一種聯合估計信號參數和位置的高精度被動定位方法

一種聯合估計信號參數和位置的高精度被動定位方法
【專利摘要】本發明提供一種聯合估計信號參數和位置的高精度被動定位方法，在DPD?unknown的基礎上，通過聯合估計發射信號的參數和位置來提高定位性能。基站對接收到的觀測信號進行短時傅里葉變換估計出接收信號的瞬時頻率，再利用網格搜索的方法，聯合估計發射信號的波形參數和目標的位置。本發明充分挖掘發射信號的波形信息，針對線性調頻信號的時頻特征，結合短時傅里葉變換聯合估計信號參數和位置，使定位性能在信號參數的幫助下有極大提高。由于采用了時頻分析工具短時傅里葉變換，使該方法的計算量處于一個合理水平，計算代價小。
【專利說明】
一種聯合估計信號參數和位置的高精度被動定位方法
技術領域
[0001] 本發明屬于雷達信號處理技術，特別涉及多基地雷達被動定位和低信噪比下的參 數估計技術。
【背景技術】
[0002] 日益激烈的電子戰要求在復雜環境下仍能對微弱目標進行高精度的定位，因此如 何提高定位精度受到了越來越多的關注。同時，隨著芯片技術的飛速發展，處理器的數據處 理能力得到了極大改善，大數據的處理成為了可能。
[0003] 被動定位技術由其諸多優點如隱蔽性、低功耗等，受到了越來越多的關注。被動定 位通常采用幾個分布較開的雷達基站截獲目標發射機的發射信號，相比主動雷達，由于雷 達自身不需要發射源發射電磁波，因此被動定位也被稱為無源定位。目前，正處在研制當中 的無源雷達有兩種:一種是靠目標輻射器探測和定位目標，而另一種則利用其它輻射器發 射的電磁波。對前一種而言，目標本身就是輻射源，它們可能是機載雷達、干擾機和通信設 備;對于后者來說，目標本身不直接發射電磁波，而是當有非合作輻射器發射的電磁波通過 目標時，利用從目標反射的電磁波來獲取目標數據。
[0004] 對于第一種情況，也可稱之為發射機定位，較為常用的方法是時差定位TD0A、到達 角定位Α0Α。它們的基本思路是，首先在各基站接收機中提取出有關目標發射機的到達時間 或到達角度，再將這些參數傳輸給處理中心，通過求解方程式的方法估計出目標位置。這種 方法雖然傳輸的數據量小，計算簡單，但是其定位精度低，無法滿足高精度定位的需要。
[0005] 文南犬"Direct Position Determination of Narrowband Radio Frequency Transmitters，IEEE Signal Process·Lett·，vol · 11，no·5，pp·513-516，May 2004"提出了 一種聯合處理各基站接收機觀測數據的直接定位方法DPD，該方法沒有傳統定位方法的參 數提取過程，盡可能地保留了目標信息，仿真顯示有明顯的優勢。這種方法考慮了兩種情 況，一種是目標發射機發射的信號已知，如訓練信號或同步信號，我們稱這種情況的DPD定 位算法為DPD-known算法。另一種情況是目標發射的信號完全未知，主要針對非合作的發射 機，在電子戰中最為常見。由于不知道目標信號的形式，DPD定位方法通過使目標函數特征 值最大的方法實現了發射機定位，仿真顯示其定位性能仍然優于傳統的定位方法，稱這種 方法為DPD-unknown算法。但是，該方法忽略了發射信號的波形信息，其定位精度受限，不能 適應微弱目標的高精度定位。

【發明內容】

[0006] 本發明所要解決的技術問題是，針對微弱非合作目標發射機提供一種更高精度的 定位方法。
[0007] 本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案是，一種聯合估計信號參數和位置 的高精度被動定位方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1、初始化系統參數:初始化接收機個數、各接收機位置、采樣間隔、各接收機 通道上的噪聲協方差矩陣，短時傅里葉變換的窗長度和步長；
[0009] 步驟2、從雷達各接收機中讀取量測，對量測進行采樣，得到L個離散的量測向量 ri,l = l,2,...,L；
[0010] 步驟3、根據預先設置的短時傅里葉變換窗長度和步長，對各接收機量測向量^作 短時傅里葉變換得到短時傅里葉變換的功率譜％ ;
[0011] 步驟4、根據短時傅里葉變換功率譜&，在每個頻率上尋找最大功率譜以及最大功 率譜對應的頻率作為估計的接收信號的瞬時頻率/；和最大功率
