基于极大似然的多天线无线电台与无人机通信的测向方法技术

本发明专利技术公开了一种基于极大似然的多天线无线电台与无人机通信的测向方法，包括步骤：离线计算并存储阵列流型；处理信号回波计算协方差矩阵；初始化参数及参数集；设计构造投影矩阵，投影到信号子空间搜索最优值；更新搜索次数；对目标导向矢量进行移位判别；更新迭代次数。本发明专利技术解决了阵元天线个数较少，天线波束主瓣较宽，超分辨方法也可在现有设备的条件下提升多信源的分辨能力的问题；将超分辨方法使用于现有设备，具备关于方位俯仰匹配问题的寻优功能，适用于多天线通信信号测向。适用于多天线通信信号测向。适用于多天线通信信号测向。

【技术实现步骤摘要】
基于极大似然的多天线无线电台与无人机通信的测向方法


[0001]本专利技术涉及雷达信号处理
，涉及无人机通信信号测向问题，具体是一种基于极大似然的多天线无线电台与无人机通信的测向方法，适用于合作无人机目标的高精度方位角估计。

技术介绍

[0002]无人机，属于现阶段一种新兴的产业，相比较于有人机，它所具备人员零伤亡、低廉的造价等优越性，促使其逐渐成为了社会各界所普遍关注的一个焦点。无线电科学技术被有效应用到无人机当中，为无人机提供了强大的技术支持。伴随着现阶段信息化处理及融合技术、导航及飞控技术、传感器科学技术、数据链路的通信技术等不断进步发展，提供情报收集和巡逻侦察的无人机迈入全新发展时期，无人机快速机动反应、最佳侦察视角、人员伤亡率少、成本低廉等优越性日益被凸显，并呈现着更为良好的应用发展前景。
[0003]随着现代电磁环境的日趋复杂化，无线电电台通信设备也经历了不断的变换与改进。从最早的固化、单一模式，到软件化，再到智能化，电台设备的灵活性、自适应性等都得到了大幅度的提高。如何在复杂的电磁环境下，利用现有少量天线的硬件条件，实现通信信号的精确测向，用于支持己方目标定位是现在无线电台通信定位的重点问题。
[0004]无线电台多天线信源测角有以下三个特点：1)利用通信信号的一串前缀进行信源测角，即属于阵列多快拍测角的范畴；2)阵元天线数目较少，数字波束主瓣很宽，旁瓣高且起伏大，传统波束形成方法不再适用于多信源定位；3)需要阵列实现多个信源目标的测向，信源的高度可由信源自带的测高仪来得到(即信源的俯仰角度可认为已知)。无线电台多天线信源测角优劣特点都很明显，在误差条件下如何保证测角精度是要解决的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于极大似然的多天线无线电台与无人机通信的测向方法，利用通信信号的一串前缀信号进行信源测角，输出高精度的合作无人机目标的高精度方位角，适用于存在幅相误差环境下，具有较强的适应性。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现。
[0007]基于极大似然的多天线无线电台与无人机通信的测向方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，离线计算并存储阵列流型：将方位测角范围[0，360
°
]划分为P个离散方位角，将俯仰测角范围划分为Q个俯仰角，形成P
×
Q的离散网格；根据天线的坐标(x
n
，y
n
，z
n
)和通信信号的方向向量得到离散化阵列流型A1，...，A
q
，...，A
Q
；
[0009]其中，为最大俯仰测角，A
q
为俯仰角对应的方位阵列流型；对应的方位阵列流型；为对应方位角θ
p
、俯仰角的阵列导向矢量，A
q
∈C
N
×
P
，N为天线个数；
[0010]步骤2，无线电台的N个天线分别接收每个无人机的通信信号，根据接收的M次快拍信号，计算对应的协方差矩阵R；
[0011]步骤3，输入在线计算所需的目标参数：输入K个目标对应的阵列流型A
q(1)
，...，A
q(k)
，...，A
q(K)
和总迭代次数K
times
；其中，K
times
＝K；
[0012]步骤4，初始化外层迭代次数k
times
＝1，内层迭代次数k＝1，支撑集A(θ)＝[a1，...，a
k
，...，a
K
]∈C
N
×
K
为零矩阵；a
k
为第k个目标的阵列导向矢量；
[0013]步骤5，构造投影矩阵P
A(θ)
；采用投影矩阵P
A(θ)
对阵列流型A
q(k)
中的每列进行投影搜索，即分别将A
q(k)
的每列设定为支撑集A(θ)的第k列，找到使得代价函数tr(P
A(θ)
R)最大的列，将其作为支撑集A(θ)的第k列，并以搜索结果更新参数集θ；tr()表示矩阵的迹；
[0014]步骤6，更新内层迭代次数即搜索次数：令k＝k+1，判断是否满足k＞K，若是，则令k＝1，转入步骤7，否则，转至步骤5；
[0015]步骤7，对目标导向矢量进行移位判别：对A(θ)按列进行循环移位得到一个新的支撑集A
′
(θ)，如果有tr(P
A(θ)
R)＜tr(P
A
′
(θ)
R)，则令A(θ)＝A
′
(θ)，并对参数集θ进行相应的循环移位，否则不作处理；
[0016]步骤8，更新外层迭代次数：令k
times
＝k
times
+1，判断是否满足k
times
＞K
times
