本發(fā)明涉及輻射源定位領(lǐng)域，具體涉及一種基于均勻圓陣的相位差變化率定位方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的單站無源被動(dòng)定位技術(shù)大多利用測(cè)向結(jié)果獲取輻射源位置，通過檢測(cè)輻射源在不同位置的來波角度實(shí)現(xiàn)定位，該方法雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但也存在著定位精度低和定位速度慢等的缺點(diǎn)；隨著技術(shù)的發(fā)展，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)原理的無源定位方法得到了研究者們的重視，典型的有利用到達(dá)時(shí)間、多普勒頻移等參數(shù)，并結(jié)合相應(yīng)濾波逼近方法實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射源的定位；但是此類方法對(duì)目標(biāo)特征、測(cè)量設(shè)備的時(shí)間測(cè)量分辨率和頻率都有極高的要求，客觀上加大了測(cè)量的實(shí)現(xiàn)難度?；谙辔徊钭兓实膯握緹o源定位技術(shù)通過對(duì)輻射源的切向運(yùn)動(dòng)獲取基線相位差及其變化率等數(shù)據(jù)，解算運(yùn)動(dòng)單站與輻射源之間的距離，并由此計(jì)算輻射源的幾何位置。該方法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、定位速度快以及定位精度高等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2、qi?liang在其發(fā)表的論文“positioning?method?of?single?baselineinterferometer?based?on?time?difference?direction?finding?and?phasedifference?change?rate(基于時(shí)差測(cè)向和相位差變化率的單基線干涉儀定位方法)”(2021ieee?4th?advanced?information?management,communicates,electronic?andautomation?control?conference(imcec)，2021)中，公開了一種基于時(shí)差測(cè)向結(jié)合相位差變化率的干涉儀定位方法，該方法首先通過時(shí)差測(cè)向獲取輻射源的來波角度，然后利用單基線干涉儀獲取相位差及相位差變化率數(shù)據(jù)，隨后將來波角度帶入相位差及相位差變化率中，得到無模糊相位差及對(duì)應(yīng)相位差變化率，最后計(jì)算檢測(cè)陣列與輻射源之間的距離，并通過坐標(biāo)換算獲得輻射源的幾何坐標(biāo)。該方法與傳統(tǒng)方法相比不需要長(zhǎng)時(shí)間的搜索和積累，定位速度更快。

3、張輝在其發(fā)表的論文“algorithm?of?passive?location?of?airborne?forcommunication?station(固定輻射源目標(biāo)單機(jī)無源定位方法)”(communicationstechnology，2021)中，公開了一種結(jié)合卡爾曼濾波的相位差變化率定位方法，該方法首先利用單基線獲取相位差信息，然后使用卡爾曼濾波算法對(duì)其進(jìn)行平滑濾波，利用平滑后的相位差數(shù)據(jù)解算相位差變化率，之后求解檢測(cè)陣列與輻射源之間的距離，最后在此基礎(chǔ)上通過坐標(biāo)換算獲得輻射源的幾何坐標(biāo)。該方法與傳統(tǒng)方法相比受到的噪聲影響更小，定位精度更高，適應(yīng)性更強(qiáng)。

4、但是，上述現(xiàn)有技術(shù)普遍使用雙陣元作為檢測(cè)陣列，通過將天線陣元置于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)腹部前后兩處進(jìn)行相位差檢測(cè)，雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射源的正確定位，但是該過程的相位差變化率極易受到來波角度的影響，導(dǎo)致不同的來波方向會(huì)產(chǎn)生不同精度的定位結(jié)果，定位算法的全向檢測(cè)能力存在缺陷。同時(shí)，雙陣元作為檢測(cè)陣列時(shí)讀取的信息量較少，整體系統(tǒng)信息利用能力較弱，致使其極易受到噪聲等因素的影響，難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的電磁環(huán)境。此外，在現(xiàn)有技術(shù)中仍然存在著相位模糊的問題，這也極大限制了算法的應(yīng)用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于：針對(duì)上述存在的問題，本發(fā)明提供一種基于均勻圓陣的相位差變化率定位方法，通過對(duì)檢測(cè)陣型進(jìn)行改進(jìn)，使用均勻圓陣完成整體檢測(cè)，提升了算法的全向檢測(cè)能力。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種基于均勻圓陣的相位差變化率定位方法，具體按以下步驟實(shí)施：