[0012] 步驟5、劃分目標位置網格搜索區間（Xgrid，ygrid)，信號發射時間的網格搜索區間 tgrid，以及發射的信號長度的網格搜索區間Tgrid;
[0013] 步驟6、對每個網格點rugrid=(叉811〇1^11〇1山11〇1，1 811(〇計算相應的信號起始時間1：1,3 (nigrid)和終止時間tl,e(nigrid)，其中，Xgrid,ygrid表示網格點的起始坐標，tgrid表示信號發射 時間的網格搜索區間，Tgrld表示信號長度的網格搜索區間；
[0014] 步驟7、根據起始時間和終止時間對應的時間區間，從瞬時頻率/；中取出對應區間 的頻率值，作為線性調頻信號的瞬時頻率的估計^"^；)，從最大功率中取出對應區 間的最大功率值);
[0015] 步驟8、對從L個量測中估計出的L個線性調頻信號的瞬時頻率的估計取 平均，得到線性調頻信號的頻率估計值對L個量測中取出的最大功率 取平均再求和，得到區間功率和ω (rUgrid);
[0016] 步驟9、通過最小二乘參數擬合從線性調頻信號的頻率估計值估計線 性調頻信號的初始頻率/〇 ^丨咖）和斜率挪?作為估計的線性調頻信號參數
[0017]步驟10、計算最小二乘擬合誤差的區間平均值l(nlgrid)，將最小二乘擬合誤差的區 間平均值C(TUgrid)與區間功率和ω (TUgrid)相除得到質量因子e(rugrid);
[0018] 步驟11、根據網格點nigrid = (xgrid，ygrid，tgrid，Tgrid)和估計的線性調頻信號參數 計算網格點nigrid的加權似然函數值G，卜;
[0019] 其中，計算網格點nigrid的加權似然函數值：
[0020]
[0021 ]其中，Η表不對矩陣求共輒轉置，e(rugrid)為質量因子，ri為量測向量，Ri代表第1個 接收機通道上目標附近噪聲及干擾的協方差矩陣Λ為根據信號的起始時間t^JrUgnd)、信 號長度Tgrid、和計估計的線性調頻信號參數承構建的匹配函數在時間上離散化后，得 到的離散化后的匹配函數；
[0022]步驟12、重復步驟6至11，直到遍歷數據平面上所有網格點，得到全數據平面的加 權似然函數值，并找出取得最大似然函數值對應的網格點的位置作為估計的發射機所在位 置。
[0023] 本發明在DPD-unknown的基礎上，通過聯合估計發射信號的參數和位置來提高定 位性能。針對線性調頻發射機(指該發射機發射一個線性調頻信號），首先對基站接收到的 觀測信號進行短時傅里葉變換（一種與傅里葉變換相關的數學變換，估計方法見文獻 "Accurate parameters estimation of chirp signal in low SNR,Audio,Language and Image Process. ,2014 International Conference,pp.551-555,July 2014·''）估計出接 收信號的瞬時頻率，再利用網格搜索的方法，聯合估計發射信號的波形參數和目標的位置。 本發明相對于現有DPD-unknown算法，充分挖掘發射信號的波形信息，針對線性調頻信號的 時頻特征，結合短時傅里葉變換聯合估計信號參數和位置，使定位性能在信號參數的幫助 下有極大提高。由于采用了時頻分析工具短時傅里葉變換，使該方法的計算量處于一個合 理水平，在實際工程中具有一定的實用性。
[0024] 本發明的有益效果是，有效現了對微弱發射機的高精度定位，且計算代價小，可以 直接應用到現有被動雷達的高精度定位中。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發明提供方法的流程框圖；
[0026] 圖2為對某一接收機信號的短時傅里葉變換功率譜平面；
[0027] 圖3為從某一接收機信號估計的瞬時頻率；
[0028] 圖4為從某一接收機信號估計的最大功率譜；
[0029 ]圖5為本發明方法與現有DPD-unknown方法、Dro-known方法(假設發射的信號參數 完全已知)定位性能的對比效果圖（其中DPD-STFT為本發明方法）。
【具體實施方式】
[0030]本發明主要采用計算機仿真的方法進行驗證，所有步驟、結論都在MATLAB-R2014a 上驗證正確。具體實施步驟如圖1所示：
[0031]步驟1、初始化系統參數：
