一种基于伪多普勒AOA+TDOA频谱智能监管方法及系统与流程

一种基于伪多普勒aoa+tdoa频谱智能监管方法及系统
技术领域
1.本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于伪多普勒aoa+tdoa频谱智能监管方法及系统。


背景技术：

2.目前，无线电测向与定位技术广泛应用于现代社会的各个方面，应用价值巨大。无线电信号测向与定位技术包括比幅测向法、相位测向法和空间谱估计法等。近年来，测向与定位系统基础设施具备精确时间同步能力、计算能力、宽带组网(高速数据链接，从接收机到控制中心高速、从控制中心到接收机低速)能力等，基于时差的定位系统得到了广泛应用。
3.(1)传统多站时差定位技术
4.近年来，在系统基础设施提供可具备精确时间同步能力、计算能力、宽带组网的环境下，基于tdoa的定位技术得到了广泛使用，满足相应环境下对目标信号定位的要求。
5.下面以三基站时差定位为例对tdoa定位技术进行介绍。
6.采用wgs-84平均地球面模型，地面目标t赤经l，赤纬为b，dh为目标高程，n为卯酉圈曲率半径，r为地球长轴，e为第一偏心率，则t的大地坐标t(x,y,z)：
[0007][0008]
如图5所示，空间三基站分别接收地面目标发射的信号，对于同一个脉冲的到达时间(toa)进行测量，得到两组独立时差(δt)。设三基站大地坐标分别为(x0,y0,z0)、(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，则目标t(x,y,z)到各基站距离ri：
[0009][0010]
其中i＝0、1、2。距离差δr：
[0011]
δr
10
＝r
1-r0[0012]
δ
20
＝r
2-r0ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0013]
时差测量为：
[0014]
tdoa
i0
＝δt
i0
＝toa
i-toa0ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0015]
满足：
[0016]
δr
i0
＝cδt
i0
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0017]
其中c为光速。联立以上各式，目标坐标t(x,y,z)可通过以下公式获得：
[0018][0019]
其中mi、ni和qi通过地理坐标和时差信息计算得到。一般地，多站定位系统精度取
决dtoa的测量精度和各基站间基线距离长度。时差测量精度越高，定位经度越好。
[0020]
tdoa无线电定位准确度和可信度依赖于插入到数字基带i/q数据中的基站接收机高精度内部时钟的时间信息。同步系统误差：发送时间误差(时标产生误差)、接入误差(发送端mac)、传播误差(从发送端网络到接收机)、接收误差(接收解码信息、报告给上层应用)、时钟偏差和漂移。
[0021]
(2)传统多站时差定位技术局限性
[0022]
针对测向与定位系统需求，不同的测向定位体制都有对应的优缺点。时差定位系统应用受到多方面限制：一方面参与测向定位的各个平台均需要构建高精度时间统一系统，作为时差信号提取的精确时间同步绝对基准，因此一般需要配置gps接收机，gps接收机在面向特殊应用时经常会受到干扰，从而影响tdoa系统使用；另一方面，为了保证测向定位系统的实时性和时效性，需要在参与定位的各平台间建立昂贵的稳定微波链路；特别地，基于模拟转发方式的多站定位，存在系统无线链路降低信噪比、带宽限制影响同时可定位信号数目等问题。
[0023]
在基于tdoa技术的定位系统应用中，实际应用会受到多方面影响。首先，传统tdoa系统需要更多的测向和定位基站，例如，最基本的tdoa定位系统最少需要3个测向与定位平台；同时，tdoa系统工作时，如果辐射源超出某个测向与定位平台的可视范围，系统性能会大幅下降。
[0024]
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0025]
(1)时差定位系统参与测向定位的各个平台均需要构建高精度时间统一系统，作为时差信号提取的精确时间同步绝对基准，因此需要配置gps接收机，gps接收机在面向特殊应用时经常会受到干扰，从而影响tdoa系统使用。
