装载嵌套阵无人机平台下的辐射源高精度定位方法技术

本发明专利技术公开了一种装载嵌套阵的无人机平台下无线辐射源高精度定位方法，包括如下步骤：步骤一，利用搭载嵌套阵的无人机获得接收数据矩阵x(t)；步骤二，构造自相关矩阵R＝Ε{x(t)x

【技术实现步骤摘要】
装载嵌套阵无人机平台下的辐射源高精度定位方法
本专利技术涉及一种无人机平台下辐射源的定位方法，具体为通过对无人机获得的接收数据处理从而获得辐射源位置信息的方法，属于阵列信号处理领域。
技术介绍
随着无线电技术的快速发展，无线通讯面临着日趋严重的安全问题，以私自架设非法电台、擅自飞行无人机为首的非法用频与电磁干扰，严重影响了正常的无线电业务，甚至会造成航空导航、高铁运营、防汛通讯等关键部门的瘫痪，具有严重的社会危害性。通过对这些无线辐射源的整治和排查，可以有效降低它们带来的危害。传统的辐射源定位方法以地面人工排查为主，依靠便携式接收机与手持式定向天线进行搜索定位，效率低下，且因为地面信号多径干扰较强，对辐射源的定位变的困难。通过无人机平台在空中对频谱数据实时采集与处理，形成对周围环境的智能频谱认知，最后对接收数据进行信号处理，可以在短时间内精确定位辐射源位置。能够有效解决无线电监管领域排查难度大、搜索周期长、定位精度差的问题。但是无人机平台下用于搜索定位的阵列天线个数十分有限，传统天线布阵方式无法获得更高的辐射源定位精度。随着阵列信号处理技术的发展，学者们提出了一种非均匀的嵌套阵结构，证明了具有N个传感器的嵌套阵列的自由度可达到O(N2)，且嵌套阵下相同算法对于目标源的估计定位性能要优于传统均匀阵列，用嵌套阵列代替无人机平台下装载的传统均匀阵列，可以获得更多的无线辐射源位置信息以及更高的辐射源定位精度。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的装载嵌套阵的无人机平台下无线辐射源高精度定位方法利用嵌套阵和无人机平台的结合实现无线辐射源的高精度定位。技术方案：本专利技术的一种装载嵌套阵的无人机平台下无线辐射源高精度定位方法，利用无人机装载嵌套阵在空中对周围环境频谱智能认知，得到频谱接收数据，通过对接收数据应用DOA估计算法获得辐射源的定位，接收信号处理方法具体为对接收数据矢量协防差矩阵矢量化处理，得到一个线性增长的虚拟阵元接收数据矢量，最后引用空间平滑MUSIC算法对虚拟接收数据协方差矩阵处理后得到无线辐射源的精确定位。本专利技术的一种装载嵌套阵的无人机平台下无线辐射源高精度定位方，包括如下步骤：步骤一，利用搭载嵌套阵的无人机获得接收数据矩阵x(t)；步骤二，构造自相关矩阵R＝Ε{x(t)xH(t)}，对自相关矩阵矢量化得到虚拟接收数据矢量y；步骤三，对虚拟接收数据矢量y按虚拟阵元位置排序去冗余后得到ys，并得到虚拟子阵列的自相关矩阵Ri，引用空间平滑技术处理Ri得到空间平滑矩阵Rss；步骤四，通过特征分解Rss得到噪声子空间En，构造MUSIC空间谱函数Pmusic获得辐射源的角度估计。进一步地，步骤一具体为：嵌套阵由二级子阵组成，假设第一级子阵列中阵元数为N1，且阵元间隔为d1＝λ/2；第二级子阵列的阵元数为N2，且阵元间隔为d2＝(N1+1)d1，其中λ为电磁波波长，两个子阵列之间的间距为d＝d1，总阵元数为N＝N1+N2，阵元位置表示为Ls＝{1d,..,N1d,(N1+1)d,2(N1+1)d,...,N2(N1+1)d}根据嵌套线阵设计理论，为了使阵列接收信号自相关矩阵虚拟化后能够产生更多的虚拟阵元接收矢量，子阵列阵元数N1和N2与嵌套线阵总阵元数N之间存在关系为：当阵元总数N为偶数时，N1＝N2＝N/2，当N为奇数时，N1＝(N-1)/2，N2＝(N+1)/2，假设获得K个辐射源数据信息x(t)，辐射源为远场窄带不相关信号，入射方位角为θ＝[θ1,θ2,…,θK]，x(t)可以表示为其中，是方向矩阵；s(t)＝[s1(t),s2(t),…,sK(t)]T是信源矢量；是高斯白噪声矢量，表示方向矢量，其中ln∈Ls(n＝1,2,…,N)表示嵌套阵中的阵元的位置。