一种联合估计信号参数和位置的高精度被动定位方法
【专利摘要】本发明提供一种联合估计信号参数和位置的高精度被动定位方法，在DPD?unknown的基础上，通过联合估计发射信号的参数和位置来提高定位性能。基站对接收到的观测信号进行短时傅里叶变换估计出接收信号的瞬时频率，再利用网格搜索的方法，联合估计发射信号的波形参数和目标的位置。本发明充分挖掘发射信号的波形信息，针对线性调频信号的时频特征，结合短时傅里叶变换联合估计信号参数和位置，使定位性能在信号参数的帮助下有极大提高。由于采用了时频分析工具短时傅里叶变换，使该方法的计算量处于一个合理水平，计算代价小。
【专利说明】
一种联合估计信号参数和位置的高精度被动定位方法
技术领域
[0001] 本发明属于雷达信号处理技术，特别涉及多基地雷达被动定位和低信噪比下的参 数估计技术。
【背景技术】
[0002] 日益激烈的电子战要求在复杂环境下仍能对微弱目标进行高精度的定位，因此如 何提高定位精度受到了越来越多的关注。同时，随着芯片技术的飞速发展，处理器的数据处 理能力得到了极大改善，大数据的处理成为了可能。
[0003] 被动定位技术由其诸多优点如隐蔽性、低功耗等，受到了越来越多的关注。被动定 位通常采用几个分布较开的雷达基站截获目标发射机的发射信号，相比主动雷达，由于雷 达自身不需要发射源发射电磁波，因此被动定位也被称为无源定位。目前，正处在研制当中 的无源雷达有两种:一种是靠目标辐射器探测和定位目标，而另一种则利用其它辐射器发 射的电磁波。对前一种而言，目标本身就是辐射源，它们可能是机载雷达、干扰机和通信设 备;对于后者来说，目标本身不直接发射电磁波，而是当有非合作辐射器发射的电磁波通过 目标时，利用从目标反射的电磁波来获取目标数据。
[0004] 对于第一种情况，也可称之为发射机定位，较为常用的方法是时差定位TD0A、到达 角定位Α0Α。它们的基本思路是，首先在各基站接收机中提取出有关目标发射机的到达时间 或到达角度，再将这些参数传输给处理中心，通过求解方程式的方法估计出目标位置。这种 方法虽然传输的数据量小，计算简单，但是其定位精度低，无法满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 一种联合处理各基站接收机观测数据的直接定位方法DPD，该方法没有传统定位方法的参 数提取过程，尽可能地保留了目标信息，仿真显示有明显的优势。这种方法考虑了两种情 况，一种是目标发射机发射的信号已知，如训练信号或同步信号，我们称这种情况的DPD定 位算法为DPD-known算法。另一种情况是目标发射的信号完全未知，主要针对非合作的发射 机，在电子战中最为常见。由于不知道目标信号的形式，DPD定位方法通过使目标函数特征 值最大的方法实现了发射机定位，仿真显示其定位性能仍然优于传统的定位方法，称这种 方法为DPD-unknown算法。但是，该方法忽略了发射信号的波形信息，其定位精度受限，不能 适应微弱目标的高精度定位。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是，针对微弱非合作目标发射机提供一种更高精度的 定位方法。
[0007] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种联合估计信号参数和位置 的高精度被动定位方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1、初始化系统参数:初始化接收机个数、各接收机位置、采样间隔、各接收机 通道上的噪声协方差矩阵，短时傅里叶变换的窗长度和步长；
[0009] 步骤2、从雷达各接收机中读取量测，对量测进行采样，得到L个离散的量测向量 ri,l = l,2,...,L；
[0010] 步骤3、根据预先设置的短时傅里叶变换窗长度和步长，对各接收机量测向量^作 短时傅里叶变换得到短时傅里叶变换的功率谱％ ;
[0011] 步骤4、根据短时傅里叶变换功率谱&，在每个频率上寻找最大功率谱以及最大功 率谱对应的频率作为估计的接收信号的瞬时频率/；和最大功率
[0012] 步骤5、划分目标位置网格搜索区间（Xgrid，ygrid)，信号发射时间的网格搜索区间 tgrid，以及发射的信号长度的网格搜索区间Tgrid;
