一种基于网格搜索的粒子群算法的单星干扰源定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于网格搜索的粒子群算法的单星干扰源定位方法，在传统单星干扰源定位，通过干扰源在多个同频波束中产生的增益大小不同，根据增益之差寻求定位方程组的基础上，提出一种基于网格搜索的粒子群算法的单星干扰源定位方法，在传统的粒子群算法的基础上通过引入网格的划分来代替部分种群的搜索工作，引入了网格搜索的环节，可以相对降低粒子群搜索中的种群数目，同时也解决了在最优解附近时由于例子群算法步长的限制而无法进一步提高定位精度的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于网格搜索的粒子群算法的单星干扰源定位方法
本专利技术涉及卫星定位
，主要涉及一种基于网格搜索的粒子群算法的单星干扰源定位方法。
技术介绍
通信卫星常常工作于开放的空间，对于采用大型展开式多波束天线的GEO通信卫星，接收灵敏度提高的同时，容易受到各种干扰。传统的三星和双星定位法需要多颗符合条件的卫星协同配合，对于轨道资源有限的GEO卫星来说并非最佳选择。由此，提出了基于多波束天线的单星定位技术，在节省轨道资源的同时还可以避免选择邻星的困难。实验表面，在功率误差存在的情况下，会导致该方法的定位精度严重下降。因此在这样的背景下，通过有效的定位算法来减弱功率误差对干扰源最终定位精度的影响显得尤为重要。
技术实现思路
专利技术目的：单星干扰源定位的原理主要是通过干扰源在多个同频波束中产生的增益大小不同，根据增益之差寻求定位方程组。为了在单星多波束定位技术中，实现对干扰源有效定位，本专利技术提供了一种基于网格搜索的粒子群算法，实现对干扰源的快速查找。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于网格搜索的粒子群算法的单星干扰源定位方法，包括以下步骤：步骤1、推导干扰源位置(x,y,z)和θi之间的关系；其中θi表示干扰源入射方向与波束中心指向之间的夹角；推导步骤如下：在地固坐标系下，S为已知卫星，位置为rS＝(xS,yS,zS)；θA表示干扰信号入射方向与波束A中心指向的夹角，波束A中心位置为rA＝(xA,yA,zA)；干扰源D的位置为rD＝(x,y,z)，是待求的未知量；卫星S、干扰源D、波束A这三个点构成一个三角形，根据余弦定理：同样地，对于波束B和波束C，分别有：其中，波束B中心位置为rB＝(xB,yB,zB)，波束C的中心位置为rC＝(xC,yC,zC)；步骤2、选取3个同频波束，所述同频波束中心位置已知，根据信号在自由空间中的传输关系，建立3个波束的等增益方程组如下：步骤2.1、将辐射源获得波束的增益G表示为关于信号入射方向与点波束中心指向夹角之间的函数，如下：其中，u＝2.07123sinθ/sin(θ3dB)，J1和J3分别是1阶和3阶第一类贝塞尔函数，波束中心增益G0＝π2D2η/λ2。θ3dB是3dB夹角，θ表示信号入射方向与波束中心指向之间的夹角，D是天线口径，η是天线效率，λ是辐射信号的波长；步骤2.2、对于多波束天线七色频分复用，采用三个相邻同频波束进行干扰源定位；接收端测量得到的干扰信号强度分别为PAPBPC，地面干扰源的初始辐射强度为Pt,自由空间传输损耗为L，卫星天线增益为Gt。G(θi)为干扰源在波束i处获得的增益(i＝A，B，C)，由此可以列出三个等增益方程组：将方程组两两相减并结合地球椭球模型方程得出：步骤3、进行误差分析，选取相对增益测量误差、波束中心位置误差，卫星轨道位置偏差和高程误差作为分析对象，进行误差推导和误差仿真；将所述相对增益测量误差作为对定位精度影响最大的误差因素；步骤4、采用基于网格搜索的粒子群算法求解步骤2中获取的等增益方程组，并解算干扰源位置；具体步骤如下：具体步骤如下：步骤4.1、建立目标函数：f(x,y,z)＝sqrt([(PB-PA)-(G(θB)-G(θA))]2+[(PC-PB)-(G(θC)-G(θB))]2)步骤4.2、在三波束范围内进行粒子群搜索；步骤4.3、以粒子群算法搜索到的全局最优解为中心点，以当前定位误差的2倍为边长，建立正方形的局部搜索区域Square，在区域Square内进行网格划分；采取递归细化的方法：(1)将区域Square以田字格的方式划分成4个粗粒度的大网格，在4个子网格里分别进行随机取点(x,y)，由地球椭球模型方程解算出z，将(x,y,z)代入目标函数值进行分析判断，将目标函数值最小的随机点作为干扰源位置的近似解，先进行初步定位；(2)将当前目标函数值最小的随机点所在的子网格进一步划分成更小的子网格，再次定位；(3)重复步骤(2)直到目标函数满足条件，获得干扰源精确定位信息。进一步地，所述步骤3中误差推导步骤如下：将步骤2.2中方程组改写如下：记λBA＝[PB]-[PA]，λCB＝[PC]-[PB]，fBA＝[G(θB)]-[G(θA)]，fCB＝[G(θC)]-[G(θB)]，则上述方程组改写为：对其进行全微分可得：整理可得：dE＝W0dX+W1dXA+W2dXB+W3dXC+W4dXSdX＝W0-1(dE-W1dXA-W2dXB-W3dXC-W4dXS)其中：有益效果：本专利技术提供的基于网格搜索的粒子群算法比传统的粒子群算法有更高的定位精度和更快的解算速度，定位误差显著减小，引入了网格搜索的环节，可以相对降低粒子群搜索中的种群数目，同时也解决了在最优解附近时由于例子群算法步长的限制而无法进一步提高定位精度的问题。附图说明图1是本专利技术提供的算法流程示意图；图2是本专利技术提供的三波束定位模型示意图；图3是当引入的相对增益测量误差服从均值为1dB,方差为0.5dB的高斯分布时，定位误差仿真结果；图4是当引入的高程误差服从均值为100m，方差为5m的高斯分布时，定位误差仿真结果；图5是当引入的波束指向误差服从均值为10km，方差为0.5km的高斯分布时，定位误差仿真结果；图6是当引入的卫星轨道位置偏差服从均值为1km，方差为100m的高斯分布时，定位误差仿真结果；图7是引入均值为1bB，方差为0.5dB的相对增益测量误差时，迭代10次的定位仿真结果；图8是引入均值为1bB，方差为0.5dB的相对增益测量误差时，迭代50次的定位仿真结果；图9是引入均值为1bB，方差为0.5dB的相对增益测量误差时，迭代100次的定位仿真结果；图10是本专利技术提供的算法与传统粒子群算法精度对比结果图；图11是本专利技术提供的算法与传统粒子群算法计算时间对比结果图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。如图1所示，本专利技术提供的一种基于网格搜索的粒子群算法的单星干扰源定位方法，包括以下步骤：步骤1、推导干扰源位置(x,y,z)和θi之间的关系，其中θi表示干扰源入射方向与波束中心指向之间的夹角。如图2所示，对波束A分析，在地固坐标系下，S为已知卫星，位置为rS＝(xS,yS,zS)；θA表示干扰信号入射方向与波束A中心指向的夹角，波束A中心位置为rA＝(xA,yA,zA)；干扰源D的位置为rD＝(x,y,z)，是待求的未知量；卫星S、干扰源D、波束A这三个点构成一个三角形，根据余弦定理：同样地，对于波束B和波束C，分别有：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于网格搜索的粒子群算法的单星干扰源定位方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤1、推导干扰源位置(x,y,z)和θ

