一种非视距环境下测试区域外辐射源单站定位方法技术

本发明专利技术公开了一种非视距环境下测试区域外辐射源单站定位装置及方法，所述装置包括：基于构建的电波传播模型，完成电磁计算样本的收集，即确定测试区域与接收机点位，之后改变辐射源的位置，对接收机点位的电场强度进行多次电磁计算，记录辐射源的位置、功率及各接收机点位的电场强度；信号采集模块，用于完成测试区域内各接收机点位的电场强度数据的实测；数据传输模块，用于将信号采集模块采集到的信息传输到数据处理模块；数据处理模块，用于进行实际环境卫星云图的建立与辐射源参数信息的存储，并对信号采集模块采集到的信息进行处理，非视距环境下的测试区域外辐射源单站定位。本发明专利技术降低了对测试区域面积的需求，有效减小了实测数据不足对辐射源定位精度的影响。减小了实测数据不足对辐射源定位精度的影响。减小了实测数据不足对辐射源定位精度的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种非视距环境下测试区域外辐射源单站定位方法


[0001]本专利技术涉及辐射源定位，特别是涉及一种非视距环境下测试区域外辐射源单站定位方法。

技术介绍

[0002]随着电子设备越来越广泛的应用，实际环境中的辐射源变多，这些辐射源向外发射信号作用于实际环境，使得区域电磁环境日益复杂。辐射源的增多可能会对生产生活带来不良影响，例如，未经许可使用的“黑电台”会造成信号之间的相互干扰最终导致通信质量下降，一些大功率发射设备向外发射的信号可能会对其他电子设备产生干扰，使其性能降级甚至损坏。因此亟需开展辐射源定位方法研究。但在城市环境下进行辐射源定位存在以下难点：1.城市环境是一个典型的非视距环境，所谓非视距环境，即是环境中存在大量障碍物，如高楼、人群、树木等，在这种环境下辐射源发射的电磁波不是按照自由空间的电波传播模型进行传播，而是在环境中不断发生反射、折射，导致最终设置的接收机接收到的信号参数可信度变差；2.在实际条件下并不能对实际环境中所有位置的发射信号进行接收，只能在有限区域及有限点位进行辐射源信号的采集，在这种测试条件下，可能会出现辐射源位于测试区域之外的情况。当辐射源在测试区域外，则说明只能接收到辐射源某个方位的辐射特性，而不能得到辐射源所有方向的发射信息，辐射源定位难度增大。因此结合实际情况，需要开展非视距环境下的测试区域外的辐射源定位方法研究。
[0003]现有辐射源定位方法分为两步定位法与直接定位法，两步定位法指第一步先从测试点位上的接收机接收到的信号中提取信号参数如信号强度、到达时间差、波达角等，第二步则利用提取的参数进行辐射源定位，较为典型的两步定位法有到达时间差法(Time Difference ofArrival,TDOA)、接收强度法(Received Signal Strength，RSS)、波达角测向法(Angle of Arrival，AOA)等。在非视距环境下，为了减小电磁波的反射、折射造成的接收信号偏差，一般进行卡尔曼滤波处理；直接定位法则不需要从接收信号中提取信息参数，而是将接收信号作为输入设计算法进行辐射源定位。两种方法在测试区域内存在障碍物时都会出现辐射源定位精度下降的问题，其主要原因即是电磁环境复杂，电磁波在传播过程中产生的反射、折射会使传统的电波传播模型失效，接收机接收到的信号可信度变差，而无论是基于信号参数提取的两步定位法还是基于接收信号的直接定位法，都对接收信号的可信度存在一定要求，因而利用传统的两步定位法或直接定位法来处理非视距环境下的辐射源定位问题存在一定的局限性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种非视距环境下测试区域外辐射源单站定位方法，降低了对测试区域面积的需求，有效减小了实测数据不足对辐射源定位精度的影响。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种非视距环境下测试区域外辐射
源单站定位装置，包括：
[0006]电磁仿真分析模块，基于已知的地理环境信息与实际场景中障碍物的电磁参数来构建电波传播模型，并基于该电波传播模型，完成电磁计算样本的收集，即确定测试区域与接收机点位，之后改变辐射源的位置，对接收机点位的电场强度进行多次电磁计算，记录辐射源的位置、功率及各接收机点位的电场强度；
[0007]信号采集模块，用于完成测试区域内各接收机点位的电场强度数据的实测；
[0008]数据传输模块，用于将信号采集模块采集到的信息传输到数据处理模块；
[0009]数据处理模块，用于进行实际环境卫星云图的建立与辐射源参数信息的存储，并对信号采集模块采集到的信息进行处理，基于实测与电磁仿真计算得到的测试区域内各接收机点位的电场强度数据完成实测数据向电磁仿真计算数据的拟合，完成以电磁仿真计算得到的测试区域内各接收机点位的电场强度数据为输入，以辐射源的位置与功率为输出的神经网络的搭建、训练与测试，最终输出辐射源信息参数，完成非视距环境下的测试区域外辐射源单站定位。
