一种基于圆形阵列的单站瞬时无源定位方法及装置

技术领域

本发明涉及单站无源定位技术领域，具体涉及一种基于圆形阵列的单站瞬时无源定位方法。

背景技术

无源定位即为仅通过接收信号实现对辐射源定位的技术，其中，基于阵列天线实现的单站无源定位技术，由于仅通过单个接收设备就可以实现目标坐标精确估计，与传统的多站无源定位技术相比，应用场景更广且成本更低。现有技术中，基于圆阵的单站无源定位主要可以分为两种方式：第一种是通过线阵旋转形成圆阵，加上天线载体平台自身运动，获取不同时间点上信号到达角的变化情况，进而反演出辐射源坐标；第二种是基于均匀圆阵直径线上相对阵元接收的信号，获取信号方位、俯仰、距离上的空间谱，进而通过谱峰搜索获取目标位置估计。例如文献(《利用旋转多普勒的单站无源定位性能分析》，李腾等，宇航学报，Vol.31，No.10,2010；《基于均匀圆阵的近场源定位技术研究进展》，刘振等，电子与信息学报，Vol.45，No.2，2023)和中国发明专利CN108318855B《基于均匀圆阵的近场和远场混合信号源定位方法》均是采用以上两种方式。

但是上述两种基于圆阵的单站无源定位方法在实际应用中均会存在缺陷，其中第一种方法中天线需要匀速旋转，因而会增加系统设计难度，且需要通过时间积累进行定位，因此无法对运动目标和短时出现目标进行定位。第二种方法虽然可以对短时出现目标进行定位，但三维空间谱计算和谱峰搜索计算量较大，且阵元必须在圆上均匀排列，对阵列设计限制过多。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、定位速度快、定位精度高且应用范围广的基于圆形阵列的单站瞬时无源定位方法及装置，能够实现仅在距离维搜索即可对运动目标和短时出现目标进行定位，同时能够有效降低计算量和复杂度。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于圆形阵列的单站瞬时无源定位方法，包括以下步骤：

S01.使用圆形阵列截获目标辐射源发射的同一信号，并估计相邻天线阵元间的相位差，所述相位差为关于辐射源坐标的函数；

S02.根据估计得到的所述截获信号的相位差以及圆形阵列中相邻阵元组成的干涉仪矢量进行目标估计，得到目标坐标单位矢量估计结果；

S03.将目标距离可能的分布范围划分为多个距离区间，并通过所述圆形阵列中天线阵元的不同组合，得到多组不同的干涉仪矢量，基于各组所述干涉仪矢量得到各个距离区间中心值对应的截获信号的相位差估计值，将各所述相位差估计值与实际测量值进行对比，将差异最小的相位差估计值对应的距离区间中心值作为距离估计结果；

S04.根据所述距离估计结果、所述目标坐标单位矢量估计结果，得到辐射源定位结果。

进一步的，所述步骤S01中估计相邻天线阵元间截获信号的相位差包括：

S101.获取相邻天线阵元组合成的干涉仪矢量为：

v

其中，X

S102.根据所述干涉仪矢量得到截获信号相位差θ

其中，

进一步的，所述步骤S02包括：

S201.根据步骤S01获得的截获信号的相位差估计值以及相邻阵元组成的干涉仪矢量，构建相位差矢量与干涉仪矢量之间的关系模型:

θ＝Av

其中，θ＝[θ

S202.求解所述相位差矢量与干涉仪矢量之间的关系模型，得到目标坐标单位矢量估计结果如下：

这里，

进一步的，所述步骤S03包括：

S301.将目标距离可能的分布范围[R

S302.对圆形阵列中天线阵元进行重新组合，构成一组新的干涉仪矢量，根据新构成的所述干涉仪矢量及所述目标距离序列中的各目标距离，对天线阵元间截获信号的相位差分别进行估计，得到各所述目标距离区间对应的相邻天线阵元间截获信号的相位差估计值；

S303.将步骤S302得到的相位差估计值与实际测量值进行比较，根据比较结果从各目标距离区间中选取出距离估计结果；

S304.重复执行步骤S301、S302，直至达到预设条件后退出，得到最终的距离估计结果。

进一步的，所述步骤S302中得到的各所述目标距离区间对应的相邻天线阵元间截获信号的相位差估计值为：

其中，θ′

进一步的，所述步骤S303中通过比较相位差估计值与实际测量值得到代价函数，选取代价函数最小的目标距离区间作为距离结果估计值。

进一步的，所述代价函数的计算表达式为：

其中，θ′

进一步的，所述步骤S04中根据所述距离估计结果、所述目标坐标单位矢量估计结果按照下式计算得到辐射源定位结果：

其中，

一种基于圆形阵列的单站瞬时无源定装置，包括：

相位差估计模块，用于获取使用圆形阵列截获的目标辐射源发射的同一信号，并估计相邻天线阵元间截获信号的相位差，所述相位差为关于辐射源坐标的函数；

目标坐标估计模块，用于根据估计得到的所述截获信号的相位差以及圆形阵列中相邻阵元组成的干涉仪矢量进行目标估计，得到目标坐标单位矢量估计结果；

距离估计模块，用于将目标距离可能的分布范围划分为多个距离区间，并通过所述圆形阵列中天线阵元的不同组合，得到多组不同的干涉仪矢量，基于各组所述干涉仪矢量得到各个距离区间中心值对应的截获信号的相位差估计值，将各所述相位差估计值与实际测量值进行对比，将差异最小的相位差估计值对应的距离区间中心值作为距离估计结果；

