CN115524661A - 电离层高度与目标位置联合优化的短波时差定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于信号参数测量与估计领域，公开了一种电离层高度与目标位置联合优化的短波时差定位方法，首先建立短波超视距时差定位模型；然后对接收信号采用二维互模糊相关算法求取任意两个接收站间的时延差；接着在视距场景即假设电离层高度为零时，利用Chan算法求得粗定位结果；最后在粗定位结果的基础上，利用遗传算法联合优化电离层高度与目标位置以获取精确定位结果。与现有的技术相比，本发明提供的方案不需要有关电离层参数的先验信息即可实现高精度有效定位，算法应用范围广，鲁棒性强，实施简单。

Description

电离层高度与目标位置联合优化的短波时差定位方法

技术领域

本发明属于信号参数测量与估计领域，具体涉及一种基于电离 层高度与目标位置联合优化的短波超视距时差定位方法。

背景技术

短波通信是唯一不受网络枢纽和有源中继制约的远程通信手 段，其通过电离层反射的传输方式，传播距离可达数千公里。国内 外学者在短波超视距定位方面进行了部分研究，目前常用的定位方 法主要包括两类：基于双站/多站测向交会定位技术和单站测向定位 技术。传统双站/多站测向交会定位技术以到达角定位方法为基础， 由两个或多个角度方向相交来确定辐射源位置；而单站测向定位技 术则通过对短波信号方位角、仰角以及电离层反射高度进行测量以 实现单接收站定位。这两种方法均需要对来波信号进行测向，而测 向必然要使用天线阵列，相比于微波频段，短波阵列占地面积大， 为实现高的测向精度，阵列孔径可达几百米；同时设备复杂，生产 和维护成本高。为此考虑采用时差定位方法，相比于传统的测向定 位技术而言，设备简单、处理时间短、成本低廉且机动能力强。国内外有少数学者在电离层高度已知或者通过一些经验信息推算出电 离层高度的基础上建立时差定位模型解算出目标辐射源的位置，这 种时差定位方法需要对电离层特性有深入的理解，同时对各地区电 离层历史参数信息有大量的数据积累，显然有时是不太可能的；同 时存在着推算出的电离层高度不精确导致定位精度急剧下降的问 题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电离层高度与目标位置联合优化 的短波超视距时差定位方法，解决现有方法中电离层反射高度不易 求解以及推算结果不精确导致定位精度有限的问题。

本发明采用的技术方案为：

一种电离层高度与目标位置联合优化的短波时差定位方法，具 体包括如下步骤：

步骤1，构建短波超视距时差定位模型，具体如下：

在短波信号超视距传输模型中，目标辐射源到各接收站的信号 传输距离表示为：

式中，N_r表示接收站的数量，N_r≥4，h_i表示第i条路径中的电 离层反射高度，d_i(·)表示地面两点间的大圆距离，由球面余弦公式 (2)求得，

和

分别表示目标辐射源和第i个接收站的经 纬度坐标；

假设t₀时刻目标辐射源发射信号，第i个接收站接收到信号的时 刻为t_i，第j个接收站接收到信号的时刻为t_j，j≠i，则有

式中，τ_i和τ_j分别对应表示第i条路径和第j条路径对应的时延， V_c为电磁波传播速度，令第i条路径和第j条路径对应的时延差 Δτ_ij＝τ_i-τ_j，则时差定位方程表示为：

再加上地球表面方程：

由式(1)、(4)和(5)组成一个关于

的 多元非线性方程组；

步骤2：利用二维互模糊相关算法求任意两个接收站间的时延 差，具体如下：

利用二维互模糊公式

其中，g_i(t)和g_j(t)分别对应为第i个接收站与第j个接收站接 收到的窄带信号，Δτ_ij为两路信号的时延差，

为两路信号的多普 勒频差，通过在时延轴和多普勒频率轴共同构成的二维模糊平面中 搜寻最大值，即得到两路信号间的时延差Δτ_ij和多普勒频移差

步骤3：将步骤2得到的时延差Δτ_ij代入式(3)中，同时不考 虑电离层反射高度h_i即令h_i＝0，则由式(1)、(3)和(4)组成 一个仅关于

的二元方程组，并利用传统视距时差定位中的Chan 算法解算得出目标辐射源的粗定位结果

步骤4:根据步骤3得到的粗定位结果，随机生成样本个体组成 初始化群体，并采用遗传算法对目标位置和每条路径的电离层虚高 进行联合优化，得到目标辐射源的精确位置。

其中，所述的步骤4具体步骤如下：

1)选择编码策略：根据步骤3得到的粗定位结果，确定待优化 参数l、

h_i的取值范围，选择采用二进制编码方式对各个待估参数 进行编码；

2)定义适应度函数：

3)随机生成K个样本个体组成初始化群体，第k个样本表示为

4)计算每个样本个体对应的适应度函数值f(x_k),k＝1,2,…,K；

5)判断群体性能是否满足最大遗传迭代次数，若满足则输出最 优参数；否则按照遗传策略，运用选择算子、交叉算子和变异算子 作用于群体，产生下一代群体，转到步骤4)。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用短波时差定位方法，相比于传统的测向定位技术而 言，设备简单、处理时间短、成本低廉且机动能力强。

