一种基于自适应反馈的方位估计方法、模块、设备及系统

技术领域

本发明涉及导航方位估计领域，更为具体的，涉及一种基于自适应反馈的方位估计方法、模块、设备及系统。

背景技术

塔康(tactical air navigation，TACAN)作为近程无线电导航系统，是飞机和航海的主要装备之一[1]。它分为地面站和机载设备两部分，为航空目标提供方位与斜距信息，实现极坐标定位[2]。目前塔康系统的信息收发主要采用模拟体质的构架[3]，因此存在抗噪声能力差、定位精度低等问题[4]。

针对这一现象，中频数字化的概念在塔康方位估计中得到了广泛的应用[5]。文献[6]采用离散脉冲信号直接进行曲线拟合得到包络信号，但是由于脉冲的占空比不均匀，因此拟合误差较大。随后，文献[7]利用了Kalman滤波原理提升了拟合曲线的精度，但是在大噪声下容易引发滤波发散，导致估计精度大幅下降。在此基础上，后人将压缩感知算法[8]、基于高程补偿的BLUE算法[9]、滑窗检测法[10]等多种技术应用于方位角估算过程中，均取得了满意的效果，但计算过程较为复杂，不易实现。

塔康系统机载设备通过接收地面站天线发射的具有方向性的信号进行参数计算实现测角功能。其中地面站发送的脉冲信号包括频率为15次/s的主基准脉冲群、频率为135次/s辅助基准脉冲群和识别脉冲群等，该组合信号发出后受到15Hz和135Hz叠加正弦信号的包络调制[1]，因此接收端通过分别测量15Hz正弦信号的正斜率拐点与主基准脉冲比相定时点的相位差值ψ1，和135Hz正弦信号的正斜率拐点与辅助基准脉冲的比相定时点的相位差值ψ2，通过公式1即可得到塔康系统的角度测量值。

参考文献：

[1]SHEST L N.A cylindrical array for the TACAN system[J].IEEE transantennas propagation,1974,22(1):17-25.

[2]张忠心,李晓明,张景伟.无线电导航理论与系统[M].西安：陕西科学技术出版,1998.

[3]田孝华,李睿,王维康.有效估计塔康测距信号多径时延的方法[J].电子与信息学报,2010,32(9):2273-2276.

[4]陈坤,田孝华,赵颖辉,俞成.塔康包络检测与方位估计算法研究[J].光电与控制,2014,21(4):91-94.

[5]张浩杰,李晓明,裴文林.基于中频数字化技术的塔康测角方法研究[J].现代防御技术,2012,40(3):67-71.

[6]王维康,张斌,李睿,等.塔康系统输出参数的精确测量方法[J].电光与控制,2010,17(07):78-83.

[7]张国祥,郭英,霍文俊,等.基于Kalman滤波的塔康方位精确解算方法[J].空军工程大学学报,2013,12(2):76-80.

[8]姜力茹,许云达,高猛.基于压缩感知的塔康方位估计算法[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2017,29(3):365-368.

[9]高琥,王金根,陈志平,等.基于高程补偿的BLUE算法在塔康中的应用研究[J].系统工程与电子技术,2016,38(8):1752-1755.

[10]曾定坤,张斌,姜力茹,等.塔康脉冲峰值滑动窗检测与方位包络拟合方法[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2015,27(5):608-611.

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于自适应反馈的方位估计方法、模块、设备及系统，实现过程简单，无需耗费过多的计算单元，能够有效的降低干扰信号和噪声的影响，有效提升系统的性能。

本发明解决噪声或其他干扰导致方位角计算不准确的问题。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种基于自适应反馈的方位估计方法，包括步骤：