4、步驟1，相位解模糊；

5、通過陣元接收信號(hào)獲取其相關(guān)譜的譜峰位置，通過譜峰位置的相位值確定基線相位差，根據(jù)均勻圓陣陣元數(shù)量計(jì)算各基線長(zhǎng)度，判斷基線長(zhǎng)度與輻射源頻率的關(guān)系，確定相位模糊的存在，然后得出存在的模糊數(shù)范圍，然后遍歷模糊數(shù)，得到各基線的無模糊相位差；

6、步驟2，基于交叉基線的相位差變化率定位；

7、根據(jù)天線陣元進(jìn)行劃分，遍歷均勻圓陣，依次將圓陣陣元設(shè)定為中心陣元，并分別結(jié)合其鄰近的兩個(gè)陣元組成天線組，使得中心陣元與相鄰陣元組成的兩條短基線構(gòu)成為一組基線對(duì)，確定各個(gè)基線組對(duì)應(yīng)的無模糊基線相位差以及相位差變化率；依據(jù)相位差及相位差變化率數(shù)據(jù)分別對(duì)各個(gè)測(cè)試組的數(shù)據(jù)進(jìn)行求解，獲得若干組定位結(jié)果；

8、步驟3，最后對(duì)步驟2得到的若干組定位結(jié)果加權(quán)處理。

9、進(jìn)一步地，步驟1中確定基線相位差具體方式為：

10、通過頻域鑒相方式，首先對(duì)兩陣元接收信號(hào)x1(t)、x2(t)做傅里葉變換得到f1(ω)、f2(ω)，再求其相關(guān)譜y(ω)＝f1(ω)·f2(ω)*的譜峰位置，該處的相位值即為基線相位差：

11、φ＝2πfδt＝angle[y(ω)|ω＝2πf](1)

12、式中，f表示輻射源頻率，δt為時(shí)延時(shí)間。

13、進(jìn)一步地，步驟1中計(jì)算各基線長(zhǎng)度具體方式為：

14、根據(jù)均勻圓陣陣元數(shù)量計(jì)算各個(gè)基線的長(zhǎng)度d：

15、

16、式中，m為圓陣的陣元數(shù)量，r為陣元半徑，h代表基線兩陣元的間隔陣元數(shù)量，當(dāng)m為奇數(shù)時(shí)，當(dāng)m為偶數(shù)時(shí)，

17、進(jìn)一步地，步驟1中判斷基線長(zhǎng)度與輻射源頻率的關(guān)系，確定相位模糊的存在，然后得出存在的模糊數(shù)范圍，然后遍歷模糊數(shù)，具體方式為：

18、當(dāng)基線長(zhǎng)度d與輻射源頻率f的比例小于等于1/2時(shí)，基線相位差不存在相位模糊，此時(shí)可直接進(jìn)行定位；當(dāng)基線長(zhǎng)度d與輻射源頻率f的比例大于1/2時(shí)，基線相位差存在相位模糊，引入基線存在的整周模糊數(shù)k進(jìn)行解算，其最大值計(jì)算為：

19、

20、具體存在的模糊數(shù)取值范圍為：

21、k∈[-kmax,kmax](4)

22、然后通過遍歷模糊數(shù)，將模糊整周期添加至基線相位差計(jì)算公式中，列出全部的無模糊相位差，再計(jì)算其與真實(shí)相位差的相似度，選擇相似度最高的一組結(jié)果對(duì)應(yīng)的模糊數(shù)為實(shí)際模糊數(shù)，將模糊整周期補(bǔ)償至實(shí)測(cè)相位差中，得到各基線的無模糊相位差。

23、進(jìn)一步地，步驟2中基于交叉基線的相位差變化率定位具體方式為：

24、將m元均勻圓陣劃分成m個(gè)基線組，各個(gè)基線組對(duì)應(yīng)的無模糊基線相位差為φpm、φqm，相位差變化率為

25、具體定位按以下步驟實(shí)施：

26、步驟2.1，獲取方位角變化率，選擇基線組，檢測(cè)基線組的相位差，通過相位差得到相位差變化率，然后獲取相位差變化率的理論值，通過相位差變化率的理論值得到方位角變化率以及俯仰角變化率數(shù)據(jù)；

