本发明属于电磁频谱监测领域，涉及非合作电磁辐射源定位技术，具体地，涉及一种基于两个定频接收站的接收信号到达时间差和信号强度信息的非合作电磁辐射源定位方法及中心处理站。
背景技术：
随着大量vhf/uhf频段小功率、微功率无线电发射台站投入使用，局部热点地区的电磁环境日益恶劣，特别是在诸如2.4ghz、5.8ghz等ism频段，频谱拥挤现象十分严重，电磁背景噪声异常抬升和宽带非稳定电磁干扰问题日益突出，由此导致在重大集会或敏感场所等局部区域实施有效的无线电频谱监管的难度也越来越大。常规的布放少量具有测向能力的大型无线电监测站的做法已不能适应城区复杂电磁环境下无线电监测定位的应用需求，需要采用密集部署大量小型、低成本的无线电监测站，并通过监测站组网的方式来对欲监测地区进行有效覆盖，从而实现对低功率、微功率电磁辐射源的抵近式监测和定位。
目前常用的辐射源定位方法主要有：(1)多个测向监测站同时对电磁波来波方向(directionofarrival，doa)进行测量，然后通过doa方向线实现对辐射源的空间交叉定位。由于测向监测站设备复杂、成本高昂，因而这种方法通常用于广域覆盖情况下对大功率辐射源的二维平面定位；(2)通过测量电磁波信号到达多个无线电监测站的到达功率(powerofarrival，poa)、到达时间(timeofarrival，toa)或者到达时间差(timedifferenceofarrival，tdoa)来完成辐射源定位；(3)当电磁辐射源运动与无线电监测站之间有相对运动时，还可利用接收信号的多普勒频移(frequencydifferenceofarrival，fdoa)实现对辐射源的定位或跟踪。
例如，在中国专利cn201110204820“一种vhf频段云闪雷电探测定位系统”中给出了一种利用多个探测接收站组网接收采集云闪雷电辐射源在vhf频段辐射信号的i/q数据，然后在中心处理站解算得到任意两站点之间的信号到达时间差(tdoa)从而实现时差三维双曲面定位的系统。在中国专利cn201410604022“基于多向寻优的全跟踪式ukf滤波算法的双站定位方法”中建立一发两收椭圆定位模型，其实质是在每个接收站获取直达波和目标散射波的到达时间差从而实现对目标的二维平面定位。在中国专利cn2015109915621“一种基于接收信号功率信息的辐射源定位方法”中，利用四个或以上的接收站获得的接收信号功率信息，并结合电波传播模型，实现对辐射源的二维或三维定位。
这些定位方法都要求至少有三个或以上的接收站点参与定位过程。当电磁辐射源的辐射功率很小，或者辐射源距离接收站很远，或者电磁背景噪声很高时，都可能只有两个甚至一个接收站有效检测到辐射信号，这时就无法实现纯时差定位或者纯poa定位。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用双接收站对辐射源进行瞬时定位的方法及中心处理站，由此解决在电磁辐射源的辐射功率很小或者辐射源距离接收站很远或者电磁背景噪声很高的情况下，由于可能只有两个甚至一个接收站有效检测到辐射信号，通过现有要求至少有三个或以上的接收站点的定位方法无法实现纯时差定位或者纯poa定位的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种利用双接收站对辐射源进行瞬时定位的方法，应用于由多个接收站和一个中心处理站组成的辐射源探测定位网中，所述方法包括：
(1)在各接收站对电磁辐射源发射信号的同步采集过程中，中心处理站接收目标接收站采集到的定长同步复基带信号数据帧，其中，所述目标接收站为接收到的辐射源信号超过预设检测门限的接收站；
(2)若所述中心处理站接收到两个目标接收站发送的定长同步复基带信号数据帧，则所述中心处理站将第一目标接收站发送的第一定长同步复基带信号数据帧以及第二目标接收站发送的第二定长同步复基带信号数据帧计算归一化互相关函数，并由所述互相关函数得到电磁辐射信号到达所述第一目标接收站与所述第二目标接收站的到达时间差和所述达到时间差的精细值；
(3)由所述达到时间差的正负对所述第一定长同步复基带信号数据帧以及所述第二定长同步复基带信号数据帧进行裁项处理，并由裁项后的第一定长同步复基带信号数据帧的模值以及裁项后的第二定长同步复基带信号数据帧的模值得到电磁辐射信号到达所述第一目标接收站和所述第二目标接收站的功率比值；