[0013] 步骤6、对每个网格点rugrid=(叉811〇1^11〇1山11〇1，1 811(〇计算相应的信号起始时间1：1,3 (nigrid)和终止时间tl,e(nigrid)，其中，Xgrid,ygrid表示网格点的起始坐标，tgrid表示信号发射 时间的网格搜索区间，Tgrld表示信号长度的网格搜索区间；
[0014] 步骤7、根据起始时间和终止时间对应的时间区间，从瞬时频率/；中取出对应区间 的频率值，作为线性调频信号的瞬时频率的估计^"^；)，从最大功率中取出对应区 间的最大功率值);
[0015] 步骤8、对从L个量测中估计出的L个线性调频信号的瞬时频率的估计取 平均，得到线性调频信号的频率估计值对L个量测中取出的最大功率 取平均再求和，得到区间功率和ω (rUgrid);
[0016] 步骤9、通过最小二乘参数拟合从线性调频信号的频率估计值估计线 性调频信号的初始频率/〇 ^丨咖）和斜率挪?作为估计的线性调频信号参数
[0017]步骤10、计算最小二乘拟合误差的区间平均值l(nlgrid)，将最小二乘拟合误差的区 间平均值C(TUgrid)与区间功率和ω (TUgrid)相除得到质量因子e(rugrid);
[0018] 步骤11、根据网格点nigrid = (xgrid，ygrid，tgrid，Tgrid)和估计的线性调频信号参数 计算网格点nigrid的加权似然函数值G，卜;
[0019] 其中，计算网格点nigrid的加权似然函数值：
[0020]
[0021 ]其中，Η表不对矩阵求共辄转置，e(rugrid)为质量因子，ri为量测向量，Ri代表第1个 接收机通道上目标附近噪声及干扰的协方差矩阵Λ为根据信号的起始时间t^JrUgnd)、信 号长度Tgrid、和计估计的线性调频信号参数承构建的匹配函数在时间上离散化后，得 到的离散化后的匹配函数；
[0022]步骤12、重复步骤6至11，直到遍历数据平面上所有网格点，得到全数据平面的加 权似然函数值，并找出取得最大似然函数值对应的网格点的位置作为估计的发射机所在位 置。
[0023] 本发明在DPD-unknown的基础上，通过联合估计发射信号的参数和位置来提高定 位性能。针对线性调频发射机(指该发射机发射一个线性调频信号），首先对基站接收到的 观测信号进行短时傅里叶变换（一种与傅里叶变换相关的数学变换，估计方法见文献 "Accurate parameters estimation of chirp signal in low SNR,Audio,Language and Image Process. ,2014 International Conference,pp.551-555,July 2014·''）估计出接 收信号的瞬时频率，再利用网格搜索的方法，联合估计发射信号的波形参数和目标的位置。 本发明相对于现有DPD-unknown算法，充分挖掘发射信号的波形信息，针对线性调频信号的 时频特征，结合短时傅里叶变换联合估计信号参数和位置，使定位性能在信号参数的帮助 下有极大提高。由于采用了时频分析工具短时傅里叶变换，使该方法的计算量处于一个合 理水平，在实际工程中具有一定的实用性。
[0024] 本发明的有益效果是，有效现了对微弱发射机的高精度定位，且计算代价小，可以 直接应用到现有被动雷达的高精度定位中。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明提供方法的流程框图；
[0026] 图2为对某一接收机信号的短时傅里叶变换功率谱平面；
[0027] 图3为从某一接收机信号估计的瞬时频率；
[0028] 图4为从某一接收机信号估计的最大功率谱；
[0029 ]图5为本发明方法与现有DPD-unknown方法、Dro-known方法(假设发射的信号参数 完全已知)定位性能的对比效果图（其中DPD-STFT为本发明方法）。
【具体实施方式】
[0030]本发明主要采用计算机仿真的方法进行验证，所有步骤、结论都在MATLAB-R2014a 上验证正确。具体实施步骤如图1所示：
[0031]步骤1、初始化系统参数：
[0032] 初始化系统参数包括：目标发射机的位置，雷达基站接收机的个数L = 4,雷达基站 接收机位置。初始化采样周期Ts= l(T7s，短时傅里叶变换的窗长度400TS，步长60TS，噪声协 方差矩阵Ri。