[0026]
(2)为了保证测向定位系统的实时性和时效性，需要在参与定位的各平台间建立昂贵的稳定微波链路；特别地，基于模拟转发方式的多站定位，存在系统无线链路降低信噪比、带宽限制影响同时可定位信号数目等问题。
[0027]
(3)在基于tdoa技术的定位系统应用中，实际应用会受到多方面影响。首先，传统tdoa系统需要更多的测向和定位基站；同时，tdoa系统工作时，如果辐射源超出某个测向与定位平台的可视范围，系统性能会大幅下降。


技术实现要素：

[0028]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于伪多普勒aoa+tdoa频谱智能监管方法及系统，尤其涉及一种基于伪多普勒aoa+tdoa频谱智能监管系统、方法、介质、设备、终端及应用。
[0029]
本发明是这样实现的，一种频谱智能监管方法，所述频谱智能监管方法，包括：面向特定区域的频谱监管和无线电定位需求，综合aoa技术和tdoa定位技术优缺点，构建基于多普勒aoa+tdoa技术频谱智能监管系统，将监控的目标区域布置tdoa工作站，在区域中央选取地理位置高开阔的地方布置伪多普勒aoa系统和tdoa系统，针对不同信号类型、目标不同可视范围智能化监控定位无线电目标信号。
[0030]
进一步，所述频谱智能监管方法包括以下步骤：
[0031]
步骤一，通过主检测与定位站对区域内无线电频谱进行实时分析，确定感兴趣目
标信号进行分析；
[0032]
步骤二，确定目标信号频率、类型、带宽，如果目标信号是带宽较窄的传统模拟信号，则转步骤三；如果传统数字调制方式信号或者带宽较宽的模拟信号转步骤四；
[0033]
步骤三，采用伪多普勒方式对信号进行单站频谱监管，完成检测与定位任务；
[0034]
步骤四，根据主检测站感知的信号频点、调制样式特点，引导区域内tdoa检测台站对目标信号检测，如果可视tdoa检测定位站大于3，则转步骤五；如果除主站外只有一台检测站可以收到目标信号，则转步骤六；如果只有主站能检测到目标信号，则转步骤三；
[0035]
步骤五，通过多站tdoa方式完成目标信号定位；
[0036]
步骤六，基于伪多普勒aoa+tdoa混合定位技术，完成目标信号定位。
[0037]
进一步，步骤三中，所述伪多普勒是基于通过测向与定位系统接收天线进行旋转，当旋转天线远离或靠近辐射源时使得实际接收到的载波频率会产生相应变化的原理进行工作。
[0038]
根据运动速度v与多普勒频率关系δf：
[0039][0040]
其中，ω为天线转动角速度，r为转动半径，fc信号载波频率、λ为波长，c为光速。因此要产生多普勒频率δf，则天线旋转速度：
[0041][0042]
在实际工程实现时，基于旋转天线多普勒是通过位于圆周一定间隔的天线阵的开关切换实现的。假定辐射源信号为：
[0043]
x(t)＝m(t)cos(2πfct+θ)；
[0044]
天线单元数为n，天线切换周期为t，天线切换给入射角为的接收信号附加相位：
[0045][0046]
考虑连续切换，则整个过程附加相位：
[0047][0048]
其中，u(t)是阶跃函数，接收到的信号可表示为：
[0049][0050]
经过下变频和fm解调，可以得到：
[0051][0052]
经过fft后得到：
[0053][0054]
对于k＝1，有：
[0055][0056]
因此，可以得到基于多普勒到达角估计：
[0057][0058]
进一步，步骤六中，所述aoa+tdoa混合定位技术，包括：
[0059]
通过在tdoa系统中引入基于伪多普勒的aoa技术，通过1个时差参数和一个角度信息完成目标定位。
[0060]
进一步，所述aoa+tdoa混合定位技术，还包括：
[0061]
考虑二维，假定两个定位平台si坐标[xi,yi]，i＝0,1，非合作目标坐标为[x，y]；将s0作为参考站，根据伪多普勒测向器得到目标方位角θ，可得目标到两测量站的距离差：
[0062][0063]
定义：
[0064][0065]
通过下公式可得：
[0066][0067]
则目标坐标：
[0068][0069]
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的频谱智能监管方法的频谱智能监管系统，所述频谱智能监管系统包括：
[0070]