(4)根据所述到达时间差或者所述达到时间差的精细值、所述功率比值、所述第一目标接收站的位置、所述第二目标接收站的位置以及多个接收站组成的探测定位网的覆盖区域中的电波传播路径损耗综合因子，得到一对呈镜象对称分布的平面位置作为电磁辐射源的估计位置。
优选地，步骤(2)包括：
(2.1)将所述第一定长同步复基带信号数据帧表示为第一复基带采样信号序列xi(n)＝ii(n)-jqi(n)，将所述第二定长同步复基带信号数据帧表示为第二复基带采样信号序列xj(n)＝ij(n)-jqj(n)，其中，{ii(n),qi(n)}表示所述第一目标接收站采集到的正交复基带信号在第n个时刻的一对采样值，{ij(n),qj(n)}表示所述第二目标接收站采集到的正交复基带信号在第n个时刻的一对采样值，0≤n≤n-1，n表示定长同步复基带信号数据帧的长度；
(2.2)根据所述第一复基带采样信号序列以及所述第二复基带采样信号序列，由
(2.3)根据所述归一化互相关函数，由
(2.4)对所述归一化互相关函数的模值进行峰值搜索时，对得到的峰值点位置进行次极大值点线性插值和相邻三点抛物线插值后再计算新的峰值点位置，并将所述新的峰值点位置作为所述达到时间差的精细值。
优选地，步骤(2.4)包括：
设对互相关函数模值序列
对dm-k1点、dm点以及dm+k2点进行线性插值，并将插值结果分别赋予dm-1点和dm+1点，分别得到dm-1点和dm+1点的互相关函数模值
由
优选地，步骤(3)包括：
(3.1)若τij＜0，则表示电磁辐射信号优先到达所述第一目标接收站，则由
如果τij≥0，则表示电磁辐射信号优先到达所述第二目标接收站，则由
(3.2)由
优选地，步骤(4)包括：
(4.1)由
(4.2)若di+dj≥dij0，则由
(4.3)根据所述辐射源探测定位网中其它接收站与所述第一目标接收站和所述第二目标接收站之间的相对位置关系，以及连续多次定位结果进行聚类分析来判断并删除镜像对称分布位置中的错误的定位结果。
优选地，步骤(4.3)包括：
分别计算a点和b点到各接收站的距离di、dj、da,k以及db,k，其中，da,k和db,k分别表示a点和b点到第k个接收站的距离，且k≠i,j；
若min{da,k,k≠i、j}＜max{di,dj}且min{db,k,k≠i、j}＞max{di,dj}，则舍弃定位点a，将b点作为最终的定位结果；
若min{da,k,k≠i、j}＞max{di,dj}且min{db,k,k≠i、j}＜max{di,dj}，则舍弃定位点b，而将a点作为最终的定位结果；
若min{da,k,k≠i、j}＞max{di,dj}且min{db,k,k≠i、j}＞max{di,dj}，则结合连续多次定位结果进行聚类分析来筛选得到a点和b点中可能性更大的位置点作为最终的定位结果。
按照本发明的另一方面，提供了一种利用双接收站对辐射源进行瞬时定位的中心处理站，包括：
接收模块，用于在各接收站对电磁辐射源发射信号的同步采集过程中，接收目标接收站采集到的定长同步复基带信号数据帧，其中，所述目标接收站为接收到的辐射源信号超过预设检测门限的接收站；
第一计算模块，用于在所述中心处理站接收到两个目标接收站发送的定长同步复基带信号数据帧时，将第一目标接收站发送的第一定长同步复基带信号数据帧以及第二目标接收站发送的第二定长同步复基带信号数据帧计算归一化互相关函数，并由所述互相关函数得到电磁辐射信号到达所述第一目标接收站与所述第二目标接收站的到达时间差和所述达到时间差的精细值；
第二计算模块，用于在由所述达到时间差的正负对所述第一定长同步复基带信号数据帧以及所述第二定长同步复基带信号数据帧进行裁项处理，并由裁项后的第一定长同步复基带信号数据帧的模值以及裁项后的第二定长同步复基带信号数据帧的模值得到电磁辐射信号到达所述第一目标接收站和所述第二目标接收站的功率比值；
定位模块，用于根据所述到达时间差或者所述达到时间差的精细值、所述功率比值、所述第一目标接收站的位置、所述第二目标接收站的位置以及多个接收站组成的探测定位网的覆盖区域中的电波传播路径损耗综合因子，得到一对呈镜象对称分布的平面位置作为电磁辐射源的估计位置。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本发明利用事先计算并拟合得到的探测定位网覆盖区域的电波传播路径损耗综合因子来提高对接收信号的强度信号的估计精度，同时利用未检测到辐射源信号的其它接收站位置坐标，以及连续多次定位结果的聚类分析来消除双站tdoa-poa定位的模糊。通过本发明最大程度降低了对同时检测到辐射源信号的接收站数量的要求，不仅可实现对位置固定辐射源的定位，也可以对移动辐射源进行瞬时定位，可应用于复杂电磁环境下的辐射源快速定位。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种由多个接收站和一个中心处理站组成的探测定位网示意图；