利用误差门限控制和拟合数据替换的方法对最小二乘计算模块输出的信号进行二次处理，二次处理后得到与基准信号更加符合的包络曲线。

进一步地，所述利用误差门限控制和拟合数据替换的方法，包括子步骤：

引入计算平均值单元用于平滑噪声；

引入误差计算单元用于计算真实采样值与拟合值之间的误差，并通过引入判决单元进行判断，在大误差下将拟合值取代采样值进行反馈，重新计算方位角。

进一步地，设接收端第n次采样信号为Sn，在这之前的n次采样共同组成包络信号[S1,S2...Sn]，在包络信号进入最小二乘计算模块后，包括如下子步骤：

步骤一，按照采样时间对信号进行分集，然后构造对应的基于时间的Hi矩阵，基于最小二乘计算模块计算得到矩阵θi；其中i表示分集数，i＝[1,2...k]；

步骤二，随后将得到的矩阵θi数据送入引入的计算平均值单元求平均值，得到均值avg(θ)；

步骤三，该均值avg(θ)与实际采样信号Sj，共同送入引入的误差计算单元，计算Sj与该采样点对应拟合得到的数据Hi×avg(θ)|

步骤四，该误差输入引入的判决单元，当误差在设定的门限范围内时，此时avg(θ)符合要求，判决单元发送控制信号至计算平均值单元，平均值θ输出；当误差超过门限时，则将Hi×avg(θ)|

步骤五，随后重新计算θi，循环往复，直至误差满足门限要求。

进一步地，在步骤一中，分集数i由用户定义，且每个分集都包含相同个数的采样信号。

进一步地，在步骤四中，所述门限由用户自定义。

一种基于自适应反馈的方位估计模块，执行如上任一项所述方法。

一种计算机设备，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理器加载时并执行如上任一项所述的方法，或包括如上所述的模块。

一种基于自适应反馈的方位估计系统，包括如上所述的计算机设备。

本发明的有益效果包括：

本发明方法简单，通过算法实现，无需耗费过多的计算单元，可实现性高。

利用本发明方法能够有效的降低干扰信号和噪声的影响，有效提升系统的性能。

本发明解决噪声或其他干扰导致方位角计算不准确的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为塔康包络信号示意图；

图2为基于自适应反馈的方位估计方法构架；

图3为接收信号和新算法的包络误差曲线对比；

图4为接收信号、基准信号和新算法的包络曲线对比；

图5为应用本发明得到方位角与采用最小二乘法得到方位角曲线对比。

具体实施方式

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

本发明实施例至少解决现有方案中存在计算过程较为复杂、不易实现的问题，并发现了现有技术中采用最小二乘算法实现方位角有效估计的方案，存在噪声或其他干扰导致会方位角计算不准确的问题，并对此提出了解决方案。

为了解决上述问题，本发明实施例提出了一种新型的基于自适应反馈的估算方法，其构架如图2所示。在该方法具体实施过程中，可以用于估算塔康方位，但是不限于塔康系统，需要说明任何采用最小二乘法进行计算的环境均可使用本发明方法，下面以塔康系统为例进行示意说明，包括步骤：

步骤1，接收端第n次采样信号为Sn，之前的n次采样共同组成包络信号[S1,S2...Sn]；

步骤2，包络信号进入最小二乘计算模块，根据最小二乘法的描述，首先按照采样时间对信号进行分集Mi(其中i表示分集数，i＝[1,2...k]，分集数由用户定义，每个分集都包含相同个数的采样信号)，然后构造对应的基于时间的Hi矩阵，计算得到θi；

步骤3，随后将得到的θi数据送入求平均值单元，得到均值avg(θ)；

步骤4，该均值avg(θ)与实际采样信号Sj(其中j表示采样点数，j＝[1,2...n])，共同送入误差计算单元，计算Sj与该采样点对应拟合得到的数据Hi×avg(θ)|

步骤5，该误差输入判决器，当误差在设定的门限范围内时(门限用户自定义)，说明此时avg(θ)符合要求，判决器发送控制信号至求平均值单元，平均值θ输出；当误差超过门限时，则将Hi×avg(θ)|

步骤6，随后重新计算θi，循环往复，直至误差满足门限要求。

上述方案借鉴了最小二乘法的计算方式，这里具体介绍该内容：

塔康系统机载设备通过变频和滤波后，接收到的方位包络信号可表示为：

U(t)＝U

其中U(t)表示接收信号，U

最小二乘拟合算法如下，根据公式(1)建立目标函数：

式中s

S＝[s

θ＝[A

将式(4)～(6)带入表达式(3)，可得：

min(S-Hθ)