27、步驟2.2，通過差分法計(jì)算實(shí)際相位差變化率；

28、步驟2.3，通過步驟2.1和步驟2.2得到的數(shù)據(jù)解算輻射源位置坐標(biāo)。

29、進(jìn)一步地，步驟2.1具體如下：

30、使用基于交叉基線的分組策略完成基線組選擇，設(shè)定檢測(cè)的基線組為(pm)、(qm)；檢測(cè)基線組的相位差為：

31、

32、式中，

33、聯(lián)立φpm及φqm對(duì)應(yīng)等式，得出以下計(jì)算式：

34、

35、通過公式換算，得出以m為中心陣元的基線組對(duì)應(yīng)測(cè)向角的三角函數(shù)值：

36、

37、

38、對(duì)檢測(cè)基線組的相位差公式等號(hào)兩邊同時(shí)求微分，得到單元天線接收到的輻射源信號(hào)之間的相位差變化率，再將以上求出的以m為中心陣元的基線組對(duì)應(yīng)測(cè)向角的三角函數(shù)值進(jìn)行帶入，獲得相位差變化率的理論值；

39、

40、其中，

41、

42、將相位差變化率理論公式進(jìn)行變換，得到方位角變化率以及俯仰角變化率數(shù)據(jù)：

43、

44、進(jìn)一步地，步驟2.2具體如下：

45、設(shè)經(jīng)過n次觀測(cè)得到一個(gè)相位差序列{φ1,φ2……φn}，其中每次觀測(cè)的時(shí)間間隔為t，將it時(shí)刻的相位差變換率用(i-1)t時(shí)刻到it時(shí)刻這一時(shí)間段內(nèi)相位差的平均變化率來近似：

46、

47、利用差分法獲取真實(shí)相位差變化率

48、進(jìn)一步地，步驟2.3具體如下：

49、求取檢測(cè)陣列與輻射源之間的距離：

50、根據(jù)輻射源與檢測(cè)陣列的空間位置關(guān)系得到：

51、

52、式中，是t時(shí)刻的檢測(cè)方位角，(xt,yt,zt)是輻射源的位置坐標(biāo)，(xoi(t),yoi(t),zoi(t))是檢測(cè)陣列在t時(shí)刻的位置坐標(biāo)；

53、對(duì)上式求導(dǎo)換算，得到檢測(cè)陣列與輻射源之間的距離r：

54、

55、式中，是檢測(cè)陣列在x軸方向的移動(dòng)速度，是檢測(cè)陣列在y軸方向的移動(dòng)速度；

56、將計(jì)算出的測(cè)向角的三角函數(shù)值進(jìn)行變換，使其數(shù)值從基本組轉(zhuǎn)回實(shí)際檢測(cè)組：

57、

58、再將計(jì)算出的方位角變化率檢測(cè)陣列在x軸方向的移動(dòng)速度檢測(cè)陣列在y軸方向的移動(dòng)速度帶入到檢測(cè)陣列與干擾源的間距計(jì)算中，得到r的具體數(shù)值；

59、取得輻射源的位置坐標(biāo)：

60、在檢測(cè)陣列完成上述測(cè)量與解算之后，獲得了以檢測(cè)陣列自身位置點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以及以運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榱愣确较虻臉O坐標(biāo)中輻射源目標(biāo)的極坐標(biāo)位置在此基礎(chǔ)上通過坐標(biāo)換算，最終獲得輻射源在三維空間中的位置坐標(biāo)(xt,yt,zt)，如下：

61、

62、換算可得：

63、

64、進(jìn)一步地，步驟3中采用下式(22)對(duì)步驟2得到的若干定位結(jié)果加權(quán)處理；相位差變化率數(shù)值越大，其誤差容錯(cuò)性也就越大，故而當(dāng)誤差恒定的情況下，相位差變化率越大的基線組，其對(duì)誤差的包容能力也就越強(qiáng)，故加權(quán)過程中的權(quán)值計(jì)算式如下：

65、

66、綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

67、1、本發(fā)明的一種基于均勻圓陣的改進(jìn)方法，使用均勻圓陣替代原有陣型，減小了來波角度對(duì)相位差變化率的影響，提升了算法的全向檢測(cè)能力。

68、2、本發(fā)明結(jié)合基線對(duì)分組、定位結(jié)果加權(quán)方式提升陣列的擴(kuò)展能力，將不同基線對(duì)劃分成小組解算定位結(jié)果，算法模塊化的同時(shí)，也易于陣列陣元數(shù)量的增加，使其不止局限于特定陣元數(shù)量的均勻圓陣，同時(shí)對(duì)各個(gè)基線組解算的定位結(jié)果進(jìn)行加權(quán)，削弱了噪聲等因素帶來的影響，在提升數(shù)據(jù)利用能力的同時(shí)，降低了算法的整體復(fù)雜度并增強(qiáng)了算法的魯棒性。

69、3、本發(fā)明通過遍歷模糊數(shù)進(jìn)行相位差解模糊，使得算法具備了對(duì)高頻信號(hào)的定位能力，極大提升了算法的應(yīng)用范圍。