[0033] 步骤2、产生用于仿真的雷达接收机量测向 =1，2,. . .，L。其中Ns表示量测样本个数。这里用于仿真的调频信号初始频率为10MHz，调频 斜率为0.1 MHz/ys。
[0034] 步骤3、根据设置的窗长度和步长，对Γ1作短时傅里叶变换，得到其功率谱 P,.; = |Fr, |2。这里&为Μ X N的矩阵，通过MATLAB-R2014a中命令spectrogram可直接得到，如图 2〇
[0035] 步骤4、对Pr,，在每一列η上寻找对应最大值的行标m，对应于第η列的时间1和第m行 的频率f(U)，估计出接收信号的瞬时频率/；，如图3,其中/；为行向量，第η列 /(/") = argmax巧'同时计算每一列!!上的最大值) = Pr(，得到向量，如图4。
[0036] 步骤5、划分目标位置，信号发射时间以及信号长度的网格搜索区间。
[0037] 步骤6、对某个网格点TUgrid - ( Xgrid，ygrid，tgrid，Tgrid ) , Xgrid，ygrid表不网格点的目标
位置坐标，tgrid表不信号发射的时间的网格搜索区间坐标，Tgrid表不发射的信号的长度的网 格搜索区间坐标;计算相应的信号起始时间 和终止 时间 tl, e(rUgrid ) - tl, s (Hlgrid )+Tgrid。其中，C为;/^巡，XI，y 1乃国込·)"安Η乂奶生个不。
[0038] 步骤7、根据起始时间和终止时间对应的时间区间，从瞬时频率/；·,中取出对应时间 区间的频率值，作为线性调频信号的瞬时频率的估计同时，根据时间区间在最大 功率1中取出对应时间区间的最大功率值Plftn, 。
[0039] 步骤8、对从L个量测中估计出的L个线性调频信号的瞬时频率的估计 平均得到估计。同时对L个量测中取出的最大功率1^^取平均再求和得到区间功 率和 ω (rugrid)。
[0040] 步骤9、采用最小二乘参数拟合，通过参数拟合从又,；)中估计线性调频信号的 初始频率又)和斜率。在MATLAB-R2014a中可直接调用拟合函数ρο 1 yf i t，估计 出初始频率和调频斜率，同时得到拟合误差Gmin(nigrid)。
[0041] 步骤10、计算最小二乘拟合误差的区间平均值(MMCF)
得其与 区间功率和ω (qlgrid)相除得到质量因亏
-\-ngna i
[0042] 步骤11、根据网格点nigrid = (xgrid，ygrid，tgrid，Tgrid)和估计的线性调频信号参数
，计算加权似然函数值G ?冰D。其中，计算加权似 然函数值的步骤为：
[0043] 1:根据信号的起始时间t^sU^nd)，信号长度Tgrid，以及估计出的信号参数 来构
[0044] 建匹配函数夏,:
[0045]
其中， t表示当前时间变量，1 = 1，2,...，L，T Τ表示接收机的观测时间长度这里观测时间长度要 求尽量长，以保证接收到完整的发射信号为根据信号参数陕复出 的发射信号，分号后的4 ^ ~ 表不该发射信号的信号参数；
[0046]
[0047] 2 :将匹配函数在时间上离散化，得到离散化后的匹配函数 二[元[0]忑[：1]，,..4[%-1]]。
[0048] 3:计算对应网格点nigrid的加权似然函数值：
[0049]
[0050] 其中，Η表示对矩阵求共辄转置，h代表第1个接收机通道上目标附近噪声及干扰 的协方差矩阵。
[0051] 步骤12、重复步骤6至11，直到遍历数据平面上所有网格点，得到全数据平面的加 权似然函数值，并找出取得最大似然函数值对应的网格点作为估计值夺，同时得 到信号参数的估计值⑷)和Α承），从而估计出发射机位置(又4。
[0052]在给定仿真参数下，对每一个信噪比（SNR)进行500次蒙特卡洛仿真实验，以均方 根误差(RMSE)为定位性能依据，对比DPD-unknown算法，发现其定位性能有明显的优势。同 时，以DPD-known算法作为定位误差的下界对比本发明方法在估计信号参数上的性能损失。 如图5,在高信噪比情况下（SNR大于10dB)，三个定位算法的定位误差都较低且相同；当信噪 比低于1 OdB时，本发明提出的方法(DFO-STFT)明显优于DPD-unknown算法，且定位性能在一 定范围内（SNR大于-8dB小于10dB)与理论最优的定位算法(DPD-known，假设发射的信号参 数完全已知)相接近。因此，在发射信号参数未知的情况下，本发明提出的算法相比原有的 定位算法(DFO-unknown)在低信噪比下有明显的优势。