为了得到准确的矩阵θ，对上式求导，并令结果为零，可得：

θ＝(H

利用上式得到的数据，给出拟合曲线的粗测角和精测角：

带入表达式(1)得到最终检测角度。从上述过程可以看出，当接收信号矩阵S受到噪声影响较大时，会导致检测角出现偏差，从而影响塔康系统定位的性能。

为了解决上述提出检测角出现偏差，影响塔康系统定位的性能的问题，本发明实施例在最小二乘法的基础上进行了改进，改进的方案利用误差门限控制和拟合数据替换的方法对最小二乘模块输出的信号进行二次处理，剔除受噪声影响较严重的采样数据，得到与基准信号更加符合的包络曲线。

为了证明本发明实施例提出的方法的有效性，将本发明实施例方法与最小二乘法在相同信噪比的塔康系统中进行了对比仿真，测试结果表明利用本发明实施例方案能够得到更精确的方位角信息，从而进一步提升了系统的性能。

为了验证本发明提出的方位估计方法的正确性，利用matlab平台进行了仿真验证，参数设置如表1所示。

表1塔康信号参数设置

根据表1的参数，本发明实施例利用接收包络信号计算矩阵θi，随后计算avg(θ)。然后将采样信号Sj与拟合信号Hi×avg(θ)|

对应的接收信号包络和拟合信号曲线如图4所示，可以看到相比于接收采样信号，经过误差门限控制后的拟合信号，由噪声叠加引起的尖锐的峰值和谷值被剔除，转而由更接近基准参考包络的数据所替代。

在此基础上计算得到的方位角曲线如图5所示，为了对比方便，图中同时给出了利用最小二乘法得到方位角曲线。图中基准方位角为表1设置的35°，利用最小二乘法计算的方位角曲线相较于基准方位角有了较大幅度的波动，而波动的原因主要是因为噪声的引入导致了角度计算的误差增加。为了降低这一误差，利用提出的新型的估算方法即本发明实施例估算方法得到方位角曲线如图5所示，相比于最小二乘法曲线其波动的幅度更小。

实施例1：一种基于自适应反馈的方位估计方法，包括步骤：

利用误差门限控制和拟合数据替换的方法对最小二乘计算模块输出的信号进行二次处理，二次处理后得到与基准信号更加符合的包络曲线。

实施例2：在实施例1的基础上，所述利用误差门限控制和拟合数据替换的方法，包括子步骤：

引入计算平均值单元用于平滑噪声；

引入误差计算单元用于计算真实采样值与拟合值之间的误差，并通过引入判决单元进行判断，在大误差下将拟合值取代采样值进行反馈，重新计算方位角。

实施例3：在实施例2的基础上，设接收端第n次采样信号为Sn，在这之前的n次采样共同组成包络信号[S1,S2...Sn]，在包络信号进入最小二乘计算模块后，包括如下子步骤：

步骤一，按照采样时间对信号进行分集，然后构造对应的基于时间的Hi矩阵，基于最小二乘计算模块计算得到矩阵θi；其中i表示分集数，i＝[1,2...k]；

步骤二，随后将得到的矩阵θi数据送入引入的计算平均值单元求平均值，得到均值avg(θ)；

步骤三，该均值avg(θ)与实际采样信号Sj，共同送入引入的误差计算单元，计算Sj与该采样点对应拟合得到的数据Hi×avg(θ)|

步骤四，该误差输入引入的判决单元，当误差在设定的门限范围内时，此时avg(θ)符合要求，判决单元发送控制信号至计算平均值单元，平均值θ输出；当误差超过门限时，则将Hi×avg(θ)|

步骤五，随后重新计算θi，循环往复，直至误差满足门限要求。

实施例4：在实施例2的基础上，在步骤一中，分集数i由用户定义，且每个分集都包含相同个数的采样信号。

实施例5：在实施例2的基础上，在步骤四中，所述门限由用户自定义。

实施例6：一种基于自适应反馈的方位估计模块，执行如实施例1～实施例5中任一项所述方法。

实施例7：一种计算机设备，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理器加载时并执行如实施例1～实施例5任一项所述的方法，或包括如实施例6所述的模块。

实施例8：一种基于自适应反馈的方位估计系统，包括如实施例7所述的计算机设备。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。