CN109031190A - 一种高重频脉冲信号无源时差定位方法 - Google Patents

一种高重频脉冲信号无源时差定位方法 Download PDF

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Abstract

一种高重频脉冲信号无源时差定位方法，本发明通过预估目标辐射源速度，结合已知的接收站位置和速度，通过频差对应消除虚假的模糊解，进而得到真实位置解，在不增加设备的前提下同时解决运动目标和静止目标高重频雷达信号脉冲配对问题，具有积累时间短，定位速度快的特点。

Description

一种高重频脉冲信号无源时差定位方法
技术领域
本发明涉及一种高重频脉冲信号无源时差定位方法，属于无源定位技术领域。
背景技术
无源侦察定位在电子对抗中具有极其重要的作用，其中，时差定位利用同一辐射源脉冲信号到达分布多星的时间差形成双曲面进行定位。长基线时差定位由于其定位精度高、定位算法简单，在工程实现中得到广泛的应用。但是，当***站间基线较长时，同一目标信号到达不同接收站的时差较大，因此长基线时差***存在着脉冲配对模糊问题，尤其当辐射源脉冲信号为高重频信号(脉冲发送间隔很小，脉冲发送频率较高)时，造成的模糊配对问题更为严重，接收站之间的基线越长，产生时差模糊的脉冲发射频率越小。进行电子侦察时，会导致定位处理中会产生虚假解。则当辐射源脉冲信号PRI小于时差窗宽度时，时差窗内会有多个脉冲出现，此时出现时差模糊。解决高重频雷达定位模糊的技术已经成为时差定位的关键技术之一。能否解决好高重频信号的模糊问题，事关无源时差定位***的成败。
目前部分无源雷达采用辅助测向的方法解决高重频定位模糊问题，这种方法可以去除部分模糊，但由于测向天线波瓣宽度在宽带难以做到很窄，副瓣难以做到很低，会导致部分额外的虚假目标，并且由于测向天线的扫描，降低了和时差天线同时截获目标信号的概率，增加了去模糊的难度。另外如果采用干涉仪测向等方法，需要增加额外的设备，并且测向精度也较差。
目前还有采用多次测量来解模糊的方法,根据真实目标位置数据在短时间内不可能突变而虚假点数据突变的原理,消除定位模糊。这种方法的缺点包括：一是对同一目标，接收站也不一定能长时间的接收到目标的雷达信号；二是计算量大，因为需要测量、计算多组位置数据,所需的定位时间长,削弱了时差定位快速的优势；三是对于运动目标，即使长时间的测量也难以排除模糊解，从而不能有效的定位。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高重频脉冲信号无源时差定位方法，解决了长基线高重频脉冲信号定位中的时差模糊问题，满足高重频脉冲信号的定位需求。
本发明的技术解决方案是：
一种高重频脉冲信号无源时差定位方法，包括步骤如下：
1)确定各副接收站与主接收站的时差窗宽度；
2)在主接收站侦察接收到的辐射源的脉冲序列中，每隔N个脉冲抽取一个脉冲，作为主站参考脉冲，获得H个主站参考脉冲，组成主站参考脉冲序列P0(n)，n＝1,…,H，H为大于或等于10的正整数；所述N≥2/T，其中，T为辐射源脉冲信号脉冲重复的间隔时间；
3)判断是否存在脉冲配对模糊，若不存在脉冲配对模糊，直接获取辐射源定位位置，完成定位工作；若存在脉冲配对模糊，进入步骤4)；
4)提取所有主站参考脉冲对应副接收站侦察接收到的全部脉冲的脉冲组合，获得所有脉冲组合的定位位置；
5)根据步骤4)获得的所有脉冲组合的定位位置，按空间距离进行聚类，获得聚类组；若聚类组的个数为1，则该聚类组的聚类中心即为辐射源定位位置，完成定位工作；否则进入步骤6)；
6)计算各聚类组的多普勒频差向量；
7)提取主接收站和各副接收站之间的多普勒频差向量Δ＝(f1,…,fL)，分别计算向量Δ＝(f1,…,fL)和步骤6)中各聚类组的多普勒频差向量Fj＝(fj,1-fj,L+1,…,fj,L-fj,L+1)之间的欧氏距离，取欧氏距离最小值对应的聚类中心作为辐射源定位位置，完成定位工作；其中j＝1,…,C，所述C为聚类组的个数，L为副接收站的总个数，L为大于或等于3的正整数。
