[发明专利]一种高度约束下的到达能量比无源定位方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信领域、涉及辐射源定位技术，尤其涉及高度约束条件下的基于信号到达能量比的辐射源定位方法。

背景技术

辐射源无源定位在雷达、声纳、卫星和通信等系统中具有重要的应用价值。辐射源无源定位是根据传感器(包括无线电传感器和声音传感器等)接收到的信号估计出某一时刻辐射源的空间位置。根据信号测量物理量的不同，目前辐射源无源定位主要包括三大类，即到达方向定位、到达时差定位和到达能量比定位。各种定位方法一般都假设辐射源是各向同性的，即认为辐射源发出的信号在各个方向的传播情况是相同的。到达方向定位，又称为测向交会定位，一般适用于基于传感器阵列的定位。测向交会定位方法中的传感器阵列由一定的几何结构排列而成的若干个传感器组成，每一个传感器阵列不需要移动就可以获得辐射源的方向。通过两个传感器阵列就可以获得两个方向线的交点确定辐射源的位置。到达时差定位又称双曲线定位，这种方法利用多个传感器接收到的信号到达时间差对辐射源的位置进行估计，实现辐射源定位。空间上不同位置处两个传感器接收到的信号的时差与辐射源到这两个传感器位置的距离差成正比，该距离差确定了以两个传感器位置为焦点的双曲线，辐射源位于双曲线的一支上。若再有一对传感器确定另一双曲线，则两双曲线交点即为辐射源的位置。

到达时差定位方法对传感器同步性要求高，到达方向定位方法需要采用复杂的传感器阵列，在利用简易的小型化传感器构建无线监测定位系统中，到达时差定位方法和到达方向定位方法均不易实现，因此本发明采用到达能量比进行辐射源无源定位。

到达能量比定位方法，是根据信号能量在介质中的衰减规律而提出的。在通常的均匀介质中，辐射源信号的能量衰减与距离的平方成反比。专利CN101339242A和K.C.Ho(K.C.Ho，Ming Sun，“An accurate algebraic closed-form solution for energy-based source localization，”IEEE Transaction on Audio，Speech and Language Proceeding，vol.15，no.8，November 2007，pp.2542-2550)都指出，空间上两个不同位置处传感器接收到信号的能量比确定一条圆曲线，辐射源位于该曲线上。若再有一对传感器确定另一个圆曲线，则两个圆交点即为辐射源的位置。

对于广泛使用的小型传感器，具有体积小、成本低、具有一定的处理与存储能力与传感器自定位能力等。这些特点使其非常适合在各种场景中快速部署，形成无源监测定位系统。

在实际应用中，辐射源都是有一定的海拔高度，即使在地面上，也有一定的海拔高度。专利CN101339242A和K.C.Ho提出的到达能量比定位方法都没有考虑辐射源所处的高度，在实际定位中这样处理往往会引入额外的误差，严重影响辐射源定位精度。因此，需要考虑辐射源所处海拔高度约束信息。实际应用大量关注的地面辐射源，它所在的区域海拔信息往往可以通过地理信息获得。

因此，构建基于达到能量比的无源定位系统时，需要考虑高度约束的影响，有必要发展一种高度约束下的到达能量比无源定位方法，用于实现辐射源的高精度定位，对于构建简单有效的定位系统具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有方法的不足，针对实际中常常存在的高度约束的定位模型，提供一种高度约束下达到能量比无源定位方法。这种方法能够充分利用到达能量比和高度约束的信息，以便于进行构建无源定位系统时，减小定位误差，提高定位精度。

本发明的技术解决方案是，辐射源的位置确定误差同时取决于到达能量比和高度约束，其特征在于，辐射源的位置定位误差与高度约束有关，应该首先通过覆盖区域的地理信息获得确定辐射源的高度，然后再对接收站的能量比测量数据进行处理，最终得到辐射源的位置坐标。采用无源定位系统获得如下参数：

接收站1、2、3的空间位置坐标(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)和(x₃，y₃，z₃)；

相对于接收站1，接收站2和3的测量的信号到达能量比g₂₁和g₃₁；

根据覆盖区域地理信息获得的辐射源高度近值h；

地球半径R_e；