[0010]优选地，所述信号采集模块包括三轴正交偶极子探头，安装在能够编程控制并规划路径的无人车巡测平台上；
[0011]所述无人车巡测平台通过远程控制或按照已有程序在固定轨迹巡航并在划定的接收机点位停止，待完全静止后进行数据采集。
[0012]所述三轴正交偶极子探头置于无人车顶部，与车顶垂直，在无人车完全处于静止状态后收集电场各方向的分量。
[0013]优选地，所述数据处理模块对信号采集模块采集到的信息进行的处理包括：
[0014]提取工作频段内的电场强度各方向分量、对电场强度的模值进行计算，并基于无辐射源条件下区域电磁环境数据，利用时域窗方法对工作区内有辐射源的情况下实测所得数据进行滤波。
[0015]一种非视距环境下测试区域外辐射源单站定位方法，包括以下步骤：
[0016]S1.定义工作并建立电磁仿真模型；
[0017]S2.建议修正网络的输入样本集和输出样本集；
[0018]S3.检测信号采集模块的稳定性，然后测量无辐射源情况下工作区内电磁环境，再实测获得修正网络输入样本集，并搭建修正网络；
[0019]S4.建立辐射源定位网络输入样本集和输出样本集，搭建辐射源定位网络并进行优化；
[0020]S5.利用修正网络和优化后的辐射源定位网络进行辐射源定位。
[0021]进一步地，所述步骤S1包括以下子步骤：
[0022]S101.定义工作环境:在数据处理模块中建立当前实际环境即工作区的卫星云图，在实际环境中划定测试区域，并在测试区域中设置k个接收机点位，选定测试频段,对测试区域及接收机点位的设置遵循以下原则：
[0023]1)接收机点位上不存在障碍物，并且接收机点位能够均匀分布于测试区域；
[0024]2)测试区域面积不小于工作区总面积的1/4；
[0025]S102.建立电磁仿真模型：在数据处理模块中基于卫星云图建立工作区环境模型，获取工作区中的障碍物在工作频段下的电磁参数，所述电磁参数包括介电常数ε、电导率σ，
并在电磁仿真分析模块中建立对应工作区环境模型的电磁仿真模型，对电磁仿真模型中各物体的电磁参数进行设置。
[0026]进一步地，所述步骤S2包括以下子步骤：
[0027]S201.建立修正网络输出样本集:设置n个典型位置和功率的辐射源，将其记为TX
i
(x
i
,y
i
,P
i
),i＝1,2,3
…
n；其中(x
i
,y
i
)为辐射源坐标，P
i
为辐射源的发射功率，将以上信息存储于数据处理模块，这n个辐射源的信息参数即是修正网络的输出样本集；
[0028]S202.建立修正网络输入样本集：将第i个辐射源TX
i
作为激励源，使用电磁仿真分析模块对测试区域内划定的k个接收机点位在工作频段内的电场强度进行电磁计算，并建立第i本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非视距环境下测试区域外辐射源单站定位装置，其特征在于：包括：电磁仿真分析模块，基于已知的地理环境信息与实际场景中障碍物的电磁参数来构建电波传播模型，并基于该电波传播模型，完成电磁计算样本的收集，即确定测试区域与接收机点位，之后改变辐射源的位置，对接收机点位的电场强度进行多次电磁计算，记录辐射源的位置、功率及各接收机点位的电场强度；信号采集模块，用于完成测试区域内各接收机点位的电场强度数据的实测；数据传输模块，用于将信号采集模块采集到的信息传输到数据处理模块；数据处理模块，用于进行实际环境卫星云图的建立与辐射源参数信息的存储，并对信号采集模块采集到的信息进行处理，基于实测与电磁仿真计算得到的测试区域内各接收机点位的电场强度数据完成实测数据向电磁仿真计算数据的拟合，完成以电磁仿真计算得到的测试区域内各接收机点位的电场强度数据为输入，以辐射源的位置与功率为输出的神经网络的搭建、训练与测试，最终输出辐射源信息参数，完成非视距环境下的测试区域外辐射源单站定位。2.根据权利要求1所述的一种非视距环境下测试区域外辐射源单站定位装置，其特征在于：所述信号采集模块包括三轴正交偶极子探头，安装在能够编程控制并规划路径的无人车巡测平台上；所述无人车巡测平台通过远程控制或按照已有程序在固定轨迹巡航并在划定的接收机点位停止，待完全静止后进行数据采集。3.根据权利要求2所述的一种非视距环境下测试区域外辐射源单站定位装置，其特征在于：所述三轴正交偶极子探头置于无人车顶部，与车顶垂直，在无人车完全处于静止状态后收集电场各方向的分量。4.根据权利要求1所述的一种非视距环境下测试区域外辐射源单站定位装置，其特征在于：所述数据处理模块对信号采集模块采集到的信息进行的处理包括：提取工作频段内的电场强度各方向分量、对电场强度的模值进行计算，并基于无辐射源条件下区域电磁环境数据，利用时域窗方法对工作区内有辐射源的情况下实测所得数据进行滤波。5.一种非视距环境下测试区域外辐射源单站定位方法，基于权利要求1～4中任意一项所述的装置，其特征在于：包括以下步骤：S1.