进一步地，步骤二具体为：辐射源信号的自相关矩阵表示为：其中，(·)H表示求共轭转置操作，IN表示维度为N×N的单位矩阵，Ε(·)是统计期望算子，是第k个信号的平均功率，在接收快拍数有限的情况下，信号自相关矩阵实际表示为：其中，t＝1,2,…,L，L代表快拍数，对上述得到的接收数据自相关矩阵矢量化后得到：其中，vec(·)为数学表达式向量化算子，符号表示两个矩阵间的Khatri-Rao积，Q＝vec(IN)；上标“*”表示矩阵共轭，是一个单位矩阵，数据矢量y是一个线性增长的虚拟线阵接收数据矢量，其中p为一个单快拍的信号矢量，Av是虚拟阵列的方向矢量矩阵。进一步地，步骤三具体为：对Av按阵元位置排序并去冗余得到As，As可以看做维度为(N2+2N-2)/2×K的新方向矩阵，虚拟阵列阵元位置为-(N2/4+N/2-1)d1到(N2/4+N/2-1)d1，虚拟阵列阵元总数为M＝2(N2/4+N/2-1)+1，新虚拟接收数据矢量表示为其中是虚拟阵列的方向矩阵，As的第(l,k)个元素为为除第(1+M)/2个元素为1外其余元素全为0的列向量；用空间平滑MUSIC算法求解辐射源的估计位置，假设ysi是ys的第i个虚拟子阵列接收数据，其阵元位置为(-(N2/4+N/2-1)+i-1)d1到(i-1)d1，ysi表示ys的第i行到(N2/4+N/2+i-1)行，其中i＝1,2,…,N2/4+N/2，令Ri＝E{ysiHysi},那么空间平滑矩阵表示为其中是第一个子阵列的方向矩阵，为第k个信源对应第一个子阵列的方向矢量，As1的第(l,k)个元素为Rss满足满秩特性。进一步地，步骤四具体为：对Rss特征值分解得到信号噪声子空间En，构造空间谱函数Pmusic，搜索谱峰值即能得到辐射源的角度估计值有益效果：无线电技术的快速发展伴随着严重的非法用频与电磁干扰问题，通过对辐射源实施搜索与定位可以对此类问题进行有效的整治和排查，利用无人机平台在空中对频谱数据实时采集与处理，形成对周围环境的智能频谱认知，对接收数据进行信号处理，可以在短时间内精确定位辐射源位置；无人机搭载阵列天线个数有限，对定位精度产生不利影响，通过布置嵌套阵列的方式，可以获得庞大的虚拟接收阵元，一个具有N个天线的嵌套线阵，自由度可达到O{N2},可以实现无人机平台下更多无线辐射源的监测；通过空间平滑多重信号分类(MultipleSignalclassification,MUSIC)算法对接收数据进行处理，可以实现目标辐射源的精确定位，而且相比于传统阵列下相同方法获得的辐射源位置信息，嵌套阵列还具有更高的定位精度；对比常规方法下获得的无线辐射源数据信息，无人机平台的应用使得数据获取更加准确，有利于后端对辐射源进行准确的定位处理；在具有相同阵列天线数情况下，无人机装载嵌套阵列相比于装载传统均匀阵列能够获得更多的无线辐射源位置估计；本专利技术的方法具有更高的辐射源定位精度。附图说明图1是嵌套线阵结构拓扑图。图2是本专利技术方法下不同阵列算法随着信噪比变化的RMSE性能仿真图。