2.本发明采用基于电离层高度与目标位置联合优化的短波超视 距时差定位方法，不需要事先估计电离层高度，应用范围广，算法 简单有效。

附图说明

图1为短波信号传播示意图；

图2为短波信号超视距传输模型；

图3为利用GA算法联合优化目标位置与电离层高度的流程图；

图4为利用GA算法联合估计目标位置与电离层高度的过程中， 适应度函数随遗传代数的变化以及相邻两代间平均距离随遗传代数 的变化图。

图5为本发明所提出算法的定位精度随蒙特卡洛仿真次数的变 化图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的说明。

本发明电离层高度与目标位置联合优化的短波时差定位方法所 采用的技术方案是，首先建立短波超视距时差定位模型；然后利用 二维互模糊相关算法求取任意两个接收站间的时延差；接着在视距 场景即假设电离层高度为零时，利用Chan算法求得粗定位结果；最 后，在粗定位结果的基础上，利用遗传算法联合优化电离层高度与 目标位置获取精确定位结果。具体如下：

步骤1：构建短波超视距时差定位模型

如图1所示为短波信号传播示意图，短波信号通过电离层反射进 行传输。显然在采用时差定位方法中，除了辐射源经纬度之外，每条 路径的电离层虚高也是重要的未知参数。如图2所示为短波信号超视 距传播模型，目标辐射源到各接收站的信号传输距离可近似表示为

式中，N_r表示接收站的数量，N_r≥4，h_i为第i条路径中的电离 层反射高度，d_i(·)表示地面两点间的大圆距离，由球面余弦公式(2) 可以求得，

和

分别表示目标辐射源和第i个接收站的经纬 度坐标。

假设t₀时刻目标辐射源发射信号，第i个接收站接收到信号的时 刻为t_i，第j个接收站(j≠i)接收到信号的时刻为t_j，有

式中，τ_i、τ_j分别表示第i条路径、第j条路径对应的时延，V_c为 电磁波传播速度。令Δτ_ij＝τ_i-τ_j，显然Δτ_ij为第i条路径和第j条路 径对应的时延差，时差定位方程可以表示为

再加上地球表面方程，

由式(1)(4)(5)组成一个关于

多元非 线性方程组。

步骤2：利用二维互模糊相关算法求任意两个接收站间的时延差

之所以采用二维互模糊相关算法，是因为短波信道传播信号时， 不仅存在由衰落引起的信号振幅的起伏，而且传播中还存在多普勒 效应造成的发射信号频率的漂移；多普勒频移产生的原因是电离层 经常性的快速运动以及反射层高度的快速变化，使传播路径长度不 断变化，信号相位也随之产生变化。这种相位变化，可以看成电离 层不规则运动引起的高频载波的多普勒频移。

利用二维互模糊公式

其中，g_i(t)、g_j(t)为第i个接收站与第j个接收站接收到的窄 带信号，Δτ_ij为两路信号的时延差，

为两路信号的多普勒频差， 通过在时延轴和多普勒频率轴共同构成的二维模糊平面中搜寻最大 值，即可得到两路信号间的时延差Δτ_ij和多普勒频移差

步骤3：在视距场景下利用Chan算法求取粗定位结果

将步骤2得到的时延差Δτ_ij代入式(3)中，同时不考虑电离层 反射高度h_i即令h_i＝0，这样由式(1)(3)(4)组成一个仅关于

的二元方程组，利用传统视距时差定位中的Chan算法解算出目标辐 射源的粗定位结果

步骤4：利用遗传算法联合优化电离层高度与目标位置实现精 确定位

根据步骤3得到的粗定位结果，随机生成样本个体组成初始化 群体，并采用遗传算法(GeneticAlgorithm,GA)对目标位置和每条 路径的电离层虚高进行联合优化，得到目标辐射源的精确位置。具 体流程如图3所示：

1)选择编码策略：根据步骤3得到的粗定位结果，确定待优化 参数l、

h_i的取值范围，选择采用二进制编码方式对各个待估参数 进行编码。

2)定义适应度函数：

3)随机生成K个样本个体组成初始化群体，第k个样本可表示 为

4)计算每个样本个体对应的适应度函数值f(x_k),k＝1,2,…,K。

5)判断群体性能是否满足优化准则：这里选取最大遗传迭代次 数Iter_max作为优化准则，若满足则输出最优参数，否则按照遗传 策略，运用选择算子、交叉算子和变异算子产生下一代群体，并开 始新一代遗传。

