CN117075035B - 自旋短基线高精度测向方法、***、设备、介质及终端 - Google Patents

Abstract

本发明属于信号处理和无源定位技术领域，公开了一种自旋短基线高精度测向方法、***、设备、介质及终端，利用安装在地面平台上的接收天线构成一维基线绕某个轴旋转，构成自旋基线，则多个时刻自旋基线对空中辐射源辐射的多个脉冲信号会形成多个相位差，通过构造最优化代价函数的方法寻找代价函数的峰值点即可得到辐射源的真实方向。本发明提供的自旋短基线高精度测向方法，采用自旋短基线天线接收感兴趣的辐射源信号，与现有的多基线干涉仪测向***相比，大大降低现有***的体积、功耗、重量和成本，且测向误差随着自旋转动的圈数增加而减小(在数学上满足渐进无偏估计)，且能随着目标的运动而保持稳定，积累后可实现任意高精度测向的能力。

Description

自旋短基线高精度测向方法、***、设备、介质及终端

技术领域

本发明属于信号处理和无源定位技术领域，尤其涉及一种自旋短基线高精度测向方法、***、设备、介质及终端。

背景技术

高精度测向，是无源定位技术的基础，在信号处理领域具有举足轻重的地位。目前常用的比幅测向是振幅法测向体制的一种，具有技术难度小、瞬时带宽大、截获概率高、不受测频精度影响等优势，但由于天线的幅度方向图特性难以准确解析表达，不同天线的幅度一致性难以做到有效补偿，精度很难提高。干涉仪测向是相位法测向体制中最常用的方法之一，具有算法简单、灵敏度高、实时性好、适用天线阵型多样等优势，但其测向精度与相位模糊问题对基线长度的要求又相互矛盾，要获得较高的精度，需要增大基线长度，而基线长度超过波长的二分之一时就会造成相位模糊，且基线越长，相位模糊越严重。因此现有的测向体制，无论是比幅、传统干涉仪等技术在一定程度上均受限于基线长度、阵元数量、通道幅/相一致性等因素的影响，测向精度很难再获得量级上的突破。

基于自旋短基线的高精度测向方法，在天线或载体转动过程中，接收通道幅度/相位的不一致带来的***偏差被抵消，与现有的多基线干涉仪测向***相比，大大降低***的体积、功耗、重量和成本，且测向误差随着转动圈数增加而减小直至逼近理论最优值，并能随着目标的运动而保持稳定，具有积累后实现任意高精度测向的能力。

通过背景分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)天线的方向图未知，拟合曲线无法精确实现，给比幅测向法测向精度很难提高；

(2)天线之间的通道幅度相位不一致性和基线波长比的不确定性导致干涉仪测向存在解模糊概率低的问题；

(3)空间谱测向阵列规模大排列复杂给实时测向及工程化带来了困难。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种自旋短基线高精度测向方法、***、设备、介质及终端。

本发明是这样实现的：自旋短基线高精度测向方法，所述自旋短基线高精度测向方法利用安装在地面平台上的接收天线构成一维短基线绕某个轴旋转，构成自旋短基线，自旋短基线在多个时刻对空中辐射源辐射的多个脉冲信号形成多个相位差，每个相位差会生成一条测向线或多条测向线(模糊)，远距离视场下多条测向线必然汇聚相交于辐射源真实方向处，根据干涉仪测向精度误差理论，来波方向处于基线的法线方向时测向精度最高准则，可以通过构造网格化最优化代价函数的方法寻找代价函数的峰值点得到辐射源的真实方向。

进一步，所述自旋短基线高精度测向方法采用自旋短基线天线接收敏感辐射源信号，在天线或载体转动过程中，接收通道幅度/相位的不一致带来的***偏差被抵消，构建误差代价函数，迭代寻找代价函数最值，确定辐射源方向。

进一步，所述自旋短基线高精度测向方法具体包括以下步骤：

第一步，将一维短基线天线固定安装在转台上方的支撑杆上，支撑杆需随转台同步转动且保持平衡；

第二步，自动转动转台并连续采集辐射源信号，转动周期可根据转台性能可调；

第三步，对采集到的辐射源信号进行分段处理测向，记录好采用的每一段时刻并标记；

第四步，对测向结果进行统计，并与转动时刻进行匹配配对；

第五步，生成所有转动角度的时刻和最优相位差二维矩阵库；

第六步，构造代价函数，计算代价函数最优解，匹配二维矩阵库，输出测向值。

进一步，所述自旋短基线高精度测向方法中高精度测向相位差测量影响下限：

t时刻脉冲信号在两天线上的无模糊观测相位差为：

ψ(t)＝(2π/λ)×u^Th(t)＝(2π/λ)×(dsinβ)×cos(θ_t-α)

