一种基于多发多收的外辐射源雷达目标定位方法及装置与流程

本发明属于雷达数据处理领域，尤其涉及一种基于多发多收的外辐射源雷达目标定位方法及装置。

背景技术：

外辐射源雷达(又称无源雷达)是一种利用第三方发射的电磁信号探测目标的雷达体制，其自身不发射信号，因而具有低成本、隐蔽性好、抗干扰能力强、电磁兼容性好等诸多优势。但由于发射不受控，基于单发单收的简单双基地几何结构在覆盖上受限且目标散射截面变化大，导致目标探测连续性和稳定性不足，因此组建多发多收的分布式体制的外辐射源雷达网是一种新的解决方案。外辐射源雷达作为一种多传感器组网系统，完成多发多收配置下的目标定位是其一项关键技术。

外辐射源雷达的接收阵列较小，测角精度较低；因此，无论是纯方位角定位方法，还是双基地距离结合方位角的定位方法，在外辐射源雷达上的应用都无法满足定位精度要求。

目前利用双基地距离完成定位的方法多适用于多发单收或者单发多收体制，而任意收发对数目的目标定位方法并未在外辐射源雷达网中应用。一方面，对于处在外辐射源雷达网观测区域的目标，可能会被任意数目的外辐射源雷达探测到，因此需要任意收发对数目配置下的目标定位方法；另一方面，对于单频网外辐射源雷达数据处理，武汉大学万显荣和易建新等于2013年提交申请了单频网外辐射源雷达系统和相应信号处理方法的发明专利(一种基于单频网的外辐射源雷达系统及其信号处理方法，申请号201310739890.3，公布号cn103698759a)，其中关于单频网解模糊部分，必须用到任意收发对数目配置下目标定位方法。

技术实现要素：

为了解决上述任意收发对数目配置下的外辐射源雷达目标定位问题，本发明提供了一种有效的基于多发多收的外辐射源雷达目标定位方法及装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于多发多收的外辐射源雷达目标定位方法，包括以下步骤：

步骤1：任意选取两个以上的收发对量测，并利用每个收发对量测分别对目标定位；

步骤2：对步骤1各收发对所得的定位结果进行融合，获得目标位置初值；

步骤3：利用步骤2获得的目标位置初值，通过牛顿迭代法求得目标位置，完成目标定位。

其中，步骤1中所述的任意选取两个以上的收发对量测，其中每个量测对应一个收发对，且收发对的数量具体满足：设收发对个数为nt-r，所考虑空间维数为d，二维情况时d＝2，三维情况时d＝3，则应满足

nt-r＞d(式1)

当d＝2时，第i个收发对的发射站位置为接收站位置为对应的量测值为双基地距离ri和目标方位角θi，相应的量测误差为和则第i个收发对的定位结果为

其中，dir＝[cosθi,sinθi]^t；

相应的协方差矩阵为

其中，σv＝diag(σr²,σθ²)；

其中，步骤2中所述的对步骤1各收发对所得的定位结果进行融合，获得目标位置初值；具体实现过程为：当获得了步骤1中的各收发对的定位结果及对应的误差协方差矩阵后，将误差协方差矩阵作为各收发对定位结果的权值因子，通过基于误差协方差矩阵的加权平均方法融合各收发对定位结果，得目标位置初值；

假设第i个收发对的目标定位结果为xi，对应的误差协方差矩阵为pi，则目标位置初值为

对应的误差协方差矩阵为

其中，n为参与定位的收发对个数。

其中，步骤3中利用步骤2获得的目标位置初值，通过迭代法求得目标位置，完成目标定位；具体实现方式为：假设目标位置为x，则目标位置的最大似然解为

对(式6)通过牛顿迭代法求解，具体步骤如下：

步骤4.1：选取初始数据：目标位置初值x0、终止条件ε＞0，令k＝0；

步骤4.2：求梯度向量并计算若停止迭代，输出x^(k)，否则转下一步；

步骤4.3：构造牛顿方向，计算牛顿方向为

步骤4.4：根据x^(k+1)＝x^(k)+p^(k)计算x^(k+1)作为下一轮迭代点，令k＝k+1，转第2步；

其中，牛顿迭代法中所需的梯度向量和黑塞尔矩阵如下所示：

的梯度向量可表示为

其中

hessian矩阵表示为

其中

通过多次迭代，最终获得精准的目标位置。

一种基于多发多收的外辐射源雷达目标定位装置，包括：

收发对获取单元，用于任意选取两个以上的收发对量测，并利用每个收发对量测分别对目标定位；

目标位置初值获取单元，用于对收发对获取单元中各收发对所得的定位结果进行融合，获得目标位置初值；

目标定位单元，用于利用目标位置初值获取单元获得的目标位置初值，通过牛顿迭代法求得目标位置，完成目标定位。

其中，所述的收发对获取单元对任意选取两个以上的收发对量测，其中每个量测对应一个收发对，且收发对的数量具体满足：设收发对个数为nt-r，所考虑空间维数为d，二维情况时d＝2，三维情况时d＝3，则应满足

nt-r＞d(式9)