[0032] 初始化系統參數包括：目標發射機的位置，雷達基站接收機的個數L = 4,雷達基站 接收機位置。初始化采樣周期Ts= l(T7s，短時傅里葉變換的窗長度400TS，步長60TS，噪聲協 方差矩陣Ri。
[0033] 步驟2、產生用于仿真的雷達接收機量測向 =1，2,. . .，L。其中Ns表示量測樣本個數。這里用于仿真的調頻信號初始頻率為10MHz，調頻 斜率為0.1 MHz/ys。
[0034] 步驟3、根據設置的窗長度和步長，對Γ1作短時傅里葉變換，得到其功率譜 P,.; = |Fr, |2。這里&為Μ X N的矩陣，通過MATLAB-R2014a中命令spectrogram可直接得到，如圖 2〇
[0035] 步驟4、對Pr,，在每一列η上尋找對應最大值的行標m，對應于第η列的時間1和第m行 的頻率f(U)，估計出接收信號的瞬時頻率/；，如圖3,其中/；為行向量，第η列 /(/") = argmax巧'同時計算每一列!!上的最大值) = Pr(，得到向量，如圖4。
[0036] 步驟5、劃分目標位置，信號發射時間以及信號長度的網格搜索區間。
[0037] 步驟6、對某個網格點TUgrid - ( Xgrid，ygrid，tgrid，Tgrid ) , Xgrid，ygrid表不網格點的目標
位置坐標，tgrid表不信號發射的時間的網格搜索區間坐標，Tgrid表不發射的信號的長度的網 格搜索區間坐標;計算相應的信號起始時間 和終止 時間 tl, e(rUgrid ) - tl, s (Hlgrid )+Tgrid。其中，C為;/^巡，XI，y 1乃國込·)"安Η乂奶生個不。
[0038] 步驟7、根據起始時間和終止時間對應的時間區間，從瞬時頻率/；·,中取出對應時間 區間的頻率值，作為線性調頻信號的瞬時頻率的估計同時，根據時間區間在最大 功率1中取出對應時間區間的最大功率值Plftn, 。
[0039] 步驟8、對從L個量測中估計出的L個線性調頻信號的瞬時頻率的估計 平均得到估計。同時對L個量測中取出的最大功率1^^取平均再求和得到區間功 率和 ω (rugrid)。
[0040] 步驟9、采用最小二乘參數擬合，通過參數擬合從又,；)中估計線性調頻信號的 初始頻率又)和斜率。在MATLAB-R2014a中可直接調用擬合函數ρο 1 yf i t，估計 出初始頻率和調頻斜率，同時得到擬合誤差Gmin(nigrid)。
[0041] 步驟10、計算最小二乘擬合誤差的區間平均值(MMCF)
得其與 區間功率和ω (qlgrid)相除得到質量因虧
-\-ngna i
[0042] 步驟11、根據網格點nigrid = (xgrid，ygrid，tgrid，Tgrid)和估計的線性調頻信號參數
，計算加權似然函數值G ?冰D。其中，計算加權似 然函數值的步驟為：
[0043] 1:根據信號的起始時間t^sU^nd)，信號長度Tgrid，以及估計出的信號參數 來構
[0044] 建匹配函數夏,:
[0045]
其中， t表示當前時間變量，1 = 1，2,...，L，T Τ表示接收機的觀測時間長度這里觀測時間長度要 求盡量長，以保證接收到完整的發射信號為根據信號參數陜復出 的發射信號，分號后的4 ^ ~ 表不該發射信號的信號參數；
[0046]
[0047] 2 :將匹配函數在時間上離散化，得到離散化后的匹配函數 二[元[0]忑[：1]，,..4[%-1]]。
[0048] 3:計算對應網格點nigrid的加權似然函數值：
[0049]
[0050] 其中，Η表示對矩陣求共輒轉置，h代表第1個接收機通道上目標附近噪聲及干擾 的協方差矩陣。
[0051] 步驟12、重復步驟6至11，直到遍歷數據平面上所有網格點，得到全數據平面的加 權似然函數值，并找出取得最大似然函數值對應的網格點作為估計值奪，同時得 到信號參數的估計值⑷)和Α承），從而估計出發射機位置(又4。
[0052]在給定仿真參數下，對每一個信噪比（SNR)進行500次蒙特卡洛仿真實驗，以均方 根誤差(RMSE)為定位性能依據，對比DPD-unknown算法，發現其定位性能有明顯的優勢。同 時，以DPD-known算法作為定位誤差的下界對比本發明方法在估計信號參數上的性能損失。 如圖5,在高信噪比情況下（SNR大于10dB)，三個定位算法的定位誤差都較低且相同；當信噪 比低于1 OdB時，本發明提出的方法(DFO-STFT)明顯優于DPD-unknown算法，且定位性能在一 定范圍內（SNR大于-8dB小于10dB)與理論最優的定位算法(DPD-known，假設發射的信號參 數完全已知)相接近。因此，在發射信號參數未知的情況下，本發明提出的算法相比原有的 定位算法(DFO-unknown)在低信噪比下有明顯的優勢。