所述步骤4)提取所有主站参考脉冲对应副接收站侦察接收到的脉冲的全部脉冲组合的具体方法为：
41)对于主站参考脉冲序列中的任意一个主站参考脉冲，在该主站参考脉冲对应时差窗宽度内分别从每个副接收站中任意提取1个脉冲，获得该主站参考脉冲对应副接收站侦察接收到的脉冲的全部K1×…×KL种脉冲组合；i＝1,…,L，L等于***副接收站的个数；
42)重复步骤41)H次，直至获得所有主站参考脉冲对应副接收站侦察接收到的脉冲的全部脉冲组合。
所述步骤5)聚类中心为各聚类组里所有脉冲组合定位位置的均值。
所述步骤3)中判断是否存在脉冲配对模糊的方法具体为：
若每个副接收站在一个时差窗宽度中侦察接收到的脉冲个数均为1，则不存在脉冲配对模糊；反之，则存在脉冲配对模糊。
所述步骤4)获得每个副接收站脉冲组合的定位位置的具体方法为：多站时差定位方法。
所述步骤6)计算各聚类组的多普勒频差向量Fj的具体方法为：
Fj＝(fj,1-fj,L+1,…,fj,L-fj,L+1)，
其中，f0为辐射源脉冲信号的频率，c为电磁波传播速度，(xj,yj,zj)为聚类组j的聚类中心，(vjx,vjy,vjz)为聚类组j的目标速度，(vxi,vyi,vzi)为接收站i的运动速度，(xi,yi,zi)为接收站i的定位位置，i＝1,…,L,L+1，，i＝L+1为主接收站的编号。
所述步骤5)中获得聚类组的方法为：
51)所有脉冲组合的定位位置中任意取一个定位位置放入聚类组；
52)在未被放入聚类组的定位位置中任意取一个定位位置与聚类组中的定位位置分别进行聚类判断，若该定位位置与聚类组中的任一定位位置距离小于聚类距离R，则将该定位位置放入聚类组；
53)重复步骤52)，直至完成所有剩余定位位置的聚类判断；
54)在未被放入聚类组的定位位置中任意取一个定位位置放入新的聚类组；
55)重复步骤52)-54)直至完成所有定位位置的聚类。
所述聚类距离R的具体公式为：
R＝σ+T×H×N×V，
其中σ为时差定位精度，V为辐射源脉冲信号和接收站i相对运动的最大速度,H为主站参考脉冲的个数，N为任意两个主站参考脉冲中间隔的主接收站侦察接收的脉冲个数。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)本发明采用数据处理的方法，通过预估目标辐射源速度，结合已知的接收站位置和速度，通过频差匹配消除虚假的模糊解，进而得到真实位置解，本发明在不增加时差定位***额外设备的前提下同时解决运动目标和静止目标高重频雷达信号脉冲配对问题，具有积累时间短，定位速度快，方便实施，成本低廉的特点，符合实际应用需要；
2)本发明以多普勒频差作为模糊位置的区分特征，与脉冲的重复间隔无关，因此能够适应现有方法解决不了高重频信号的解模糊问题，并且本发明方法对频差提取精度要求较低，对接收站设备无特殊要求，工程可实现，实用性强。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明接收站布站图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本发明总的流程如图1所示，接收站以卫星为例，如图2所示，采用Y字布站，中心卫星为主星，基线长度2000Km。卫星的侦察接收范围为半径为2000Km圆域。速度77m/s，初始位置(1100，0，6285)Km，假设辐射源脉冲发射频率为30KHz。
实施步骤如下：
1)确定各副接收站对应时差窗宽度，所述时差窗宽度为副接收站和主接收站之间在侦察接收范围内所有位置上形成的时差中的最大值和最小值的差。在侦收区域获取卫星2和卫星1的时差窗为1ms，卫星3和卫星1的时差窗为1ms，卫星4和卫星1的时差窗为0.7ms。
2)在主接收站侦察接收的脉冲序列中，每隔N＝3750个脉冲抽取一个脉冲，作为主站参考脉冲，获得H＝16个主站参考脉冲组成的主站参考脉冲序列P0(n)，n＝1,…,H；所述N≥2/T，其中，T＝33.33μs为辐射源脉冲信号脉冲重复的间隔时间；