当d＝2时，第i个收发对的发射站位置为接收站位置为对应的量测值为双基地距离ri和目标方位角θi，相应的量测误差为和则第i个收发对的定位结果为

其中，dir＝[cosθi,sinθi]^t；

相应的协方差矩阵为

其中，σv＝diag(σr²,σθ²)；

其中，所述的目标位置初值获取单元对各收发对所得的定位结果进行融合，获得目标位置初值；具体实现过程为：当获得了收发对获取单元中的各收发对的定位结果及对应的误差协方差矩阵后，将误差协方差矩阵作为各收发对定位结果的权值因子，通过基于误差协方差矩阵的加权平均方法融合各收发对定位结果，得目标位置初值；

假设第i个收发对的目标定位结果为xi，对应的误差协方差矩阵为pi，则目标位置初值为

对应的误差协方差矩阵为

其中，n为参与定位的收发对个数。

其中，所述的目标定位单元，具体实现方式为：假设目标位置为x，则目标位置的最大似然解为

对(式14)通过牛顿迭代法求解，具体步骤如下：

步骤4.1：选取初始数据：目标位置初值x0、终止条件ε＞0，令k＝0；

步骤4.2：求梯度向量并计算若停止迭代，输出x^(k)，否则转下一步；

步骤4.3：构造牛顿方向，计算牛顿方向为

步骤4.4：根据x^(k+1)＝x^(k)+p^(k)计算x^(k+1)作为下一轮迭代点，令k＝k+1，转第2步；

其中，牛顿迭代法中所需的梯度向量和黑塞尔矩阵如下所示：

的梯度向量可表示为

其中

hessian矩阵表示为

其中

通过多次迭代，最终获得精准的目标位置。

有益效果：

本发明所提出的一种基于多发多收的外辐射源雷达目标定位方法及装置的优势在于：对于定位方程，闭式解与迭代法相结合，确保定位精度；可以应对任意收发对数目配置下的目标定位问题，适用于任何量测数目大于3情况下的目标定位。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于多发多收的外辐射源雷达目标定位方法流程图。

图2为本发明实施例提供的一种基于多发多收的外辐射源雷达目标定位装置结构图。

图1a为本发明实施例仿真结果-x坐标估计rms等值线。

图1b为本发明实施例仿真结果-x坐标crb等值线。

图2a为本发明实施例仿真结果-y坐标估计rms等值线。

图2b为本发明实施例仿真结果-y坐标crb等值线。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本发明所述的一种基于多发多收的外辐射源雷达目标定位方法，包括以下步骤：

步骤1：任意选取两个以上的收发对量测，并利用每个收发对量测分别对目标定位；

步骤2：对步骤1中各收发对所得的定位结果进行融合，获得目标位置初值；

步骤3：利用步骤2获得的目标位置初值，通过牛顿迭代法求得目标位置，完成目标定位。

其中，步骤1中所述的任意选取两个以上的收发对量测，其中每个量测对应一个收发对，且收发对的数量具体满足：设收发对个数为nt-r，所考虑空间维数为d，二维情况时d＝2，三维情况时d＝3，则应满足

nt-r＞d(式1)

当d＝2时，第i个收发对的发射站位置为接收站位置为对应的量测值为双基地距离ri和目标方位角θi，相应的量测误差为和则第i个收发对的定位结果为

其中，dir＝[cosθi,sinθi]^t；

相应的协方差矩阵为

其中，σv＝diag(σr²,σθ²)；

其中，步骤2中所述的对步骤1各收发对所得的定位结果进行融合，获得目标位置初值；具体实现过程为：当获得了步骤1中的各收发对的定位结果及对应的误差协方差矩阵后，将误差协方差矩阵作为各收发对定位结果的权值因子，通过基于误差协方差矩阵的加权平均方法融合各收发对定位结果，得目标位置初值；

假设第i个收发对的目标定位结果为xi，对应的误差协方差矩阵为pi，则目标位置初值为

对应的误差协方差矩阵为

其中，n为参与定位的收发对个数。

其中，步骤3中利用步骤2获得的目标位置初值，通过迭代法求得目标位置，完成目标定位；具体实现方式为：假设目标位置为x，则目标位置的最大似然解为

对(式6)通过牛顿迭代法求解，具体步骤如下：

步骤4.1：选取初始数据：目标位置初值x0、终止条件ε＞0，令k＝0；

步骤4.2：求梯度向量并计算若停止迭代，输出x^(k)，否则转下一步；

步骤4.3：构造牛顿方向；计算牛顿方向为

步骤4.4：根据x^(k+1)＝x^(k)+p^(k)计算x^(k+1)作为下一轮迭代点，令k＝k+1，转第2步；

其中，牛顿迭代法中所需的梯度向量和黑塞尔矩阵如下所示：

的梯度向量可表示为

其中

hessian矩阵表示为

其中

通过多次迭代，最终获得精准的目标位置。

本实施例中，外辐射源雷达发射站和接收站场景中包括2个发射站，2个接收站，接收站1分别与发射站1、发射站2构成两个收发对，可接收目标回波，而接收站2仅与发射站1构成收发对，接收目标回波。因此本场景中仅包含3个收发对，可获得3个量测信息。考虑二维情况，即空间维数为d＝2。此外，量测中包含双基距离和方位角信息。