【主權項】
1. 一種聯合估計信號參數和位置的高精度被動定位方法，其特征在于，包括W下步驟： 步驟1、初始化系統參數:初始化接收機個數L、各接收機位置、采樣間隔、各接收機通道 上的噪聲協方差矩陣，短時傅里葉變換的窗長度和步長； 步驟2、從雷達各接收機中讀取量測，對量測進行采樣，得到L個離散的量測向量ri，1 = 1,2,...,L; 步驟3、根據預先設置的短時傅里葉變換窗長度和步長，對各接收機量測向量ri作短時 傅里葉變換得到短時傅里葉變換的功率譜Ρι,; 步驟4、根據短時傅里葉變換功率譜Ρ。，在每個頻率上尋找最大功率譜W及最大功率譜 對應的頻率作為估計的接收信號的瞬時頻率/；,和最大功率吟; 步驟5、劃分目標位置網格捜索區間（Xgrid，ygrid)，信號發射時間的網格捜索區間tgrid， W及發射的信號長度的網格捜索區間Tgrid; 步驟6、對每個網格點rUgrid= (Xgrid，ygrid, tgrid，Tgrid)計算相應的信號起始時間tl,s (nigrid )和終止時間11, e ( rilgrid )，其中，Xgrid，ygrid表示網格點的發射機的位置坐標，tgrid表示 信號發射的時間的網格捜索區間坐標，Tgrid表示發射的信號長度的網格捜索區間坐標； 步驟7、根據起始時間和終止時間對應的時間區間，從瞬時頻率Λ中取出對應區間的頻 率值，作為線性調頻信號的瞬時頻率的估計i：置,?巧，從最大功率，中取出對應區間的 最大功率值; 步驟8、對從L個量測中估計出的L個線性調頻信號的瞬時頻率的估計i：志,?巧1,.,,,；)取平均， 得到線性調頻信號的頻率估計值撫對L個量測中取出的最大功率％,,"" (恥y)取平 均再求和，得到區間功率和ω (rugrid); 步驟9、通過最小二乘參數擬合從線性調頻信號的頻率估計值如中估計線性調 頻信號的初始頻率Λ(恥府)和斜率《:(巧如,）作為估計的線性調頻信號參數步驟10、計算最小二乘擬合誤差的區間平均值Chlgrid)，將最小二乘擬合誤差的區間平 均值ξ仙grid)與區間功率和ω (riigrid)相除得到質量因子e(nigrid); 步驟11、根據網格點nigrid二（Xgrid，ygrid，tgrid，Tgrid)和估計的線性調頻信號參數 衣?巧喻)，計算網格點nigrid的加權似然函數值；運里分號后的rUgrid和 衣(?…)表示該似然函數的取值郵Igrid和4 (巧。快條件。）； 步驟12、重復步驟6至11，直到遍歷數據平面上所有網格點，得到全數據平面的加權似 然函數值，并找出取得最大似然函數值對應的網格點的位置作為估計的發射機所在位置。2. 如權利要求1所述一種聯合估計信號參數和位置的高精度被動定位方法，其特征在 于，網格點化grid的加權似然函數值的計算方法是：其中，Η表示對矩陣求共輛轉置，e(rugrid)為質量因子，r功量測向量，Ri代表第1個接收 機通道上的噪聲協方差矩陣，馬為根據信號的起始時間tl,shlgrid)、發射的信號的長度Tgrid、 和估計的線性調頻信號參數衣(巧。W)構建的匹配函數3?[巧iwi,，東(巧在時間上離散化 后，得到的離散化后的匹配函數；其中，t表示當前時間變量，1 = 1，2, . . .，L，T表示接收機的觀測時間長度(運里觀測時 間長度要求盡量長，W保證接收到完整的發射信號衣(％4]為根據信號參數 走?巧g,.w>陜復出的發射信號，exp為指數 函數。3.如權利要求1所述一種聯合估計信號參數和位置的高精度被動定位方法，其特征在 于，每個網格點nigrid = ( Xgrid，y肝id，tgrid，Tgrid )的信號起始時間11, S (m肝id )和終止時間tl, e (化grid)的計算方法是：tl, e (nigrid) _ tl, s (Hlgrid) +Tgrid ； 其中，C為光速，XI，y功雷達接收站坐標。
【文檔編號】G01S5/04GK105974362SQ201610281883
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月29日
【發明人】易偉, 諶振華, 李帥, 方梓成, 孔令講, 楊曉波
【申請人】電子科技大學