短波通信监测中，定位远距离通信信号时通常采用双站定位的＂三角法＂。通过"三角法"对被测电台定位。按照三角法，定位一个被测电台至少需要两台位于不同地点的测向机，并且这两台测向机和被测电台须不在一条直线上。在短波波段可以只用一台测向机而实现对被测电台的定位。这就是所谓单站定位技术。在短波频段，超视距传播主要通过电离层反射实现，短波单站定位技术因此应运而生。对短波发射机进行定位时，通常采用的是单站定位或者多个测向站交会定位，交会定位需要多套测向设备，投资较大，且增加了通信联络的困难。单站定位就是运用射线反跟踪原理，只使用一套测向设备，无需经过多站网络，即可对无线电波发射源进行定位的技术。通常情况下，短波单站定位是利用一台能同时测量来波方位角和俯仰角的短波测向机，运用射线反跟踪原理，并辅以电离层模型或实测的电离层高度信息，在天波一跳范围内确定发射机的位置。因此信号的方位角、仰角、通信距离、传播模式及电离层高度等各参数的测量准确性都对单站定位的精度有很大的影响。对短波发射机进行定位会采用多个测向站组网交会定位，这种方法的定位精度较高，但系统组成复杂、定位时效性低。单站定位是利用一台能同时测量来波方位角/仰角的短波测向机，结合电波在电离层中的反射高度，在天波一跳范围内确定发射机的位置。短波测向机在天线阵元上的噪声为空域和时域白噪声或其协方差矩阵为已知阵元上所接收到的信号为部分相关或不相关。实际上环境噪声通常是时域和空域相关的其协方差是未知的，而且由于多径传播效应或相干干扰阵列上所接收到的信号通常是高度相关的。短波单站定位系统由单个测向站通过测定人射波的方位角和仰俯角，并辅以电离层模型或实测的电离层高度信息，虽然可以计算出目标的地理位置日。然而由于要对数据协方差阵做特征分解，运算量大，实时处理有一定难度。阵元数目也影响着超分辨算法的估计性能。因为上三角阵R的对角元不具有元素从大到小排列的特点.直接对数据矩阵作基于数据矩阵的秩校正QR(RRQIt)分解是很难求出信号或噪声子空间。另一方面信号源的相干性也是子空间类算法的致命问题，当信号源中存在相干信号时，信号协方差矩阵就不再为满秩矩阵，这种情况下，原有的超分辨算法便失效，因此，会大大的影响到DOA估计的性能。采用现有技术基于特征结构的高分辩谱估计方法算法，在当入射到天线阵的信号高度相关或完全相干时这些基于特征结构的子空间方法的性能将严重下降或失效。通常，阵列信号处理中解决相干信号问题的最常用的一种预处理方法是空间平滑方法。对于相干信号，经典的循环MUSIC算法已经失去有效性，由于MUSIC算法研究的信号仅仅限于非相关的信号，当信号源是相关信号或者相隔比较近的小信噪比信号时，MUSIC算法的估计性能恶化，甚至完全失效。若估计的干扰源数目比实际的干扰源数目多(过估计)，则在划分信号子空间和噪声子空间的时候，就会有一定数目的噪声特征向量被划分到信号子空间，MUSIC空间谱会出现比实际的干扰源数目多的谱峰，即伪峰。同样，如果估计的干扰数目比实际的信号源数目少(欠估计)，在划分信号子空间和噪声子空间的时候，就会有一定数目的信号特征向量被划分到噪声子空间，信号子空间维数降低，MUSIC空间的某些谱峰将会消失。在超视距的短波通信中，从信号的发射点到信号的接收点之间存在多种传播模式，而传播模式的识别是完成长距离单站定位的关键之一。通常单站定位可以由具有方位角和仰角同时测量能力的测向站和具有实时电离层参数测量的设备共同完成。在来波的方位角、仰角和电离层高度测量中，短波传播一般有两种方式：天波传播和地波传播。天波传播可以从一百多公里到几千公里，因此长距离短波通信一般采用天波方式。当短波通过天波传播时，信号是通过电离层的反射来传播的。而来波可能是被探测目标主动发射的射频信号，也可能是目标反射的第三方信号，如移动基站发射的通信信号等。实现对天波信号假定在来波的方位角、仰角和电离层高度测量中，所有影响之和导致的误差是平均值为零，正态分布的，互不相关的，并假定电波在电离层中的传输是单跳模式，地球是理想的大圆球。在进行定位时，根据实际高度；测向的入射信号的频率及实际测量的入射仰角，在得到球面距离的基础上，加入方位角和测向站的当发射台与接收站的间隔达到一定的距离时，不同位置，通过球面三角形的性质就可以计算出目标在地球频率和入射角度的信号在通过电离层时有不同的传播的实际位置。波长为200m～10m(相应的频率为1.5MHz～30MHz)的电波通常被称为短波。短波既可由地波传播，也可由天波传播。地波(地表波)是沿地球表面传播的无线电波；天波是经电离层反射回地面的无线电波。短波传播的特点是：地波衰减快；天波不稳定；存在寂静区，寂静区是短波传播的特点之一。寂静区是距离发射点相当远的一个区域。在此区域内接收不到信号，而在此区域外却可以接收到信号。也就是说，在距离发射点较近或较远的区域都可接收到信号，而这两个区域之间的地区却接收不到信号，这个接收不到信号的区域就称为寂静区。寂静区只有散射波，对这种电波测向，示向度变化不定，甚至根本得不到示向度。即使得到示向度，也是无用的，因为散射波的方向和无线电台的实际方向一般没有什么联系。天波是经电离层反射而到达接收点的。电离层的不断变化，引起天波信号的不稳定。引起短波远距离测向误差的两个主要原因是天波传播路径常常偏离地球大圆弧平面和天波的波束干涉。