频谱分析模块，用于通过主检测与定位站对区域内无线电频谱进行实时分析，确定感兴趣目标信号进行分析；
[0071]
目标信号判断模块，用于确定目标信号频率、类型、带宽，如果目标信号是带宽较窄的传统模拟信号，则采用伪多普勒方式对信号进行单站频谱监管，完成检测与定位任务；如果传统数字调制方式信号或者带宽较宽的模拟信号，则根据主检测站感知的信号频点、调制样式特点，引导区域内tdoa检测台站对目标信号检测；
[0072]
单站频谱监管模块，用于采用伪多普勒方式对信号进行单站频谱监管，完成检测与定位任务；
[0073]
目标信号检测模块，用于根据主检测站感知的信号频点、调制样式特点，引导区域内tdoa检测台站对目标信号检测，如果可视tdoa检测定位站大于3，则通过多站tdoa方式完成目标信号定位；如果除主站外只有一台检测站可以收到目标信号，则基于伪多普勒aoa+tdoa混合定位技术，完成目标信号定位；如果只有主站能检测到目标信号，则采用伪多普勒方式对信号进行单站频谱监管，完成检测与定位任务；
[0074]
目标信号定位模块，用于通过多站tdoa方式完成目标信号定位，并基于伪多普勒aoa+tdoa混合定位技术，完成目标信号定位。
[0075]
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，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如下步骤：
[0076]
(1)通过主检测与定位站对区域内无线电频谱进行实时分析，确定感兴趣目标信号进行分析；
[0077]
(2)确定目标信号频率、类型、带宽，如果目标信号是带宽较窄的传统模拟信号，则转步骤(3)；如果传统数字调制方式信号或者带宽较宽的模拟信号转步骤(4)；
[0078]
(3)采用伪多普勒方式对信号进行单站频谱监管，完成检测与定位任务；
[0079]
(4)根据主检测站感知的信号频点、调制样式特点，引导区域内tdoa检测台站对目标信号检测，如果可视tdoa检测定位站大于3，则转步骤(5)；如果除主站外只有一台检测站可以收到目标信号，则转步骤(6)；如果只有主站能检测到目标信号，则转步骤(3)；
[0080]
(5)通过多站tdoa方式完成目标信号定位；
[0081]
(6)基于伪多普勒aoa+tdoa混合定位技术，完成目标信号定位。
[0082]
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如下步骤：
[0083]
(1)通过主检测与定位站对区域内无线电频谱进行实时分析，确定感兴趣目标信号进行分析；
[0084]
(2)确定目标信号频率、类型、带宽，如果目标信号是带宽较窄的传统模拟信号，则转步骤(3)；如果传统数字调制方式信号或者带宽较宽的模拟信号转步骤(4)；
[0085]
(3)采用伪多普勒方式对信号进行单站频谱监管，完成检测与定位任务；
[0086]
(4)根据主检测站感知的信号频点、调制样式特点，引导区域内tdoa检测台站对目标信号检测，如果可视tdoa检测定位站大于3，则转步骤(5)；如果除主站外只有一台检测站可以收到目标信号，则转步骤(6)；如果只有主站能检测到目标信号，则转步骤(3)；
[0087]
(5)通过多站tdoa方式完成目标信号定位；
[0088]
(6)基于伪多普勒aoa+tdoa混合定位技术，完成目标信号定位。
[0089]
本发明的另一目的在于提供一种所述的频谱智能监管系统在开放环境非合作目标的无线电信号定位中的应用。
[0090]
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的频谱智能监管系统。
[0091]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的频谱智能监管方法，主要面向开放环境非合作目标的无线电信号定位应用。本发明提出一种基于伪多普勒aoa+tdoa的混合定位技术；通过伪多普勒技术解决tdoa降低平台数量需求，增加系统可用性；通过伪多普勒aoa技术解决在tdoa定位台易出现辐射源超出视场范围性能快速下降问题；提出一种基于伪多普勒aoa+tdoa频谱智能监管系统。
附图说明