其中λ表示信号波长，u^T表示单位矢量，h(t)表示信号到达两天线的波程差值，β表示方位角，d表示基线长度，θ_t表示旋转角度，α表示俯仰角度。

实际测量结果为ψ(t)经2π周期模糊后在主值区间[-π，π)内的相位差，记为：

φ(t)＝mod(ψ(t)，2π)＝ψ(t)-c(t)×(2π)，

其中，c(t)表示t时刻波程差值，N个目标脉冲在t₁，…，t_N时刻到达测向***，对应的相位差观测序列为：

其中ε(t_n)表示均值为0、方差为σ²的相位差测量误差，且不同时刻的测量误差之间相互独立；σ²表示***综合方差值，即***总方差；φ(t_n)，n＝1，…，N，表示不同时刻的相位差，且不同时刻的测量误差之间相互独立；同时基线指向没有误差，则基于观测模型得到关于目标方向参数的似然函数为：

其中θ_tn，表示不同时刻旋转角度，c(t_n)表示不同时刻t_n对应的波程差值，在成功实现对目标的解模糊且相位差测量误差适当小的情况下，即σ/(2π)＜＜1，认为最后对{c(t_n)}_{n＝1，…，N}的估计结果完全正确，式中的似然函数可简化为对似然函数取对数并舍去常数项，得到关于{α，β，σ²}的对数似然函数为：

借助直接的数学推导得到{α，β，σ²}估计误差的CRLB满足：

CRLB_{α，β}＝B^-1∝σ²(d/λ)，

其中， ∝表示“正比于”；

目标二维测向结果的最小均方误差与相位差测量均方误差成正比，与基线尺寸的平方成反比；当t₁，…，t_N在基线旋转周期内密集均匀分布时，更加具体地得到：

表明这种情况下的二维测向结果的最小均方误差与脉冲数目成反比。

进一步，所述第一步和第五步中的基线长度对测向误差的影响：

(1)测角误差来源于相位测量误差和频率测量误差Δλ；

(2)误差值与方位角大小有关，当方位角与天线轴线一致时，测角误差最小；

(3)误差还与两天线的距离l有关，采用长基线。

进一步，所述第二步中t时刻的基线转角误差为e(t)，误差方差为对应的相位差观测值为：

其中，ε(t)表示t时刻均值为0、方差为σ_e ²的相位差测量误差，σ_e ²表示转角对应的误差方差，T表示旋转周期，得到观测序列关于目标方向参数的对数似然函数为：

其中用h²(t_n)在基线旋转周期内的平均值近似在不同时刻的具体取值，得到/>

本发明的另一目的在于提供一种探测设备，所述探测设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算程序，所述计算程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述自旋短基线高精度测向方法。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述自旋短基线高精度测向方法。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述自旋短基线高精度测向方法。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述自旋短基线高精度测向方法的自旋短基线高精度测向***，所述自旋短基线高精度测向***包括：

自旋短基线模块，用于通过被动探测接收辐射源发出的无线电信号；

转台模块，用于支撑自旋短基线模块和数据采集模块；

测向模块，用于处理并记录自旋短基线模块和转台模块的输出数据并进行高精度测向；

显控模块，用于记录转台数据和测向模块的处理结果。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、为了克服通道数多导致一致性差带来的测向偏差等问题，利用安装在地面平台上的接收天线构成一维基线绕某个轴旋转，构成自旋基线，则多个时刻自旋基线对空中辐射源辐射的多个脉冲信号会形成多个相位差，由于自旋基线测向是利用某一时刻相位差φ的测量值来估计辐射源方位角。相位差φ以2π为周期，如果超过2π，便出现模糊。那么每个相位差会生成一条测向线(无相位差2π模糊时)或多条测向线(有2π相位差模糊时)，远距离视场下多条测向线必然汇聚相交于辐射源真实方向处，实际上，由于测量误差的存在，导致各个测向线并不完全相聚集一点，可以通过构造最优化代价函数的方法寻找代价函数的峰值点(多条测向线的聚集点)即可得到辐射源的真实方向。

本发明提供的自旋短基线高精度测向方法，采用自旋短基线天线接收感兴趣的辐射源信号。在天线或载体转动过程中，接收通道幅度/相位的不一致带来的***偏差被抵消，与现有的多基线干涉仪测向***相比，大大降低现有***的体积、功耗、重量和成本，且测向误差随着自旋转动的圈数增加而减小(在数学上满足渐进无偏估计)，且能随着目标的运动而保持稳定，积累后可实现任意高精度测向的能力。