短波辐射源测向定位的一些特殊性与短波传播的这些特点密切相关。距离为20km～250km的被测短波电台所辐射的电波到达测向天线处的只有垂直极化的地表波。此时的测向，就是对垂直极化的短波地波的测向。因此，采用环形天线、分离天线、间隔环天线都可以达到无极化误差的测向。地波传播几乎不存在日变和季变，是比较稳定的。但是，由于多径传播的干扰和其他电台的天波干扰，相当稳定的地波信号也会出现测向误差。多径传播干扰引起的测向误差。如果在地波传播路径中有一段电气参数很差的地面(例如在海上传播路径中经过一个岛屿)，则有一部分地波可能会绕过这个地区的边缘，以一定的时延在接收点与直接过来的地波相干涉。这两个电波相叠加的结果就导致接收信号出现了干扰。干扰的强弱与这两个电波的振幅和相位有关，有可能出现较大的测向误差。影响无线电波的反射和散射的电离层的高度及其特性的变化是很快的，其变化周期从几分之一秒到五秒或更长。快速游动周期随频率的降低而增长，并且夜间比白昼长。根据观测站的数目可以将无源定位问题划分为两大类:一类是单站无源定位；另一类是多站无源定位。一般情况下，在单站无源定位中，都要求观测站与目标之间存在相对运动；而多站无源定位则无此要求。在运动单站对固定目标的无源定位中，目前普遍采用在辐射源来波方向测量的基础。波达方向估计是空间谱估计研究的核心问题，也是雷达、通信等许多领域的重要研究任务之一。它主要包含方位角估计和仰角估计两个方面，其中通过方位角估计可开展短波单站一维定位技术研究。通过对波达方向的估计，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的短波单位定位方法，具有如下技术特征：在短波单站定位系统中，天线阵列接收分系统接收经过信号传播通道传播的外辐射源信号，对天线阵列接收信号以码片速率连续采样，构成输入矩阵，然后结合空域采样数据构造时空DOA矩阵；后端信号处理分系统根据天线阵列阵元数据、波束数目以及相应的物理参量，在信号源接收方向形成空间波束，利用连续采样所得到的数据样本构造时空阵列数据矩阵，用矩阵表达的方式获取波束转换矩阵T；后端信号处理分系统将T矩阵进行共轭转置为矩阵T

【技术特征摘要】
1.一种改进的短波单位定位方法，具有如下技术特征：在短波单站定位系统中，天线阵列接收分系统接收经过信号传播通道传播的外辐射源信号，对天线阵列接收信号以码片速率连续采样，构成输入矩阵，然后结合空域采样数据构造时空DOA矩阵；后端信号处理分系统根据天线阵列阵元数据、波束数目以及相应的物理参量，在信号源接收方向形成空间波束，利用连续采样所得到的数据样本构造时空阵列数据矩阵，用矩阵表达的方式获取波束转换矩阵T；后端信号处理分系统将T矩阵进行共轭转置为矩阵TH，TH矩阵与阵元域中的输出数据x(t)通过矩阵相乘转换为波束域输出数据y(t)；波束域输出数据通过求解自相关矩阵获得波束域协方差矩阵；后端信号处理分系统对波束域协方差矩阵进行特征值分解，分解求出其特征值及对应的特征向量；依据求解出的特征值判断是否存在信号源数目，确定信号源数目对应的信号子空间和噪声子空间，得到各信号源自动配对的估计值；然后，构建多项式f(z)并求解多项式f(z)的根；再基于波束域，在多项式f(z)的根中，求根高分辨谱，求出与信号子空间维数相同数目的趋近单位圆上的根，将该趋近单位圆上的根作为信号源波达方向，并通过积累信号源波达方向的实测数据，进行大数据统计和分析整理，再采用信号源数目估计的方法，结合阵列阵元数据、波束数目以及相应的物理参量，进行外辐射信号源波达方向估计，获知信号源数目的特征向量D，进行深度学习，自我调整短波单站的定位精度。2.如权利要求1所述的改进的短波单位定位方法，其特征在于：短波单站定位系统由接收外辐射源的天线阵列接收分系统、后端信号处理分系统构成，其中，天线阵列接收系统包括带有信号传播通道的天线阵列单元Arrayunit_1，Arrayunit_2，…Arrayunit_n，对应天线阵列单元的数据传递链接收通道Receiver_1，Receiver_2，…Receiver_n，数据传递链接收通道连接的接收通道时频同步和幅相一致性处理单元。3.如权利要求2所述的改进的短波单位定位方法，其特征在于：空间外辐射源发射信号时，短波单站定位系统中的天线阵列接收分系统通过天线阵列单元Arrayunit_1，Arrayunit_2，...Arrayunit_n，接收经过信号传播通道传播的外辐射源信号，外辐射源信号数据传递链接的接收通道Receiver_1,Receiver_2，…Receiver_n送入接收通道时频同步和幅相一致性处理单元进行处理，并将阵列阵元数据、波束数目以及相应的物理参量的处理结果送入后端信号处理系统，后端信号处理系统结合阵列阵元数据、波束数目以及相应的物理参量，进行外辐射信号源波达方向估计，实现短波单站定位。4.如权利要求1所述的改进的短波单位定位方法，其特征在于：天线阵列接收分系统将均匀线列阵列的阵元数目设为M个，对应阵元数目的波束数目设为B，且B＜M，构成M×B的波束转换矩阵T。5.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：李婷，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51