【技术特征摘要】
1.一种基于网格搜索的粒子群算法的单星干扰源定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、推导干扰源位置(x,y,z)和θi之间的关系；其中θi表示干扰源入射方向与波束中心指向之间的夹角；推导步骤如下：
在地固坐标系下，S为已知卫星，位置为rS＝(xS,yS,zS)；θA表示干扰信号入射方向与波束A中心指向的夹角，波束A中心位置为rA＝(xA,yA,zA)；干扰源D的位置为rD＝(x,y,z)，是待求的未知量；卫星S、干扰源D、波束A这三个点构成一个三角形，根据余弦定理：



同样地，对于波束B和波束C，分别有：






其中，波束B中心位置为rB＝(xB,yB,zB)，波束C的中心位置为rC＝(xC,yC,zC)；
步骤2、选取3个同频波束，所述同频波束中心位置已知，根据信号在自由空间中的传输关系，建立3个波束的等增益方程组如下：
步骤2.1、将辐射源获得波束的增益G表示为关于信号入射方向与点波束中心指向夹角之间的函数，如下：



其中，u＝2.07123sinθ/sin(θ3dB)，J1和J3分别是1阶和3阶第一类贝塞尔函数，波束中心增益G0＝π2D2η/λ2。θ3dB是3dB夹角，θ表示信号入射方向与波束中心指向之间的夹角，D是天线口径，η是天线效率，λ是辐射信号的波长；
步骤2.2、对于多波束天线七色频分复用，采用三个相邻同频波束进行干扰源定位；接收端测量得到的干扰信号强度分别为PAPBPC，地面干扰源的初始辐射强度为Pt,自由空间传输损耗为L，卫星天线增益为Gt。G(θi)为干扰源在波束i处获得的增益(i＝A，B，C)，由此可以列出三个等增益方程组：



将方程组两两相减并结合地球椭球模型方程得出：



其中，e表示地球椭球模型的偏心率，字母a表示地球椭球模型中的半长轴。
步骤3、进行误差...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵来定，阮岑，张更新，
申请(专利权)人：南京邮电大学，南京微星通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32