第二，自旋短基线高精度测向技术巧妙的利用了转台的自旋特点，大大降低了接收机通道之间幅度和相位不一致性带来的影响，可有效解决测向精度不高的问题，测向精度误差小于0.2°，为交叉定位、单站定位、直接定位提供了一种全新的精度支撑，在满足共视条件下，交叉定位精度优于0.5％R，与目前主流的主动定位***几乎处于同一数量级，但***成本远远低于主动定位***，且具有隐蔽性极强的优点。

第三，作为本发明的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

(1)本发明技术方案中提出的自旋短基线测向技术采用一维基线进行接收，有效的解决了通道之间幅度和相位不一致性的问题，在信噪比要求不高的条件下，大大提高了测向精度，为发明技术工程化及产品化提供了重要技术支撑。

(2)本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：本发明仅用一维自旋短基线进行接收测向，巧妙的利用了转台自旋的特点，解决了***偏差抵消的难题，大大提高了测向精度和定位精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的自旋短基线高精度测向方法的流程图

图2是本发明实施例提供的自旋短基线测向示意图；

图3是本发明实施例提供的自旋一周时间记录图；

图4是本发明实施例提供的模糊相位差图；(a)无模糊相位差曲线(b)模糊相位差曲线；

图5是本发明实施例提供的自旋短基线多时刻相位差配对的测向线；

图6是本发明实施例提供的测向结果聚集效果图；

图7是本发明实施例提供的旋转一周测向真值图；

图8是本发明实施例提供的数字仿真试验示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供的自旋短基线高精度测向方法包括以下步骤：

S101：将一维短基线天线固定安装在转台上方的支撑杆上，支撑杆需随转台同步转动且保持平衡；

S102：自动转动转台并连续采集辐射源信号，转动周期可根据转台性能可调；

S103：对采集到的辐射源信号进行分段处理测向，记录好采用的每一段时刻并标记；

S104：对测向结果进行统计，并与转动时刻进行匹配配对；

S105：生成所有转动角度的时刻和最优相位差二维矩阵库；

S106：构造代价函数，计算代价函数最优解，匹配二维矩阵库，输出测向值。

高精度测向相位差测量影响下限：

t时刻脉冲信号在两天线上的无模糊观测相位差为：

ψ(t)＝(2π/λ)×u^Th(t)＝(2π/λ)×(dsinβ)×cos(θ_t-α). (1)

实际测量结果为ψ(t)经2π周期模糊后在主值区间[-π,π)内的相位差，记为：

φ(t)＝mod(ψ(t),2π)＝ψ(t)-c(t)×(2π), (2)

假设N个目标脉冲在t₁,…,t_N时刻到达测向***，对应的相位差观测序列为：

其中ε(t_n)表示均值为0、方差为σ²的相位差测量误差，且不同时刻的测量误差之间相互独立。同时假设基线指向没有误差，则基于该观测模型可得到关于目标方向等参数的似然函数为：

在成功实现对目标的解模糊且相位差测量误差适当小的情况下，即σ/(2π)＜＜1，可认为最后对{c(t_n)}_n＝1,…,N的估计结果完全正确，式中的似然函数可简化为对该似然函数取对数并舍去常数项，得到关于{α,β,σ²}的对数似然函数为：

借助直接的数学推导可得到{α,β,σ²}估计误差的CRLB满足：

CRLB_{α,β}＝B^-1∝σ²(d/λ)^-2, (7)

其中 ∝表示“正比于”。

目标二维测向结果的最小均方误差与相位差测量均方误差成正比，与基线尺寸的平方成反比。当t₁,…,t_N在基线旋转周期内密集均匀分布时，可以更加具体地得到：

式表明这种情况下的二维测向结果的最小均方误差与脉冲数目成反比，且依赖于目标俯仰角，俯仰角越大，则俯仰角估计精度越低、方位角估计精度越高。

在步骤S101和步骤S105中，的基线长度对测向误差的影响：

(1)测角误差来源于相位测量误差和频率测量误差Δλ。

(2)误差值与方位角大小有关。当方位角与天线轴线一致时，测角误差最小；当方位角与天线基线一致时，θ＝90°，测角误差很大，无法进行测向。因此，天线视角不宜过大，通常θ限制在±45°以内。如果通过对天线自旋一周后接收到的信号进行测向，会得出与时刻对应的不同入射角度的测向值，根据式(9)可知，当辐射源方位角与天线轴线一致时，自旋基线长度不变，测角误差最小，测角精度最高。因此通过设计代价函数，可以找到自旋一周过程中所有测向结果和其对应的时刻。