定义工作并建立电磁仿真模型；S2.建议修正网络的输入样本集和输出样本集；S3.检测信号采集模块的稳定性，然后测量无辐射源情况下工作区内电磁环境，再实测获得修正网络输入样本集，并搭建修正网络；S4.建立辐射源定位网络输入样本集和输出样本集，搭建辐射源定位网络并进行优化；S5.利用修正网络和优化后的辐射源定位网络进行辐射源定位。6.根据权利要求5所述的一种非视距环境下测试区域外辐射源单站定位方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下子步骤：S101.定义工作环境:在数据处理模块中建立当前实际环境即工作区的卫星云图，在实际环境中划定测试区域，并在测试区域中设置k个接收机点位，选定测试频段,对测试区域及接收机点位的设置遵循以下原则：
1)接收机点位上不存在障碍物，并且接收机点位能够均匀分布于测试区域；2)测试区域面积不小于工作区总面积的1/4；S102.建立电磁仿真模型：在数据处理模块中基于卫星云图建立工作区环境模型，获取工作区中的障碍物在工作频段下的电磁参数，所述电磁参数包括介电常数ε、电导率σ，并在电磁仿真分析模块中建立对应工作区环境模型的电磁仿真模型，对电磁仿真模型中各物体的电磁参数进行设置。7.根据权利要求5所述的一种非视距环境下测试区域外辐射源单站定位方法，其特征在于：所述步骤S2包括以下子步骤：S201.建立修正网络输出样本集:设置n个典型位置和功率的辐射源，将其记为TX
i
(x
i
,y
i
,P
i
),i＝1,2,3
…
n；其中(x
i
,y
i
)为辐射源坐标，P
i
为辐射源的发射功率，将以上信息存储于数据处理模块，这n个辐射源的信息参数即是修正网络的输出样本集；S202.建立修正网络输入样本集：将第i个辐射源TX
i
作为激励源，使用电磁仿真分析模块对测试区域内划定的k个接收机点位在工作频段内的电场强度进行电磁计算，并建立第i个电磁计算辐射源电场强度矩阵，记为将A
i
按行依次写入电磁仿真计算矩阵记为A，矩阵A即为修正网络输入样本集，存储于数据处理模块。8.根据权利要求5所述的一种非视距环境下测试区域外辐射源单站定位方法，其特征在于：所述步骤S3包括：S301.将信号采集模块安装于无人车巡测平台，检查信号采集模块的稳定性，在测试区域内随机选择一个点位，使用信号采集模块对该个点位的电场强度进行多次测量，并多次测量结果的均方根误差；重复选取N个点位，对于每个点位按照上述步骤计算均方根误差；若所有均方根误差小于设定阈值，认为其稳定；S302：实测获得修正网络输入样本集：设k个接收机点位均匀排布成行列的点位阵列，令将第i个辐射源TX
i
作为激励源，按照其辐射源信息参数设置于工作区中，使用信号采集模块来测量工作频段下测试区域内划定的k个接收机点位的电场强度，根据接收机点位位置建立初始数据矩阵U
i
＝{E
i11
,E
i12
…
,E
i1m
；E
i21
,E
i22
…
,E
i2m
；
…
E
im1
,E
im2
…
,E
imm
},对矩阵U通过时域滤波方法在数据处理模块中进行处理，建立第i个实测滤波矩阵W＝{W
i11
,W
i12
…
,W
i1m
；W
i21
,W
i22
…
,W
i2m
；
…
W
im1
,W
im2
…
,W
imm
}，将W按照行展开得到第i个实测数据辐射源电场强度矩阵，将B
i
按行依次写入实测矩阵B,矩阵B即为修正网络输入样本集，存储于数据处理模块；S303.搭建修正网络：在数据处理模块中，搭建以电磁仿真计算矩阵A、实测矩阵B为样本集，以B
i
为输入，A
i
为输出的神经网络，并对该网络进行训练与交叉验证：若网络训练输出值与样本真值的相对误差满足用户需求，则将训练好的网络记为修正网络；若相对误差不能满足用户需求，则重复S201
‑
S303，继续收集样本，扩充样本集，并在扩充的样本集基础上继续修正网络的搭建与验证；直至测试结果满足要求,至此完成修正网络的搭建；
其中，交叉验证的方法如下：修正网络的输入集为B，输出集为A，其中A、B均为n*k的矩阵，代表共设置n个辐射源，k个接收机点位；输出样本为A的行向量A
i
，输出样本为B的行向量B
i
；其中B
i
与A
i
一一对应；第一步、将A中的n个样本随机分为10份，记为a,b,c,d,e,f,g,h,i,j,k，每份有n/10个样本；每份数据对应的B的数据记为l,m,n,o,p,q,r,s,t,u,v，每份有n/10个样本；其中输出a对应的输入为l，以此类推；第二步、选取输出a与输入l作为测试集，b
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈广志，董傲勇，王永根，杜万里，陈景轩，邢煜，张子昂，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：