定位输出模块，用于根据所述距离估计结果、所述目标坐标单位矢量估计结果得到辐射源定位结果。

一种计算机装置，包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序以执行如上述方法。

与现有技术相比本发明的主要有点包括：

1、本发明通过使用圆形阵列截获辐射源发射信号的相位差，进行目标坐标单位矢量估计，同时将目标距离可能分布范围划分为多个距离区间，并通过重新组合的天线阵元估计各距离区间中心值对应的截获信号相位差以进行距离估计，最终结合目标坐标单位矢量估计结果与距离估计结果即可实现快速、精准的辐射源定位，能够实现对运动目标和短时出现目标等各类型目标的定位，同时能够有效降低计算量和复杂度。

2、与传统均匀圆阵单站定位算法相比，本发明无需进行三维空间谱计算和搜索，仅需在距离维进行搜索，大大降低了计算量和复杂度，提高了定位速度，降低了实现复杂度，相对旋转基线单站无源定位算法，本发明无需通过多个时间点测量数据来反演目标位置，可以实现“瞬时”定位，从而可应用于运动信号源或者短时猝发信号源定位，扩大了应用范围；相对旋转基线单站无源定位算法，本发明天线无需旋转，减少了运动伺服部件，从而降低了设备复杂度和成本；相对于传统均匀圆阵单站定位，本发明可以放宽天线阵元必须均匀分布的限制，天线阵元位置可以根据需要进行任意调整，有效提高了系统设计灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例中基于圆形阵列的单站瞬时无源定位方法的实现流程示意图。

图2为本发明实施例中基于圆形阵列实现单站瞬时无源定位的几何原理示意图。

图3为本发明在具体应用实施例中得到的定位误差分布示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例基于圆形阵列的单站瞬时无源定位方法包括以下步骤：

S01.获取使用圆形阵列截获的目标辐射源发射的同一信号，并估计相邻天线阵元间截获信号的相位差，相位差为关于辐射源坐标单位矢量的函数；

S02.根据截获信号的相位差以及圆形阵列中相邻阵元组成的干涉仪矢量进行目标坐标估计，得到目标坐标单位矢量估计结果；

S03.将目标可能的距离分布范围划分为多个距离区间，并通过圆形阵列中天线阵元的不同组合得到多组不同的干涉仪矢量，根据各组干涉仪矢量得到各个距离区间中心值对应的截获信号相位差估计值，将各相位差估计值与实际测量值进行对比，选取差异最小的相位差估计值对应的距离区间中心值作为距离估计结果；

S04.根据距离估计结果、目标坐标单位矢量估计结果得到辐射源定位结果。

本实施例通过上述方法，在获取辐射源发射的信号时，无需通过多个时间点测量数据来反演目标位置，可以实现“瞬时”定位，可应用于运动信号源或者短时猝发信号源定位，有效扩大了应用范围。同时通过划分多个目标距离区间，将天线阵元形成不同的组合得到多组不同的干涉仪矢量，再根据各组干涉仪矢量估计各目标距离区间中心值对应的相邻天线阵元间截获信号的相位差估计值，将估计值与实际测量值进行比较，选取差异最小的相位差估计值对应的目标距离区间中心值作为距离估计结果，结合坐标单位矢量估计结果即可完成辐射源定位。本实施例上述方法无需进行三维空间谱的计算和搜索，仅需要在距离维进行搜索，大大降低了计算量和复杂度，同时提高了定位速度以及精度。

本实施例中，步骤S01中具体使用圆形阵列截获目标辐射源发射的信号，圆形阵列可以采用阵元均匀分布的圆形阵列，也可以采用非均匀分布的圆形阵列。获取到圆形阵列截获的辐射源发射的同一信号后，估计相邻两天线阵元之间截获信号的相位差θ