(3)误差还与两天线的距离l有关，要获得高测向精度，l必须足够大，即采用长基线，这恰好与测向***的不模糊视角相矛盾。

在步骤S102中，转台转角误差对测向影响，假设t时刻的基线转角误差为e(t)，误差方差为对应的相位差观测值为：

类似地可以得到观测序列关于目标方向等参数的对数似然函数为：

其中由于转角误差、相位差测量误差等参数与目标二维方向参数耦合在一起，很难有(11)式得到较直观的测向CRLB表达式。为此用h²(t_n)在基线旋转周期内的平均值近似其在不同时刻的具体取值，得到

本发明实施例提供的自旋短基线高精度测向***包括：

自旋短基线模块，用于通过接收辐射源发出的无线电信号；

转台模块，用于支撑自旋短基线模块和采集模块；

测向模块，用于处理并记录自旋短基线模块和转台模块的输出数据并进行高精度测向；

显控模块，用于记录转台数据和测向模块的处理结果。

图2是一种自旋短基线测向示意图，显示了天线的布置和定位，包括转台上方的支撑杆和一维短基线天线。

图3是自旋一周时间记录图，记录了转台在一周内的旋转情况，可用于后续的数据处理和分析。

图4是模糊相位差图，包括了无模糊相位差曲线和模糊相位差曲线，这些曲线是测向过程中的重要参考，用于确定测向结果的准确性。

图5是自旋短基线多时刻相位差配对的测向线，显示了不同时刻的相位差配对情况，这对于测向结果的计算和分析非常关键。

图6是测向结果聚集效果图，显示了测向结果的聚集情况，可以帮助评估测向方法的精度和可靠性。

图7是旋转一周测向真值图，提供了旋转一周测向的真实数值，可用于与测向结果进行比较和验证。

图8是数字仿真试验示意图，说明了本发明实施例中使用的数字仿真试验的过程和方法。

本发明实施例提供了一种自旋短基线高精度测向方法，包括了上述步骤。这些步骤涉及天线的布置和定位、连续采集信号、分段处理和测向、统计分析、代价函数计算等，最终输出测向值。这种方法可以用于高精度的测向应用。

本发明实施例的两个具体实施例为：

实施例1：

在天线平台上设置一组接收天线，形成一维基线。使得这组天线绕着一个固定的轴进行旋转。

在天线旋转过程中，接收来自辐射源的脉冲信号，并记录每个脉冲信号的接收时间和相位。

根据这些记录的时间和相位信息，计算出各个脉冲之间的相位差。将这些相位差转化为测向线，然后寻找所有测向线的交点，即为辐射源的真实方向。

实施例2：

将一维短基线天线安装在转台上方的支撑杆上，确保支撑杆随转台同步转动并保持平衡。自动旋转转台并连续采集辐射源信号，转动周期可根据转台性能进行调整。

对采集到的辐射源信号进行分段处理，同时记录每段的时间和对应的相位差。对每段测向结果进行统计，并与转动时刻进行匹配。

根据所有的转动角度和对应的最优相位差，生成一个二维矩阵库。构造一个代价函数，找到这个函数的最优解，然后在二维矩阵库中进行匹配，得到最终的测向结果。

应当注意，本发明的实施方式可以通过软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用模块来实现，包括：自旋一维短基线模块，主要采用全向天线实现接收辐射源信号。射频信号接收采集模块、信号处理模块、结果显示模块等。

软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行***，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

利用模拟与评估***，模拟生成仿真数据，格式为常规脉冲、巴克码调制、线性调频等脉冲信号，并以160Km/h的速度匀速飞行，测试本发明中定位处理算法，并对各种条件下性能进行数字仿真分析。数字仿真试验***结构图如图8所示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自旋短基线高精度测向方法，其特征在于，利用安装在地面平台上的接收天线构成一维基线绕某个轴旋转，构成自旋基线，则多个时刻自旋基线对空中辐射源辐射的多个脉冲信号形成多个相位差，每个相位差会生成一条测向线或多条测向线，远距离视场下多条测向线必然汇聚相交于辐射源真实方向处；通过构造最优化代价函数的方法寻找代价函数的峰值点得到辐射源的真实方向；