[0092]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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的前提下还可以根据这些附图获得其他的
附图。
[0093]
图1是本发明实施例提供的频谱智能监管方法流程图。
[0094]
图2是本发明实施例提供的频谱智能监管方法原理图。
[0095]
图3是本发明实施例提供的频谱智能监管系统结构框图；
[0096]
图中：1、频谱分析模块；2、目标信号判断模块；3、单站频谱监管模块；4、目标信号检测模块；5、目标信号定位模块。
[0097]
图4是本发明实施例提供的频谱智能监管系统原理图。
[0098]
图5(a)-图5(b)是本发明实施例提供的基于旋转天线的伪多普勒示意图。
[0099]
图6是本发明实施例提供的基于天线切换的伪多普勒技术示意图。
[0100]
图7(a)-图7(b)是本发明实施例提供的伪多普勒测向系统示意图。
[0101]
图8是本发明实施例提供的tdoa测向系统组成示意图。
[0102]
图9是本发明实施例提供的伪多普勒+tdoa几何定位原理示意图。
[0103]
图10是本发明实施例提供的基于伪多普勒aoa的tdoa+混合测向定位系统示意图。
具体实施方式
[0104]
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。
[0105]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于伪多普勒aoa+tdoa频谱智能监管方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0106]
如图1所示，本发明实施例提供的频谱智能监管方法包括以下步骤：
[0107]
s101，通过主检测与定位站对区域内无线电频谱进行实时分析，确定感兴趣目标信号进行分析；
[0108]
s102，确定目标信号频率、类型、带宽，如果目标信号是带宽较窄的传统模拟信号，则转s103；如果传统数字调制方式信号或者带宽较宽的模拟信号转s104；
[0109]
s103，采用伪多普勒方式对信号进行单站频谱监管，完成检测与定位任务；
[0110]
s104，根据主检测站感知的信号频点、调制样式特点，引导区域内tdoa检测台站对目标信号检测，如果可视tdoa检测定位站大于3，则转s105；如果除主站外只有一台检测站可以收到目标信号，则转s106；如果只有主站能检测到目标信号，则转s103；
[0111]
s105，通过多站tdoa方式完成目标信号定位；
[0112]
s106，基于伪多普勒aoa+tdoa混合定位技术，完成目标信号定位。
[0113]
本发明实施例提供的频谱智能监管方法原理图如图2所示。
[0114]
如图3所示，本发明实施例提供的频谱智能监管系统包括：
[0115]
频谱分析模块1，用于通过主检测与定位站对区域内无线电频谱进行实时分析，确定感兴趣目标信号进行分析；
[0116]
目标信号判断模块2，用于确定目标信号频率、类型、带宽，如果目标信号是带宽较窄的传统模拟信号，则采用伪多普勒方式对信号进行单站频谱监管，完成检测与定位任务；如果传统数字调制方式信号或者带宽较宽的模拟信号，则根据主检测站感知的信号频点、调制样式特点，引导区域内tdoa检测台站对目标信号检测；
[0117]
单站频谱监管模块3，用于采用伪多普勒方式对信号进行单站频谱监管，完成检测与定位任务；
[0118]
目标信号检测模块4，用于根据主检测站感知的信号频点、调制样式特点，引导区域内tdoa检测台站对目标信号检测，如果可视tdoa检测定位站大于3，则通过多站tdoa方式完成目标信号定位；如果除主站外只有一台检测站可以收到目标信号，则基于伪多普勒aoa+tdoa混合定位技术，完成目标信号定位；如果只有主站能检测到目标信号，则采用伪多普勒方式对信号进行单站频谱监管，完成检测与定位任务；
[0119]
目标信号定位模块5，用于通过多站tdoa方式完成目标信号定位，并基于伪多普勒aoa+tdoa混合定位技术，完成目标信号定位。
[0120]
本发明实施例提供的频谱智能监管系统原理图如图4所示。
[0121]
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
[0122]
本发明主要面向开放环境非合作目标的无线电信号定位应用。
