[发明专利]一种基于互谱子空间正交性的直接定位方法

说明书

本发明公开了一种基于互谱子空间正交性的直接定位方法，首先选取参考节点，将其接收信号设为参考信号，对所有接收信号进行分段；其次，计算分段后的接收信号与参考信号之间的互谱，并对所得互谱的有效部分的协方差矩阵进行特征值分解；然后，利用子空间的正交性构造互谱下的代价函数；最后，通过搜索这些代价函数在目标区域网格点上的叠加来确定辐射源的位置。与其他直接定位方法相比，本方法具有更高的准确度和更低的复杂度。在多径环境中，本方法也能保持较高的估计性能。由于每个监测节点只架设单个定位传感器，因此相对基于天线阵列的直接定位方法具有更低的硬件成本。

技术领域

本发明涉及无源定位领域，尤其涉及一种基于互谱子空间正交性的直接定位方法。

背景技术

无源定位技术因其隐蔽性强、定位精度高而日益成为一种重要的定位方法，在军事和民用领域都得到了广泛的研究和应用。根据定位站的拓扑结构，辐射源定位可分为单站和多站辐射源定位。前者易于实现，但精度较低；后者实现复杂，但性能更好。定位站可分为基于阵列的定位站和基于单传感器的定位站，其中基于单传感器的定位站成本较低。在实际应用场景中，由于信道传播的复杂性和多样性以及接收机周围的环境，源信号和观测站之间往往存在多径传播。作为无源定位的重要组成部分，两步定位法首先需要测量中间参数，如到达方向(Direction of Arrival,DOA)、到达时间(Time of Arrival,TOA)、到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)、接收信号强度(Received SignalStrength,RSS)，然后用这些参数建立定位方程并计算目标位置。在多站定位中，基于时差的方法以其低复杂度和实时可用性而受到广泛应用，其关键技术是时延估计(Time DelayEstimation,TDE)。在两步定位中，中间参数的测量过程与目标位置的计算无关，这导致目标和观测站之间缺乏空间几何约束。

与两步定位不同，直接位置(Direct Position Determination,DPD)方法不需要估计中间参数，并且在低信噪比下的准确度优于传统的两步方法。然而，DPD算法往往面临矩阵高维运算造成的算法复杂度较高的问题。此外，为了避免基于阵列的DPD方法带来昂贵的硬件成本，出现了基于TDOA的DPD方法，其中每个观测站都配备了单个传感器。随着电磁环境的日益复杂，信号在多径环境中传输会导致许多无源定位算法产生较大的误差，因此目前针对多径环境的无源定位方法还有较大的提升空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于互谱子空间正交性的直接定位方法，基于TDOA定位场景，通过对多径信号间互谱的获取，将包含不同节点到辐射源的时延差信息的因子分离出来，建立代价函数，利用谱峰搜索的方式找到符合子空间正交性的辐射源估计位置。通过空间平滑技术处理可能存在相关信号的互谱，可以使定位结果更加准确。此外，利用低成本的单传感器分布式节点接收来自辐射源的信号，通过对其他信号与参考信号求互谱，避免直接对接收信号处理，减少了计算量；并通过数据分段和对互谱有效部分的筛选来降低复杂度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于互谱子空间正交性的直接定位方法，包括以下步骤：

步骤1)，在L个位置已知的监测节点接收来自未知位置辐射源p的信号，将L个接收信号传输至中心站点，L≥3，并选择其中一个监测节点作为参考节点；

步骤2)，对L个接收信号进行均匀分段，将每个接收信号分为K段；将参考节点的接收信号作为参考信号；对于另外L-1个接收信号中的每一个接收信号，将其第k段接收数据和参考信号的第k段接收数据进行互相关的求解，k＝1,...,K，得到(L-1)×K个互相关函数；依次对得到的互相关函数进行离散傅里叶变换得到其对应的互谱；

步骤3)，对互谱的有效部分的协方差矩阵进行特征分解，得到其噪声子空间和信号子空间，根据噪声子空间和信号子空间的正交性，构造在该互谱下的代价函数；