所述方法中高精度测向相位差测量影响下限：

t时刻脉冲信号在两天线上的无模糊观测相位差为：

ψ(t)＝(2π/λ)×u^Th(t)＝(2π/λ)×(d sinβ)×cos(θ_t-α) (1)，

其中，λ表示信号波长，u^T表示单位矢量，h(t)表示信号到达两天线的波程差值，β表示方位角，d表示基线长度，θ_t表示旋转角度，α表示俯仰角度；

实际测量结果为ψ(t)经2π周期模糊后在主值区间[-π,π)内的相位差，记为：

φ(t)＝mod(ψ(t)，2π)＝ψ(t)-c(t)×(2π) (2)，

其中，c(t)表示t时刻波程差值，N个目标脉冲在t₁,…,t_N时刻到达测向***，对应的相位差观测序列为：

其中，ε(t_n)表示均值为0、方差为σ²的相位差测量误差，且不同时刻的测量误差之间相互独立；σ²表示***综合方差值，即***总方差；φ(t_n)，n＝1,…,N,表示不同时刻的相位差；同时基线指向没有误差，则基于观测模型得到关于目标方向参数的似然函数为：

其中θ_tn表示不同时刻旋转角度，c(t_n)表示不同时刻t_n对应的波程差值；

在成功实现对目标的解模糊且相位差测量误差适当小的情况下，即σ/(2π)＜＜1，认为最后对{c(t_n)}_n＝1,…,N的估计结果完全正确，式(4)中的似然函数可简化为对似然函数取对数并舍去常数项，得到关于{α,β,σ²}的对数似然函数为：

借助直接的数学推导得到{α,β,σ²}估计误差的CRLB满足：

CRLB_{α，β}＝B^-1∝σ²(d/λ)^-2 (7)，

其中 ∝表示“正比于”；式(7)表明，目标二维测向结果的最小均方误差与相位差测量均方误差成正比，与基线尺寸的平方成反比；当t₁,…,t_N在基线旋转周期内密集均匀分布时，更加具体地得到：

式(8)表明这种情况下的二维测向结果的最小均方误差与脉冲数目成反比。

2.如权利要求1所述的自旋短基线高精度测向方法，其特征在于，所述自旋短基线高精度测向方法采用自旋短基线天线接收感兴趣的辐射源信号，在天线或载体转动过程中，接收通道幅度/相位的不一致带来的***偏差被抵消。

3.如权利要求1所述的自旋短基线高精度测向方法，其特征在于，所述自旋短基线高精度测向方法具体包括以下步骤：

第一步，将一维短基线天线固定安装在转台上方的支撑杆上，支撑杆需随转台同步转动且保持平衡；

第二步，自动转动转台并连续采集辐射源信号，转动周期可根据转台性能可调；

第三步，对采集到的辐射源信号进行分段处理测向，记录好采用的每一段时刻并标记；

第四步，对测向结果进行统计，并与转动时刻进行匹配配对；

第五步，生成所有转动角度的时刻和最优相位差二维矩阵库；

第六步，构造代价函数，计算代价函数最优解，匹配二维矩阵库，输出测向值。

4.如权利要求3所述的自旋短基线高精度测向方法，其特征在于，所述第一步和第五步中的基线长度对测向误差的影响：

(1)测角误差来源于相位测量误差和频率测量误差Δλ；

(2)误差值与方位角大小有关，当方位角与天线轴线一致时，测角误差最小；

(3)误差还与两天线的距离l有关，采用长基线。

5.如权利要求3所述的自旋短基线高精度测向方法，其特征在于，所述第二步中t时刻的基线转角误差为e(t)，误差方差为对应的相位差观测值为：

其中，c(t)表示t时刻波程差值，ε(t)表示t时刻均值为0、方差为σ²的相位差测量误差，σ_e ²表示转角对应的误差方差，β表示方位角，α表示俯仰角度，d表示基线长度，T表示旋转周期；

得到观测序列关于目标方向参数的对数似然函数为：

其中用h²(t_n)在基线旋转周期内的平均值近似在不同时刻的具体取值，得到/>其中，λ表示信号波长，h(t)表示信号到达两天线的波程差值。

6.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～5任意一项所述自旋短基线高精度测向方法。

7.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～5任意一项所述自旋短基线高精度测向方法。

8.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现权利要求1～5任意一项所述自旋短基线高精度测向方法。

9.一种实施权利要求1～5任意一项所述自旋短基线高精度测向方法的自旋短基线高精度测向***，其特征在于，所述自旋短基线高精度测向***包括：

自旋短基线模块，用于通过接收辐射源发出的无线电信号；

转台模块，用于支撑自旋短基线模块和采集模块；

测向模块，用于处理并记录自旋短基线模块和转台模块的输出数据并进行高精度测向；

显控模块，用于记录转台数据和测向模块的处理结果。