宽带多目标机载单站无源定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种宽带多目标机载单站无源定位方法，主要解决现有技术不能对多宽带辐射源目标进行单站无源定位的问题。其实现步骤是：(1)在接收端对远场宽带辐射源信号进行采样，得到观测信号；(2)通过分数阶傅里叶变换FRFT将阵元接收的宽带观测信号窄带化；(3)构建第k个信号在分数阶傅里叶变换FRFT域中的信号向量I(k)；(4)对第k个信号利用信号向量I(k)求时间平均自相关矩阵，并做特征值分解；(5)构建第k个信号距离形式的导向矩阵；(6)在接收端进行L次采样，重复步骤(2)至(5)，对目标函数搜索极大值，极大值点处对应的(xk,yk,zk)为目标k的坐标。本发明能对多个宽带辐射源目标进行单站无源定位，可用于无人、载人飞行平台探测侦察。
【专利说明】宽带多目标机载单站无源定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达【技术领域】，特别涉及一种宽带多目标机载单站无源定位方法，可 用于电子侦察监视、远距离预警探测领域多辐射源目标的无源定位。
【背景技术】
[0002] 有源装备如雷达、声纳等，主动发射电磁波信号，接收来自目标反射的回波信号， 此回波信号含有目标位置信息，进一步解算即可实现目标定位。这种通过装备自身发射电 磁信号实现目标定位的方法称为有源定位。与有源定位相比，不主动发射信号而被动接收 单程的目标辐射源信号的无源定位具有作用距离远，隐蔽性强的优势，在反辐射打击、低空 突防等威胁力越来越强的现代战场环境中，无源定位系统具有更强的生存能力。
[0003] 通过单个观测站截获非合作辐射源信号、获取目标信息，并以一定精度给出目标 空间坐标的单站无源定位，具有较好的抗反辐射打击、抗低空突防的能力。与分布式多站无 源定位相比，单站无源定位系统的战术机动性和对诸如海基、空基等定位场景的适应性更 强，克服了多站系统在复杂战场环境下的几何布站、站间通信等方面的棘手问题，成为无源 雷达【技术领域】中的研宄重点。
[0004] 传统的单站无源定位法中，只测向BOL定位法对方向测量误差敏感，对观测站机 动性要求高，定位实时性差、定位精度低。目前研宄较为集中的基于质点运动学的测空、时、 频域参量变化率信息，即方位角速度、俯仰角速度、相位变化率、脉冲重复周期变化率和多 普勒频率变化率的单站无源定位法，定位速度快、定位精度高，但对参量变化率的测量精度 要求较高；此外，解定位模糊也是该类定位法中一个难点。例如，张敏，郭福成，周一宇，"基 于单个长基线干涉仪的运动单站直接定位"，航空学报，2013, 34 (2)，pp.378-386,提出通过 观测站匀速运动给出多个定位圆以解算目标位置，实现无模糊定位，但若要提高收敛速度 除强机动性以外，对观测站运动姿态也提出一定要求，以使定位线簇之间有较明显差异，否 则将形成多条模糊定位区域；还有一部分学者利用滤波算法和代价函数解定位模糊，例如， 郭福成，贾兴江，皇甫堪，"仅用相位差变化率的机载单站无源定位方法及其误差分析"，航 空学报，2009, 30 (6)，pp.1090-1095,提出采用最小二乘、扩展卡尔曼（EKF)等非线性跟踪 滤波方法求解目标位置，但该算法求解过程中需要给定初始值，初始值的选取及其估计精 度直接影响定位结果。以上传统定位法需要先单个或多个参量估计，继而求解定位代价函 数，定位参数与目标辐射源频率大小有关，对天线的方向性及其变化率有较高要求，同时在 观测站的机动性和运动姿态等方面也存在很多限制；此外，针对的辐射源信号均为窄带，对 宽带场景不适用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出宽带多目标机载单站无源定位 方法，以在无需参数测量的条件下，从宽带信号数据中直接解析出目标位置，并在低信噪比 下提尚定位性能。
[0006] 本发明的技术方案是：通过在接收端对远场宽带辐射源信号采样，得到观测信号； 通过分数阶傅里叶变换FRFT将阵元接收的宽带观测信号窄带化；利用窄带化后的信号构 建信号向量；利用信号向量求时间平均自相关矩阵并做特征值分解；构建目标函数中的距 离形式的导向矩阵；L次测量在目标位置处累积去模糊，对目标函数搜索极大值，以实现目 标定位。其实现步骤如下：
[0007] (1)在接收端对远场宽带辐射源信号进行采样，得到观测信号；
[0008] (2)通过分数阶傅里叶变换FRFT将阵元接收的宽带观测信号窄带化；
[0009] (3)构建第k个信号在分数阶傅里叶变换FRFT域中的信号向量I(k)，其中，k= 1，2,. . .，Q，Q为辐射源数；
[0010] (4)对第k个信号利用信号向量I(k)求时间平均自相关矩阵，并对时间平均自相关 矩阵做特征值分解；
[0011] (5)构建目标函数中第k个信号距离形式的导向矩阵Atl，其中，1为采样次数序 号，1 = 1，2，...，L，L为总的采样次数；