3)存在脉冲配对模糊，进入步骤4)；
4)提取所有主站参考脉冲对应副接收站侦察接收到的全部脉冲的脉冲组合，采用多站时差定位方法获得所有脉冲组合的定位位置；
提取脉冲组合的具体方法为：
41)对于主站参考脉冲序列中的任意一个主站参考脉冲，在该主站参考脉冲对应时差窗宽度内分别从每个副接收站中任意提取1个脉冲获得该主站参考脉冲对应副接收站侦察接收到的脉冲的全部K1×…×KL种脉冲组合；
42)重复步骤41)H＝16次，直至获得所有主站参考脉冲对应副接收站的全部脉冲组合。
5)根据步骤4)获得的所有副接收站脉冲组合的定位位置，按空间距离进行聚类，获得8个聚类组，其中1个聚类组的聚类中心代表辐射源目标位置，其余为模糊位置，进入步骤6)；其中，聚类中心为各聚类组里所有脉冲组合定位位置的均值；
聚类方法具体为：
51)所有副接收站脉冲组合的定位位置中任意取一个定位位置放入聚类组；
52)在未被放入聚类组的定位位置中任意取一个定位位置与聚类组中的定位位置分别进行聚类判断，若该定位位置与聚类组中的任一定位位置距离小于聚类距离R，则将该定位位置放入聚类组；
所述聚类距离R的具体公式为：
R＝σ+T×H×N×V，
其中σ为时差定位精度取3Km，V为辐射源脉冲信号和接收站i相对运动的最大速度取500m/s,H为主站参考脉冲的个数16个，N＝3750为任意两个主站参考脉冲中间隔的主接收站侦察接收的脉冲个数。
53)重复步骤52)，直至完成所有剩余定位位置的聚类判断；
54)在未被放入聚类组的定位位置中任意取一个定位位置放入新的聚类组，重复步骤52)-53)，直至完成所有剩余定位位置的聚类判断；
55)重复步骤54)直至完成所有在剩余定位位置的聚类。
6)根据主站参考脉冲序列的间隔时间N·T＝125ms和各聚类组脉冲组合的定位位置分别估计每个聚类组的目标速度(vj,vj,vj)，j＝1,...,C；其中，C为聚类组的个数；
7)分别计算各聚类组的多普勒频差
根据各个聚类组的聚类中心(xj,yj,zj)及该聚类组的目标速度(vjx,vjy,vjz)分别计算该聚类组聚类中心到每个接收站i的多普勒频率fj,i，i＝1,…,L,L+1，其中，i＝1,…,L为副接收站的编号，L为副接收站的总个数，L为3的正整数，i＝L+1＝4为主接收站的编号，j＝1,…,C，所述C为聚类组的个数，C＝8；用副接收站的多普勒频率减去主接收站的多普勒频率，获得各聚类组的多普勒频差向量Fj。Fj＝(fj,1-fj,L+1,…,fj,L-fj,L+1)，其中，fj,L+1为聚类组j脉冲信号到达主接收站的多普勒频率，j＝1,…,C。
计算辐射源脉冲信号到达主接收站以及各个副接收站的多普勒频率的具体公式为：
其中，f0为辐射源脉冲信号的频率，c为电磁波传播速度，(xj,yj,zj)为聚类组j的聚类中心，(vjx,vjy,vjz)为聚类组j的目标速度，(vxi,vyi,vzi)为接收站i的运动速度，(xi,yi,zi)为接收站i的定位位置，i＝1,…,L,L+1，j＝1,…,C，所述C为聚类组的个数，C＝8。
8)频差匹配确定真实位置
采用信号互模糊函数的方法提取主接收站和各副接收站之间的多普勒频差向量Δ＝(f1,…,fL)，分别计算向量Δ＝(f1,…,fL)和步骤7)中各聚类组的多普勒频差向量Fj＝(fj,1-fj,L+1,…,fj,L-fj,L+1)之间的欧氏距离，取欧氏距离最小值对应的聚类中心作为目标的真实位置。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种高重频脉冲信号无源时差定位方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)确定各副接收站与主接收站的时差窗宽度；
2)在主接收站侦察接收到的辐射源的脉冲序列中，每隔N个脉冲抽取一个脉冲，作为主站参考脉冲，获得H个主站参考脉冲，组成主站参考脉冲序列；