图2是本发明实施例提供的一种利用双接收站对辐射源进行瞬时定位的方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种根据双接收站上传的定长同步复基带采样信号数据帧提取tdoa和poa信息并计算出一对呈镜像对称分布的辐射源位置坐标的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种根据接收站的相对位置关系从双解中筛选出正确定位点的示意图。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种在由多个接收站和一个中心处理站组成的辐射源探测定位网中，当只有其中的两个相邻接收站接收并检测到辐射源信号时，中心处理站综合利用信号到达时间差tdoa和信号强度信息poa来对辐射源瞬时位置进行粗略估计的方法，称为tdoa-poa组合定位方法。该方法最大程度降低了对接收站数量的要求，不仅可实现对位置固定辐射源的定位，也可以对移动辐射源进行瞬时定位，在复杂电磁环境下具有较高的实用价值。
本发明说明书和权利要求书中出现的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而并非用于描述特定的顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
图1所示是由多个探测接收站和一个中心处理站组成的电磁频谱监测与辐射源定位网，各接收站通过无线或有线方式与中心处理站相连，实现频谱监测数据上传中心处理站，以及中心处理站向各接收站下发各种监控指令。图2是在该探测定位网中，只有两个相邻位置的接收站检测到指定频率的电磁辐射源信号时，根据这两个接收站上传到中心处理站的定长同步复基带信号数据帧来实现对该频率的辐射源瞬时定位的方法流程示意图。该方法包括：
(1)中心处理站通过传输网远程对各接收站设置以下工作参数：接收信号的中心频率f0、信号采样带宽bw、采样率fs、信号采样的检测门限snr，并从中心处理站数据库中获取各接收站的位置坐标和覆盖区域的电波传播路径损耗综合因子γ。
电波传播路径损耗综合因子γ可以根据探测定位网部署地区的地形地貌、电磁辐射源的可能工作频段等信息，采用itu-r-p.1546(30mhz至3000mhz频率范围内地面业务点对面预测的方法)电波传播模型或者射线跟踪方法计算并拟和出来。该因子的取值范围限定为2≤γ≤6，其中，γ＝2对应于自由空间传播因子，γ＝6对应于有密集建筑的城区环境中的传播因子。
在本发明的后续实施例中，第一目标接收站也称为第i个接收站，第二目标接收站也称为第j个接收站。
中心处理站随后启动各接收站进行同步采集，各接收站将采集得到的包含高精度时标信息的定长复基带信号数据帧上传到中心处理站。假设该次同步采集过程中，只有第i和第j个接收站接收到的辐射源信号超过设置的检测门限snr，因此中心处理站只获得了这两个站点上传的定长同步复基带信号数据帧：
{ii(0),qi(0)；ii(1),qi(1)；...；ii(n-1),qi(n-1)；τi0}和{ij(0),qj(0)；ij(1),qj(1)；...；ij(n-1),qj(n-1)；τj0}，其中，{ii(0),qi(0)}表示第i接收站采集到的正交复基带信号在第一个时刻的一对采样值，τi0表示第i站复基带信号数据帧的第一对采样值所对应的时刻，n表示定长同步复基带信号数据帧的长度，且n≥2000，其它符号的含义类推可知。超过两个接收站有定长同步复基带信号数据帧上传到中心处理站时，转到三接收站或更多接收站参与的纯tdoa定位或纯poa定位计算流程中。
在本发明实施例中，各个接收站在中心处理站的统一控制下启动对电磁辐射源发射信号的同步采集，各个接收站之间是采样时钟同步的。例如，各接收站采用gnss卫星授时技术同步各自的采样时钟，获得高精度的站间时钟同步和相同的采样率fs。理想情况下，τi0应等于τj0。一般情况下，τi0与τj0相差在50ns以内。