假设机体坐标系下目标坐标为X

S101.获取相邻天线阵元组合成的干涉仪矢量为：

v

其中，v

S102.根据干涉仪矢量得到截获信号相位差θ

其中，

本实施例中，步骤S02具体包括：

S201.根据步骤S01获得的截获信号的相位差估计值以及相邻阵元组成的干涉仪矢量，构建相位差矢量与干涉仪矢量之间的关系模型；

S202.求解相位差矢量与干涉仪矢量之间的关系模型，得到目标坐标单位矢量估计结果。

根据信号相位差估计值以及多对天线组成的干涉仪矢量，可以将相位差描述为阵列形式：

θ＝Av

其中，θ＝[θ

即相位差矢量与干涉仪矢量之间的关系模型可以按式(3)构建得到，再对式(3)进行求解即可以得到目标坐标单位矢量估计值，即为：

其中，

上述求解方法具体可采用最小二乘法，可以快速求解出目标坐标单位矢量估计值。可以理解的是，当然也可以根据实际需求采用其他求解方法进行目标坐标单位矢量估计值的求解。

本实施例中，步骤S03具体包括：

S301.将目标距离分布范围[R

S302.对圆形阵列中天线阵元进行重新组合，构成一组新的干涉仪矢量，根据新构成的干涉仪矢量及目标距离序列中的各目标距离区间对天线阵元间截获信号的相位差分别进行估计，得到各目标距离区间对应的相邻天线阵元间截获信号的相位差估计值；

S303.将步骤S302得到的相位差估计值与实际测量值进行比较，根据比较结果从各目标距离区间中选取出距离估计结果；

S304.重复执行步骤S301、S302，直至达到预设条件后退出，得到最终的距离估计结果。

上述步骤S301中R

上述步骤S302中具体采用间隔k个阵元组成一对的方式进行组合，构成一组新的干涉仪序列v′

目标信号到达不同阵元的时间差，反应为阵元间截获信号的相位差。本实施例中，步骤S302中得到的各目标距离区间对应的相邻天线阵元间截获信号的相位差估计值具体为：

其中，θ′

本实施例中，步骤S303中将相位差估计值与实际测量值进行比较时，具体通过比较相位差估计值与实际测量值得到代价函数，选取代价函数最小的目标距离区间作为距离结果估计值。

本实施例中，代价函数的计算表达式具体为：

其中，θ′

可以理解是，除采用代价函数确定距离结果估计值以外，也可以采用其他方式以筛选出相位差估计值与实际测量值更为接近的目标距离区间作为距离结果估计值，代价函数的计算方式也可以根据实际需求采用除上述式(6)以外的其他计算方式或在上述式(6)基础上调整、优化的计算方式。

本实施例上述步骤S304中，具体当连续两次估计距离值的差小于预设门限时退出，得到最终的距离估计结果。

以下以本发明在具体应用实施例中实现距离估计为例，对本发明上述距离估计步骤进行进一步说明，详细步骤为:

步骤1：将目标距离分布范围[R

步骤2：对天线阵元进行重新组合，采用间隔k个阵元组成一对，构成一组新的干涉仪序列v′

步骤3：基于序列v

步骤4、重复步骤(1)至步骤(3)，直到连续两次估计距离值的差小于门限。

本实施例中，步骤S04中根据距离估计结果、目标坐标单位矢量估计结果具体按照下式计算得到辐射源定位结果：

其中，

本实施例通过对目标距离进行子区间划分，得到多个目标距离区间构成的目标距离序列，并对圆形阵列中天线阵元进行重新组合，构成一组新的干涉仪矢量，根据新构成的干涉仪矢量对各目标距离区间中心值对应的天线阵元间截获信号的相位差分别进行估计，得到各目标距离区间对应的相位差估计值，再通过将相位差估计值与实际测量值进行比较，选取误差最小相位差对应的距离区间中心值作为距离估计结果，既无需通过多个时间点测量数据来反演目标位置，也无需进行三维空间谱的计算和搜索，仅需在距离维进行搜索即可确定最终的目标坐标估计结果，实现了“瞬时”定位，可应用于运动信号源或者短时猝发的各类信号源定位，大大扩展了应用范围，且计算便捷、定位速度更快。

为验证本发明有效性，在具体应用实施例中采用本发明上述方法对某一辐射源进行定位，结果如图3所示，实验过程中，天线阵列旋转中心为坐标原点，目标真实坐标x

本实施例基于圆形阵列的单站瞬时无源定装置包括：

相位差估计模块，用于获取使用圆形阵列截获的目标辐射源发射的同一信号，并估计相邻天线阵元间截获信号的相位差，相位差为关于辐射源坐标的函数；

目标坐标估计模块，用于根据估计得到的截获信号的相位差以及圆形阵列中相邻阵元组成的干涉仪矢量进行目标估计，得到目标坐标单位矢量估计结果；

距离估计模块，用于将目标距离可能的分布范围划分为多个距离区间，并通过所述圆形阵列中天线阵元的不同组合，得到多组不同的干涉仪矢量，基于各组干涉仪矢量得到各个距离区间中心值对应的截获信号的相位差估计值，将各相位差估计值与实际测量值进行对比，将差异最小的相位差估计值对应的距离区间中心值作为距离估计结果；

定位输出模块，用于根据距离估计结果、目标坐标单位矢量估计结果得到辐射源定位结果。

本实施例基于圆形阵列的单站瞬时无源定装置与上述基于圆形阵列的单站瞬时无源定方法为一一对应，在此不再一一赘述。

本实施例中还提供一种计算机装置，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机程序，处理器用于执行计算机程序以执行上述方法。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。