3)判断是否存在脉冲配对模糊，若不存在脉冲配对模糊，直接获取辐射源定位位置，完成定位工作；若存在脉冲配对模糊，进入步骤4)；
4)提取所有主站参考脉冲对应副接收站侦察接收到的全部脉冲的脉冲组合，获得所有脉冲组合的定位位置；
5)根据步骤4)获得的所有脉冲组合的定位位置，按空间距离进行聚类，获得聚类组；若聚类组的个数为1，则该聚类组的聚类中心即为辐射源定位位置，完成定位工作；否则进入步骤6)；
6)计算各聚类组的多普勒频差向量；
7)提取主接收站和各副接收站之间的多普勒频差向量Δ＝(f1,…,fL)，分别计算向量Δ＝(f1,…,fL)和步骤6)中各聚类组的多普勒频差向量Fj＝(fj,1-fj,L+1,…,fj,L-fj,L+1)之间的欧氏距离，取欧氏距离最小值对应的聚类中心作为辐射源定位位置，完成定位工作；其中j＝1,…,C，所述C为聚类组的个数，L为副接收站的总个数，L为大于或等于3的正整数。
2.根据权利要求1所述的一种定位方法，其特征在于，所述步骤4)提取H个主站参考脉冲对应副接收站侦察接收到的脉冲的全部脉冲组合的具体方法为：
41)对于主站参考脉冲序列中的任意一个主站参考脉冲，在该主站参考脉冲对应时差窗宽度内分别从每个副接收站中任意提取1个脉冲，获得该主站参考脉冲对应副接收站侦察接收到的脉冲的全部K1×…×KL种脉冲组合；i＝1,…,L，L等于***副接收站的个数；
42)重复步骤41)H次，直至获得所有主站参考脉冲对应副接收站侦察接收到的脉冲的全部脉冲组合。
3.根据权利要求1所述的一种定位方法，其特征在于：所述步骤5)聚类中心为各聚类组里所有脉冲组合定位位置的均值。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种定位方法，其特征在于，所述步骤3)中判断是否存在脉冲配对模糊的方法具体为：
若每个副接收站在一个时差窗宽度中侦察接收到的脉冲个数均为1，则不存在脉冲配对模糊；反之，则存在脉冲配对模糊。
5.根据权利要求4所述的一种定位方法，其特征在于，所述步骤6)计算各聚类组的多普勒频差向量Fj的具体方法为：
Fj＝(fj,1-fj,L+1,…,fj,L-fj,L+1)，
其中，f0为辐射源脉冲信号的频率，c为电磁波传播速度，(xj,yj,zj)为聚类组j的聚类中心，(vjx,vjy,vjz)为聚类组j的目标速度，(vxi,vyi,vzi)为接收站i的运动速度，(xi,yi,zi)为接收站i的定位位置，i＝1,…,L,L+1，i＝L+1为主接收站的编号。
6.根据权利要求5所述的一种无源时差定位方法，其特征在于：所述步骤5)中获得聚类组的方法为：
51)所有脉冲组合的定位位置中任意取一个定位位置放入聚类组；
52)在未被放入聚类组的定位位置中任意取一个定位位置与聚类组中的定位位置分别进行聚类判断，若该定位位置与聚类组中的任一定位位置距离小于聚类距离R，则将该定位位置放入聚类组；
53)重复步骤52)，直至完成所有剩余定位位置的聚类判断；
54)在未被放入聚类组的定位位置中任意取一个定位位置放入新的聚类组；
55)重复步骤52)-54)直至完成所有定位位置的聚类。
7.根据权利要求6所述的一种无源时差定位方法，其特征在于：所述聚类距离R的具体公式为：
R＝σ+T×H×N×V，
其中σ为时差定位精度，V为辐射源脉冲信号和接收站i相对运动的最大速度,H为主站参考脉冲的个数，N为任意两个主站参考脉冲中间隔的主接收站侦察接收的脉冲个数。
8.根据权利要求7所述的一种无源时差定位方法，其特征在于：所述H为大于或等于10的正整数。
9.根据权利要求8所述的一种无源时差定位方法，其特征在于：所述步骤2)的N≥2/T，其中，T为辐射源脉冲信号脉冲重复的间隔时间。
10.根据权利要求1-3任一所述的一种定位方法，其特征在于，所述步骤3)获取辐射源定位位置和步骤4)获得所有脉冲组合的定位位置的具体方法为：多站时差定位方法。
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