(2)中心处理站根据第i个和第j个接收站上传的定长同步复基带信号数据帧：
{ii(0),qi(0)；ii(1),qi(1)；...；ii(n-1),qi(n-1)；τi0}和{ij(0),qj(0)；ij(1),qj(1)；...；ij(n-1),qj(n-1)；τj0}，计算电磁辐射信号到达这两个接收站的时间差τij和其精细值
(2.1)中心处理站分别将第i个和第j个接收站上传的定长同步复基带信号数据帧：{ii(0),qi(0)；ii(1),qi(1)；...；ii(n-1),qi(n-1)；τi0}和{ij(0),qj(0)；ij(1),qj(1)；...；ij(n-1),qj(n-1)；τj0}改写为复基带采样信号序列：xi(n)＝ii(n)-jqi(n)，xj(n)＝ij(n)-jqj(n)，0≤n≤n-1；
(2.2)中心处理站按下式计算xi(n)和xj(n)的归一化互相关函数：
式中，e{·}表示求数学期望，
(2.3)中心处理站根据
式中，
(2.4)为了进一步提高tdoa估计的精度，在对前述计算出的互相关函数
设对互相关函数模值序列
对dm-k1点、dm点、dm+k2点进行线性插值，并将插值结果分别赋予dm-1点和dm+1点：
然后，对dm-1点、dm点、dm+1点及其对应的互相关函数模值
(3)中心处理站根据第i个和第j个接收站上传的定长同步复基带信号数据帧{ii(0),qi(0)；ii(1),qi(1)；...；ii(n-1),qi(n-1)；τi0}和{ij(0),qj(0)；ij(1),qj(1)；...；ij(n-1),qj(n-1)；τj0}以及信号到达时间差τij，计算电磁辐射信号到达这两个接收站的功率比值ηij：
(3.1)根据信号到达时间差τij的正负情况，判断信号到达第i个和第j个接收站的先后顺序，并对复基带采样信号序列xi(n)和xj(n)进行裁项处理：
如果τij＜0，表明信号先到达i站，再到达j站，辐射源距离i站更近一些，令
如果τij≥0，表明信号先到达j站，再到达i站，辐射源距离j站更近一些，令
(3.2)按照下式计算信号到达这两个接收站的功率比值：
式中，||xic(n)||、||xjc(n)||表示对裁项后的复基带采样信号序列xic(n)和xjc(n)求n时刻的模值。
(4)中心处理站根据到达时间差τij或其精细值
(4.1)设电磁辐射源到这两个接收站的距离分别为di和dj，多个接收站组成的探测定位网覆盖区域中的电波传播路径损耗综合因子为γ。按下式计算距离di和dj：
式中，c为电磁波的传播速度，其值为3×108米/秒。
(4.2)如图3所示，设第i个和第j个接收站之间的距离为dij0。如果di+dj＜dij0则终止本次定位解算，否则将di和dj代入下述方程组并利用高斯-牛顿最小二乘法求得电磁辐射源的呈镜像对称分布的一对坐标位置a(x,y)和b(x′,y′)：
(4.3)中心处理站进一步根据探测定位网中其它接收站与第i个和第j个接收站之间的相对位置关系，以及连续多次定位结果并进行聚类分析来判断并删除其中错误的那个定位结果。例如，如图4所示，当只有接收站i和接收站j接收并检测到辐射源信号、并由此计算得到辐射源的一对可能位置a(x,y)和b(x′,y′)后，分别计算a点和b点到各接收站的距离di、dj、da,k、db,k，其中，di和dj的含义同前，da,k和db,k则分别表示a点和b点到第k个接收站的距离，且k≠i,j。如果min{da,k,k≠i、j}＜max{di,dj}且min{db,k,k≠i、j}＞max{di,dj}，则舍弃定位点a，而将b点作为最终的定位结果；反之，如果min{da,k,k≠i、j}＞max{di,dj}且min{db,k,k≠i、j}＜max{di,dj}，则舍弃定位点b，而将a点作为最终的定位结果。当min{da,k,k≠i、j}＞max{di,dj}且min{db,k,k≠i、j}＞max{di,dj}时，再结合后续的连续多次定位结果(可能仍然是i站和j站的双站定位结果，也可能其它站点形成的双站或多站定位结果)的聚类分析来筛选得到a点和b点中可能性更大的那个位置点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。