[0123]
1、本发明：
[0124]
(1)提出一种基于伪多普勒aoa+tdoa的混合定位技术；
[0125]
(2)通过伪多普勒技术解决tdoa降低平台数量需求，增加系统可用性；
[0126]
(3)通过伪多普勒aoa技术解决在tdoa定位台易出现辐射源超出视场范围性能快速下降问题；
[0127]
(4)提出一种基于伪多普勒aoa+tdoa频谱智能监管系统。
[0128]
2、本发明的基于伪多普勒技术的新型tdoa+aoa混合定位系统
[0129]
2.1伪多普勒测向技术
[0130]
如图5所示，伪多普勒是基于通过测向与定位系统接收天线进行旋转，当旋转天线远离或靠近辐射源时使得实际接收到的载波频率会产生相应变化的原理进行工作。
[0131]
根据运动速度v与多普勒频率关系δf：
[0132][0133]
其中，ω为天线转动角速度，r为转动半径，fc信号载波频率、λ为波长，c为光速。因此要产生多普勒频率δf，则天线旋转速度：
[0134][0135]
在实际工程实现时，如图6所示，基于旋转天线多普勒是通过位于圆周一定间隔的天线阵的开关切换实现的。假定辐射源信号为：
[0136]
x(t)＝m(t)cos(2πfct+θ)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0137]
天线单元数为n，天线切换周期为t，天线切换给入射角为的接收信号附加相位：
[0138][0139]
考虑连续切换，则整个过程附加相位：
[0140][0141]
其中，u(t)是阶跃函数，接收到的信号可表示为：
[0142][0143]
经过下变频和fm解调，可以得到：
[0144][0145]
经过fft后得到：
[0146][0147]
对于k＝1，有：
[0148][0149]
因此，可以得到基于多普勒到达角估计：
[0150][0151]
2.2本发明基于伪多普勒技术的新型tdoa+aoa混合定位系统
[0152]
2.2.1aoa+tdoa混合定位技术
[0153]
传统的基于tdoa技术的定位系统需要形成两个时差参数，因此最少需要3个观测平台。如图7-图10所示，通过在tdoa系统中引入基于伪多普勒的aoa技术，可以通过1个时差参数和一个角度信息完成目标定位。
[0154]
考虑二维，假定两个定位平台si坐标[xi,yi]，i＝0,1，非合作目标坐标为[x，y]。为了方便分析，将s0作为参考站，根据伪多普勒测向器得到目标方位角θ，可得目标到两测量站的距离差：
[0155][0156]
定义：
[0157][0158]
通过下公式可得：
[0159][0160]
则目标坐标：
[0161][0162]
2.2.2基于伪多普勒aoa+tdoa的频谱智能监管系统
[0163]
面向特定区域的频谱监管和无线电定位需求，综合aoa技术和tdoa定位技术优缺点，如图4所示，构建基于多普勒aoa+tdoa技术频谱智能监管系统，将监控的目标区域布置tdoa工作站，在区域中央选取地理位置高开阔的地方布置伪多普勒aoa系统和tdoa系统，针对不同信号类型、目标不同可视范围智能化监控定位无线电目标信号。其工作流程如图2所示，介绍如下。
[0164]
基于多普勒aoa+tdoa混合定位区域智能化频谱监控流程：
[0165]
1.主检测与定位站对区域内无线电频谱进行实时分析，确定感兴趣目标信号进行分析；
[0166]
2.确定目标信号频率、类型、带宽，如果目标信号是带宽较窄的传统模拟信号，则转3；如果传统数字调制方式信号或者带宽较宽的模拟信号转4；
[0167]
3.采用伪多普勒方式对信号进行单站频谱监管，完成检测与定位任务；
[0168]
4.根据主检测站感知的信号频点、调制样式特点，引导区域内tdoa检测台站对目标信号检测，如果可视tdoa检测定位站大于3，则转5，如果除主站外只有一台检测站可以收到目标信号，则转6，如果只有主站能检测到目标信号，则转3；
[0169]
5.通过多站tdoa方式完成目标信号定位；
[0170]
6.通过基于伪多普勒aoa+tdoa方式，完成目标信号定位。
[0171]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0172]
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。