【主权项】
1. 一种联合估计信号参数和位置的高精度被动定位方法，其特征在于，包括W下步骤： 步骤1、初始化系统参数:初始化接收机个数L、各接收机位置、采样间隔、各接收机通道 上的噪声协方差矩阵，短时傅里叶变换的窗长度和步长； 步骤2、从雷达各接收机中读取量测，对量测进行采样，得到L个离散的量测向量ri，1 = 1,2,...,L; 步骤3、根据预先设置的短时傅里叶变换窗长度和步长，对各接收机量测向量ri作短时 傅里叶变换得到短时傅里叶变换的功率谱Ρι,; 步骤4、根据短时傅里叶变换功率谱Ρ。，在每个频率上寻找最大功率谱W及最大功率谱 对应的频率作为估计的接收信号的瞬时频率/；,和最大功率吟; 步骤5、划分目标位置网格捜索区间（Xgrid，ygrid)，信号发射时间的网格捜索区间tgrid， W及发射的信号长度的网格捜索区间Tgrid; 步骤6、对每个网格点rUgrid= (Xgrid，ygrid, tgrid，Tgrid)计算相应的信号起始时间tl,s (nigrid )和终止时间11, e ( rilgrid )，其中，Xgrid，ygrid表示网格点的发射机的位置坐标，tgrid表示 信号发射的时间的网格捜索区间坐标，Tgrid表示发射的信号长度的网格捜索区间坐标； 步骤7、根据起始时间和终止时间对应的时间区间，从瞬时频率Λ中取出对应区间的频 率值，作为线性调频信号的瞬时频率的估计i：置,?巧，从最大功率，中取出对应区间的 最大功率值; 步骤8、对从L个量测中估计出的L个线性调频信号的瞬时频率的估计i：志,?巧1,.,,,；)取平均， 得到线性调频信号的频率估计值撫对L个量测中取出的最大功率％,,"" (恥y)取平 均再求和，得到区间功率和ω (rugrid); 步骤9、通过最小二乘参数拟合从线性调频信号的频率估计值如中估计线性调 频信号的初始频率Λ(恥府)和斜率《:(巧如,）作为估计的线性调频信号参数步骤10、计算最小二乘拟合误差的区间平均值Chlgrid)，将最小二乘拟合误差的区间平 均值ξ仙grid)与区间功率和ω (riigrid)相除得到质量因子e(nigrid); 步骤11、根据网格点nigrid二（Xgrid，ygrid，tgrid，Tgrid)和估计的线性调频信号参数 衣?巧喻)，计算网格点nigrid的加权似然函数值；运里分号后的rUgrid和 衣(?…)表示该似然函数的取值邮Igrid和4 (巧。快条件。）； 步骤12、重复步骤6至11，直到遍历数据平面上所有网格点，得到全数据平面的加权似 然函数值，并找出取得最大似然函数值对应的网格点的位置作为估计的发射机所在位置。2. 如权利要求1所述一种联合估计信号参数和位置的高精度被动定位方法，其特征在 于，网格点化grid的加权似然函数值的计算方法是：其中，Η表示对矩阵求共辆转置，e(rugrid)为质量因子，r功量测向量，Ri代表第1个接收 机通道上的噪声协方差矩阵，馬为根据信号的起始时间tl,shlgrid)、发射的信号的长度Tgrid、 和估计的线性调频信号参数衣(巧。W)构建的匹配函数3?[巧iwi,，东(巧在时间上离散化 后，得到的离散化后的匹配函数；其中，t表示当前时间变量，1 = 1，2, . . .，L，T表示接收机的观测时间长度(运里观测时 间长度要求尽量长，W保证接收到完整的发射信号衣(％4]为根据信号参数 走?巧g,.w>陕复出的发射信号，exp为指数 函数。3.如权利要求1所述一种联合估计信号参数和位置的高精度被动定位方法，其特征在 于，每个网格点nigrid = ( Xgrid，y肝id，tgrid，Tgrid )的信号起始时间11, S (m肝id )和终止时间tl, e (化grid)的计算方法是：tl, e (nigrid) _ tl, s (Hlgrid) +Tgrid ； 其中，C为光速，XI，y功雷达接收站坐标。
【文档编号】G01S5/04GK105974362SQ201610281883
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】易伟, 谌振华, 李帅, 方梓成, 孔令讲, 杨晓波
【申请人】电子科技大学