[发明专利]联合无线电信号复包络和载波相位信息的超视距目标直接定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线电信号定位领域，特别涉及一种联合无线电信号复包络和载波相位信息的超视距目标直接定位方法。

背景技术

众所周知，无线电信号定位技术对于目标发现及其态势感知具有十分重要的意义，经过近几十年的发展，该技术在理论和工程应用中都取得了长足的进展。根据观测站的数目进行划分，可以将无线电信号定位体制划分为单站定位和多站定位两大类，前者具有系统简洁、灵活性高、无需信息同步和通信传输等优点，后者则能够提供更多的观测量，从而有助于取得更高的定位精度。本专利主要涉及到多站定位方式。在多站定位系统中，最重要的两类定位体制是多站测向交汇定位和多站测时差交汇定位。前者要求每个观测站安装天线阵列，各个观测站利用信号到达本站内不同天线的载波相位差估计信号方位，然后再在中心站进行交汇定位；第二种定位体制则要求估计信号复包络到达不同观测站的时延差，并利用时延差进行交汇定位。从所利用的信息来看，前者仅仅利用了到达信号的载波相位信息，而后者仅仅利用了到达信号的复包络信息。虽然这两类定位体制都有其自身优势，但是定位精度都存在较大的提升空间，为了大幅度提高多站定位精度，最好是能够同时利用到达信号的复包络和载波相位信息，并设计出合理的定位方法。

对于远距离目标而言，目标信号往往是通过超视距传播的方式到达各个观测站，最常见的一种传播方式是信号经过电离层折射后入射至地面观测站，在这种定位场景下人们通常采用多站测向交汇法进行目标定位，单在实际应用中该方法的定位精度并不高。事实上，若想对超视距目标进行精确定位，要求对信号的传播路径建立有效的数学模型，并且需要一些先验知识(例如电离层高度的先验观测)，除此之外还应尽可能地同时利用信号复包络和载波相位信息。因此，如何在获得电离层高度先验观测的基础上，通过联合信号复包络和载波相位信息实现对超视距目标的精确定位是十分有意义的课题，这也是本专利重点要解决的问题。另一方面，现有的无线电信号定位过程都可以归纳为两步估计定位模式，即首先从信号数据中提取定位参数(例如方位、时延差、多普勒等)，然后再基于这些参数解算出目标位置。虽然这种两步定位模式在现代定位系统中已被广泛应用，但以色列学者A.J.Weiss和A.Amar却指出了其中所存在的诸多缺点，并提出了单步直接定位的思想，其基本理念是从信号采集数据域中直接估计目标的位置参数，而无需再估计其它中间定位参数。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种联合无线电信号复包络和载波相位信息的超视距目标直接定位方法，借鉴单步直接定位模式解决超视距目标的定位问题，定位精度要比传统的两步定位模式高，这也是提高超视距目标定位精度的一种重要手段，相比于传统的针对超视距目标的多站测向交汇定位法，能够有效提高目标定位精度，并且可以在电离层高度先验观测的基础上进一步提高对电离层高度的估计精度，具有较快的收敛速度，无需高维搜索，是一种性能可靠、运算高效的定位方法。

按照本发明所提供的设计方案，一种联合无线电信号复包络和载波相位信息的超视距目标直接定位方法，具体包含如下步骤：

步骤1.对N个观测站的M通道阵列天线接收系统进行时间同步，根据奈奎斯特采样定理采集目标辐射的无线电信号数据，获得阵列信号时域数据；

步骤2.每个观测站将所采集到的Q个时域数据样本点做基2-FFT运算，得到阵列信号频域数据，其中，Q为2的整数次幂；

步骤3.每个观测站将所获得的阵列信号频域数据传输至中心站，中心站利用电离层高度的先验观测以及观测站的阵列信号频域数据建立最大似然参数估计准则；

步骤4.在最大似然参数估计准则的基础上，通过数学推演建立联合估计目标位置参数和电离层高度的数学优化模型；

步骤5.基于矩阵特征值扰动公式设计数值优化中的牛顿型迭代算法，利用数学优化模型中矩阵的最大特征值进行数值寻优，进行超视距目标的定位。