图3是本专利技术方法下不同阵列算法随着快拍变化的RMSE性能仿真图。图4是本专利技术方法下使用不同阵元数的嵌套阵的算法RMSE性能仿真图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。本专利技术基于挂载传感器阵列的无人机对辐射源目标进行定位，传感器阵列通过集成技术嵌入于无人机之中，能对辐射源信息进行实时采集。本专利技术提出的方法在无人机平台中应用嵌套线阵，通过装载嵌本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装载嵌套阵的无人机平台下无线辐射源高精度定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，利用搭载嵌套阵的无人机获得接收数据矩阵x(t)；步骤二，构造自相关矩阵R＝Ε{x(t)xH(t)}，对自相关矩阵矢量化得到虚拟接收数据矢量y；步骤三，对虚拟接收数据矢量y按虚拟阵元位置排序去冗余后得到ys，并得到虚拟子阵列的自相关矩阵Ri，引用空间平滑技术处理Ri得到空间平滑矩阵Rss；步骤四，通过特征分解Rss得到噪声子空间En，构造MUSIC空间谱函数Pmusic获得辐射源的角度估计。

【技术特征摘要】
1.一种装载嵌套阵的无人机平台下无线辐射源高精度定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，利用搭载嵌套阵的无人机获得接收数据矩阵x(t)；步骤二，构造自相关矩阵R＝Ε{x(t)xH(t)}，对自相关矩阵矢量化得到虚拟接收数据矢量y；步骤三，对虚拟接收数据矢量y按虚拟阵元位置排序去冗余后得到ys，并得到虚拟子阵列的自相关矩阵Ri，引用空间平滑技术处理Ri得到空间平滑矩阵Rss；步骤四，通过特征分解Rss得到噪声子空间En，构造MUSIC空间谱函数Pmusic获得辐射源的角度估计。2.根据权利要求1所述的一种装载嵌套阵的无人机平台下无线辐射源高精度定位方法，其特征在于，步骤一具体为：嵌套阵由二级子阵组成，假设第一级子阵列中阵元数为N1，且阵元间隔为d1＝λ/2；第二级子阵列的阵元数为N2，且阵元间隔为d2＝(N1+1)d1，其中λ为电磁波波长，两个子阵列之间的间距为d＝d1，总阵元数为N＝N1+N2，阵元位置表示为Ls＝{1d,..,N1d,(N1+1)d,2(N1+1)d,...,N2(N1+1)d}根据嵌套线阵设计理论，为了使阵列接收信号自相关矩阵虚拟化后能够产生更多的虚拟阵元接收矢量，子阵列阵元数N1和N2与嵌套线阵总阵元数N之间存在关系为：当阵元总数N为偶数时，N1＝N2＝N/2，当N为奇数时，N1＝(N-1)/2，N2＝(N+1)/2，假设获得K个辐射源数据信息x(t)，辐射源为远场窄带不相关信号，入射方位角为θ＝[θ1,θ2,…,θK]，x(t)可以表示为其中，是方向矩阵；s(t)＝[s1(t),s2(t),…,sK(t)]T是信源矢量；是高斯白噪声矢量，表示方向矢量，其中ln∈Ls(n＝1,2,…,N)表示嵌套阵中的阵元的位置。3.根据权利要求1所述的一种装载嵌套阵的无人机平台下无线辐射源高精度定位方法，其特征在于，步骤二具体为：辐射源信号的自相关矩阵表示为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小飞，林新平，周梦婕，何浪，葛超，吴启晖，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32