获取仿真生成的量测信息后，对每一时刻的3个量测信息，通过(式2)和(式3)求得同一目标的3个位置和误差协方差矩阵，完成步骤1；基于误差协方差矩阵，根据(式4)获得3个位置融合后的目标位置初值，完成步骤2；获得目标位置初值，已知发射站、接收站位置以及量测信息的情况下，依据(式6)、(式7)和(式8)描述的公式，按照牛顿迭代法的步骤，通过多次迭代，满足结束条件后，完成步骤3，获得目标准确位置。

本发明的效果可通过以下实施例仿真实验进行验证。

仿真中，发射站坐标为：tx1(-20,0)km，tx2(20,0)km，接收站坐标为：rx1(0,20)km，rx2(0,-20)km，设双基距离精度为30m，方位角精度为3°，x和y的仿真范围均为[-39.5,40.5]km，间隔5km，每个坐标位置蒙特卡罗仿真500次。仿真结果及克拉美罗界(crb)如图1a、图1b、图2a、图2b所示，可见仿真rms(rootmeansquare，均方根)的精度与crb接近，验证了本发明的正确性。

本发明所述方法包括目标位置初值求取和目标位置精估计两个部分。目标初值求取过程中：首先选取任意数量收发对的目标量测值，包括双基地距离和目标方位角，然后利用每个收发对的量测值分别对目标进行定位，接着融合多个收发对的定位结果，获得目标位置初值。最后利用目标位置初值和所有收发对的目标量测值，通过牛顿迭代法进行目标位置精估计。该方法可应对外辐射源雷达中任意数量收发对量测的目标定位问题，通过闭式解求解方法和迭代法相结合的方式，降低计算量的同时保证定位精度，具有推广应用价值。需要说明的是，本发明在二维时，适用于任何量测数目大于2情况下的目标定位，在三维时，适用于任何量测数目大于3情况下的目标定位。

实施例2

本实施例为装置实施例，与上述方法实施例1属于同一技术构思，在本实施例中未详尽描述的内容，请参见方法实施例。

如图2所示，本发明所述的一种基于多发多收的外辐射源雷达目标定位装置，包括：

收发对获取单元，用于任意选取两个以上的收发对量测，并利用每个收发对量测分别对目标定位；

目标位置初值获取单元，用于对收发对获取单元中各收发对所得的定位结果进行融合，获得目标位置初值；

目标定位单元，用于利用目标位置初值获取单元获得的目标位置初值，通过牛顿迭代法求得目标位置，完成目标定位。

其中，所述的收发对获取单元对任意选取两个以上的收发对量测，其中每个量测对应一个收发对，且收发对的数量具体满足：设收发对个数为nt-r，所考虑空间维数为d，二维情况时d＝2，三维情况时d＝3，则应满足

nt-r＞d(式9)

当d＝2时，第i个收发对的发射站位置为接收站位置为对应的量测值为双基地距离ri和目标方位角θi，相应的量测误差为和则第i个收发对的定位结果为

其中，dir＝[cosθi,sinθi]^t；

相应的协方差矩阵为

其中，σv＝diag(σr²,σθ²)；

其中，所述的目标位置初值获取单元对各收发对所得的定位结果进行融合，获得目标位置初值；具体实现过程为：当获得了收发对获取单元中的各收发对的定位结果及对应的误差协方差矩阵后，将误差协方差矩阵作为各收发对定位结果的权值因子，通过基于误差协方差矩阵的加权平均方法融合各收发对定位结果，得目标位置初值；

假设第i个收发对的目标定位结果为xi，对应的误差协方差矩阵为pi，则目标位置初值为

对应的误差协方差矩阵为

其中，n为参与定位的收发对个数。

其中，所述的目标定位单元，具体实现方式为：假设目标位置为x，则目标位置的最大似然解为

对(式14)通过牛顿迭代法求解，具体步骤如下：

步骤4.1：选取初始数据：目标位置初值x0、终止条件ε＞0，令k＝0；

步骤4.2：求梯度向量并计算若停止迭代，输出x^(k)，否则转下一步；

步骤4.3：构造牛顿方向，计算牛顿方向为

步骤4.4：根据x^(k+1)＝x^(k)+p^(k)计算x^(k+1)作为下一轮迭代点，令k＝k+1，转第2步；

其中，牛顿迭代法中所需的梯度向量和黑塞尔矩阵如下所示：

的梯度向量可表示为

其中

hessian矩阵表示为

其中

通过多次迭代，最终获得精准的目标位置。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。