，若是，则终止迭代，输出参数集θ，否则，转入步骤5；θ的第k个元素即为第k个目标的方位角。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0018](1)本专利技术采用多个天线，解决了阵元天线个数较少，天线波束主瓣较宽，超分辨方法可在现有设备的条件下提升多信源的分辨能力的问题，由于来波属于通信信号(单程衰减)，信噪比较高，使用超分辨算法以提升角度分辨率的性能可以兑现；
[0019](2)本专利技术算法利用了信源所提供的俯仰角估计信息，可以避免俯仰维搜索，由于算法步骤中对每次迭代的结果进行了循环移位以判断当前测得的方位角和先验俯仰角信息的匹配是否最优(同样使用最大似然准则)，算法本身具备关于方位俯仰匹配问题的寻优功能。
附图说明
[0020]下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。
[0021]图1为本专利技术方法的实现流程图；
[0022]图2为本专利技术实施例的天线阵列示意图；
[0023]图3为本专利技术实施例的单信源方位测角精度随方位角和俯仰角，以及不同幅相误差条件下的变化示意图；其中，(a)载频678MHz，信噪比7dB，俯仰角为0度；(b)载频678MHz，信噪比7dB，俯仰角为20度；(c)载频678MHz，信噪比7dB，俯仰角为40度；(d)载频678MHz，信噪比7dB，俯仰角为60度；
[0024]图4为本专利技术实施例的测角误差随信噪比和信源俯仰角的变化示意图；(a)载频678MHz，俯仰角为0度；(b)载频678MHz，俯仰角为20度；(c)载频678MHz，俯仰角为40度；(d)载频678MHz，俯仰角为60度；
[0025]图5为本专利技术实施例中阵列直径0.704m的正五边形平面阵的俯仰波束图(指向俯仰角0度，方位角5度)；
[0026]图6为本专利技术实施例中阵列直径0.704m的正五边形平面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于极大似然的多天线无线电台与无人机通信的测向方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，离线计算并存储阵列流型：将方位测角范围[0,360
°
]划分为P个离散方位角，将俯仰测角范围划分为Q个俯仰角，形成P
×
Q的离散网格；根据天线的坐标(x
n
,y
n
,z
n
)和通信信号的方向向量得到离散化阵列流型A1,
…
,A
q
,
…
,A
Q
；其中，为最大俯仰测角，A
q
为俯仰角对应的方位阵列流型；；为对应方位角θ
p
、俯仰角的阵列导向矢量，A
q
∈C
N
×
P
，N为天线个数；步骤2，无线电台的N个天线分别接收每个无人机的通信信号，根据接收的M次快拍信号，计算对应的协方差矩阵R；步骤3，输入在线计算所需的目标参数：输入K个目标对应的阵列流型A
q(1)
,
…
,A
q(k)
,
…
,A
q(K)
和总迭代次数K
times
；其中，K
times
＝K；步骤4，初始化外层迭代次数k
times
＝1，内层迭代次数k＝1，支撑集A(θ)＝[a1,
…
,a
k
,
…
,a
K
]∈C
N
×
K
为零矩阵；a
k
为第k个目标的阵列导向矢量；步骤5，构造投影矩阵P
A(θ)
；采用投影矩阵P
A(θ)
对阵列流型A
q(k)
中的每列进行投影搜索，即分别将A
q(k)
的每列设定为支撑集A(θ)的第k列，找到使得代价函数tr(P
A(θ)
R)最大的列，将其作为支撑集A(θ)的第k列，并以搜索结果更新参数集θ；tr()表示矩阵的迹；步骤6，更新内层迭代次数即搜索次数：令k＝k+1，判断是否满足k>K，若是，则令k＝1，转入步骤7，否则，转至步骤5；步骤7，对目标导向矢量进行移位判别：对A(θ)按列进行循环移位得到一个新的支撑集A'(θ)，如果有tr(P
A(θ)
R)<tr(P
A'(θ)
R)，则令A(θ)＝A'(θ)，并对参数集θ进行相应的循环移位，否则不作处理；步骤8，更新外层迭代次数：令k
times
＝k
times
+1，判断是否满足k
times
>K
times
，若是，则终止迭代，输出参数集θ，否则，转入步骤5；θ的第k个元素即为第k个目标的方位角。2.根据权利要求1所述的基于极大似然的多天线无线电台与无人机通信的测向方法，其特征在于，所述通信信号的方向向量其中，上标T为矩阵的转置操作，θ、分别为来波方向的方位角、俯仰角。3.根据权利要求2所述的基于极大似然的多天线无线电台与无人机通信的测向方法，其特征在于，所述阵列导向矢量的具体表达式为：
其中，λ为载波波长。4.根据权利要求1所述的基于极大似然的多天线无线电台与无人机通信的测向方法，其特征在于，所述根据接收的M次快拍信号，计算对应的协方差矩阵R，具体为：设一次处理M次快拍，第m次快拍的接收信号s
m
＝[s
m
(1),
…
,s
m
(n),
…
,s
m
(N)]
T
，m＝1,2,
…
,M；由阵列数据模型可知，s
m
＝A(θ)X
m
+n
m
，X
m<...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹运合，闵伟杰，刘帅，刘玉涛，张金波，赵玉超，王蒙，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：