[0012] (6)在接收端进行L次采样，重复步骤⑵至（5)，搜索目标函数
【权利要求】
1. 一种宽带多目标机载单站无源定位方法，包括如下步骤： (1) 在接收端对远场宽带辐射源信号进行采样，得到观测信号； (2) 通过分数阶傅里叶变换FRFT将阵元接收的宽带观测信号窄带化； (3) 构建第k个信号在分数阶傅里叶变换FRFT域中的信号向量I(k)，其中，k = 1，2,…，Q，Q为辐射源数； (4) 对第k个信号利用信号向量I(k)求时间平均自相关矩阵，并对时间平均自相关矩阵 做特征值分解； (5) 构建目标函数中第k个信号距离形式的导向矩阵Atl，其中，1为采样次数序号，1 =1，2,…，L，L为总的采样次数； (6) 在接收端进行L次采样，重复步骤⑵至（5)，搜索目标函数
的极大值，极大值点处对应的（xk，y k，zk)为目标k 的空间坐标，其中，V表示噪声，G丨为第1次采样时得到的噪声子空间矩阵，H表示取共轭 转置。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤（2)所述的通过分数阶傅里叶变换FRFT将阵 元接收的宽带观测信号窄带化，按如下步骤进行： (2. 1)设接收端的天线为均匀圆阵天线，其半径为d，阵元数为M，阵元编号依次为 0, 1，…，M-1，阵元参考点为圆心，将第O号阵元上接收的第k个信号Sk(η)表示为： sAn) =e - 」， 其中，fs为采样率，N为采样快拍数，η = 1，2,…，Ν，/ = 4和μ k分别为信号 sk (η)的初始频率和调频斜率； (2.2) 对上述Sk(η)做离散分数阶傅里叶变换，得到变换后的信号
其中，Ka (η, ε )为离散分数阶傅里叶变换的核函数，p为离散分数阶傅里叶变换的阶 数，α =ρπ/2为旋转因子，ε为信号Sk(η)在分数阶傅里叶变换域中的频点； (2.3) 对变换后的信号进行二维搜索，得到极大值为： X，，') = ^jN(I-Jcotak) e-丨'， 其中，最佳旋转因子A =-_cot(/vV//:2)，ε k= fkNsina k/fs; (2.4) 根据最佳旋转因子a k对第m个阵元接收到的第k个信号做旋转因子为a k的 离散分数阶傅里叶变换，得到变换量w(m，k) ( a k，ε ): I
其中，m = 0, 1，"·，Μ-1，)为第m个阵元接收到的第k个信号，< 为信号 到达阵元m时相对于参考点的时延，{Fa [ · ]} ( ε )表示做离散分数阶傅里叶变 换； (2. 5)对变换量W(m，k) ( a k，ε )进行搜索，得到变换量的极大值W(m，k) ( a k，ε k m):
) j
3. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤（3)所述的构建第k个信号在分数阶傅里叶 变换FRFT域中的信号向量I(k)，按如下公式构建： I(k) = [W (〇'k) ( a k，ε k，0)，W(1'k) ( a k，ε u)，…，W(m'k) U 其中，W(m'k) ( a k，ε k m)为向量I(k)的元素 ，m = 〇, 1，···，M-l，T表示取转置。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤（5)所述的构建目标函数中第k个信号距离 形式的导向矩阵Atl，按如下步骤进行： (5. 1)计算接收端的单位距离矢量Piu:
其中，Λ !Ttl= Γ ^O1= [Axtl, Aytl, Aztl]为第1次采样时观测站与目标k之 间的距离矢量，r k= (X k, yk, Zk)为目标k的坐标，O1= (X Λ?；，yw，Ztjbs)为观测站的坐标，obs 表示观测站，Λ Xu、A ytl、A Ziu分别为目标k的坐标和观测站的坐标中对应分量的差值， Ak= c/f k，c为电波传输速度，I · I表示取模； (5.2)利用单位距离矢量Piu构建目标函数中第k个信号距离形式的导向矩阵Aiu: 其中，R(C)为导向矩阵Ak，^元素 ，m = 0, 1，·"，Μ-1，C SgiTIm =PivI为第！次 采样时第k个信号到达阵元m时相对于参考点的时延，nm= [dcos(2 3im/M)，dsin(2 3im/ Μ)，0]τ为均匀圆阵天线中第m号阵元的坐标，g,; =[sin6^cos^，sin0sin^,cos6^为第k个 目标的来波入射方向的单位向量，Θ0Ρ %分别为第k个目标的俯仰角和方位角。
【文档编号】G01S5/02GK104515971SQ201410819694
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年12月25日 优先权日:2014年12月25日
【发明者】汤建龙, 韩军伟, 艾小凡, 罗勇江 申请人:西安电子科技大学