6)转到步骤4)，计算新群体中各样本个体的适应度函数值。

下面为一更具体的实施例：

本发明实验中采用4个短波接收站分别位于哈尔滨、顺义、上 海、福建，设定辐射源位于西安，各接收站到辐射源间的大圆距离 分别为1900km\953km\1240km\1385km。除此之外，对应四条路径的 电离层反射高度为h₁＝180km，h₂＝320km，h₃＝265km，h₄＝230km。根据式(1)可以计算出接收站与目标之间经电离层反射的实际距离 为1934km、1148km、1349km、1459km，将距离转换成相应的时延 值，仿真生成N_r＝4个带有时延信息的短波接收信号，信号调制类 型为BPSK，信号载频为13.2MHz，信号带宽为10KHz，中频采样 率为100KHz，信号噪声为高斯白噪声，信噪比为13＝12dB。同时为 每路短波信号添加多普勒频移

首先利用 二维互相关算法对接收到的信号进行时差估计，然后采用传统视距 时差定位Chan算法得到目标辐射源的粗定位结果

接下来利用GA算法联合估计出目标位置

和电离层高度

实 现精确定位，其中参数l、

h_i的取值范围为

h_i∈[100km,350km]，选择采用二进制编码方 式，l的编码长度为10，

的编码长度为10，h_i的编码长度为12， 最大迭代次数Iter_max＝600，群体中样本数为K＝100，选择算子采 用无放回式余数随机采样，交叉算子采用交叉概率P_c＝0.5，变异算 子采用变异概率P_e＝0.08。如图4所示为利用GA算法联合估计目标 位置与电离层高度的过程中，适应度函数随遗传代数的变化以及相 邻两代间平均距离随遗传代数的变化，如图5所示为本发明所提出 算法的定位精度随蒙特卡洛仿真次数的变化，证明本发明所提供的 算法在不需要有关电离层参数的先验信息下仍能实现高精度定位， 且收敛速度快，算法应用范围广，简单有效。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作 任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或 等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (2)

1.一种电离层高度与目标位置联合优化的短波时差定位方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1，构建短波超视距时差定位模型，具体如下：

在短波信号超视距传输模型中，目标辐射源到各接收站的信号传输距离表示为：

式中，N_r表示接收站的数量，N_r≥4，h_i表示第i条路径中的电离层反射高度，d_i(·)表示地面两点间的大圆距离，由球面余弦公式(2)求得，

和

分别表示目标辐射源和第i个接收站的经纬度坐标；

假设t₀时刻目标辐射源发射信号，第i个接收站接收到信号的时刻为t_i，第j个接收站接收到信号的时刻为t_j，j≠i，则有

式中，τ_i和τ_j分别对应表示第i条路径和第j条路径对应的时延，V_c为电磁波传播速度，令第i条路径和第j条路径对应的时延差Δτ_ij＝τ_i-τ_j，则时差定位方程表示为：

再加上地球表面方程：

由式(1)、(4)和(5)组成一个关于

的多元非线性方程组；

步骤2：利用二维互模糊相关算法求任意两个接收站间的时延差，具体如下：

利用二维互模糊公式

其中，g_i(t)和g_j(t)分别对应为第i个接收站与第j个接收站接收到的窄带信号，Δτ_ij为两路信号的时延差，

为两路信号的多普勒频差，通过在时延轴和多普勒频率轴共同构成的二维模糊平面中搜寻最大值，即得到两路信号间的时延差Δτ_ij和多普勒频移差

步骤3：将步骤2得到的时延差Δτ_ij代入式(3)中，同时不考虑电离层反射高度h_i即令h_i＝0，则由式(1)、(3)和(4)组成一个仅关于

的二元方程组，并利用传统视距时差定位中的Chan算法解算得出目标辐射源的粗定位结果

步骤4：根据步骤3得到的粗定位结果，随机生成样本个体组成初始化群体，并采用遗传算法对目标位置和每条路径的电离层虚高进行联合优化，得到目标辐射源的精确位置。

2.根据权利要求1所述的电离层高度与目标位置联合优化的短波时差定位方法，其特征在于，所述的步骤4具体步骤如下：

1)选择编码策略：根据步骤3得到的粗定位结果，确定待优化参数l、

h_i的取值范围，选择采用二进制编码方式对各个待估参数进行编码；

2)定义适应度函数：

3)随机生成K个样本个体组成初始化群体，第k个样本表示为

4)计算每个样本个体对应的适应度函数值f(x_k),k＝1,2,…,K；

5)判断群体性能是否满足最大遗传迭代次数，若满足则输出最优参数；否则按照遗传策略，运用选择算子、交叉算子和变异算子作用于群体，产生下一代群体，转到步骤4)。

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