其中，d表示阵元间距离。
[0069] 空间夹角的引入使得方位角和俯仰角二维信息变成一维，从而大大减小了相位差 数据库中的数据，即数据库中存储阵元间的仿真相位差及空间夹角，如下：
[0070]
[0071] 其中，Φ 'm,n表示第m个阵元与第η个阵元之间的仿真相位差，dm,n表示第m个阵元与 第η个阵元间的距离，f表示信号源的中心频率，c表示信号的传播速度。
[0072] 本发明利用仅包含多普勒相位的仿真信号直接提取相位，再求取相位差，根据公 式(6)可获得对应的空间夹角，从而可建立包含空间夹角的仿真相位差数据库。
[0073] 在得到空间夹角后，再由如公式(5)所示的入射方向与空间夹角的关系，进而求得 入射方向说炉)。
[0074] 步骤七中，通过与数据库匹配得到空间夹角，以求取入射方向角。为了克服传统的 相关系数作为相似度函数产生多解的问题，本发明采用欧氏距离作为相似性度量函数，表 示如下，
[0075]
[0076] 其中，△ Φ表示实测相位差与数据库中仿真相位差的差值，I为阵元间相位差的个 数，α为空间夹角，Φ 'm,n表示数据库仿真的相位差，φη,n为实测相位差。此函数很好地解决 了多解的问题，从而得到更加精确的入射方向角。
[0077] 图10是实测信号在入射方向为（170°，50°)的准多普勒相位波形图，图11是利用欧 氏距离最小函数找到的角度为（172°，59°)的准多普勒相位波形仿真图，可以看出实测和仿 真的相位波形较为相似，表明了采用此种相关干涉法和多普勒测向原理相结合的方法可以 很好的解决高频段超短波信号相位模糊的问题。
[0078] 步骤八中利用时延估计值和入射方向角联合定位，具体方法如图12所示，将时延 估计值与双站形成的双曲线作为目标方程，方位角与单通道阵列形成的直线作为约束方 程，采用牛顿法优化算法得到目标源的坐标位置。如图12所示，在已知接收站1准多普勒天 线阵的坐标(XI，y 1，ζι)，接收站2参考天线的坐标(Χ2，y2，Ζ2)的情况下，通过测得的入射方向 角与目标源形成的直线以及双站时延估计得到的双曲线的交叉点进行联合定位。
[0079] 利用估计的时延和俯仰角、方向角采用优化算法对目标(x，y，z)进行联合定位，具 体求解过程如下：
[0080] 首先利用俯仰角供将三维坐标转为二维坐标，即
[0081]
[0082] 再利用惩罚函数SUMT外点法求解如下公式：
[0083]
[0084]公式（7)中，D = tXC为信号到达双站的距离差，这里τ表示时延估计值，C为光速， 通过求解约束优化方程(9)得到目标坐标(X，y，ζ)。
[0085]图13为实测的目标源定位结果图，目标源为915MHz的超短波MSK信号，降到零中频 后，利用312.5KHz的采样率对信号进行采样，开关转速5KHz。图14为PSK超短波信号定位仿 真图。两图中，圆圈表示双站的位置，三角形表示目标源的实际位置，星形表示估计的目标 源位置。从图13和图14中可以看出采用本发明方法，定位较为准确，具有重要的实际应用价 值。
【主权项】
1. 一种单通道双基站超短波信号空间定位方法，其特征在于，采用两个接收站，接收站 一采用单通道准多普勒天线阵，接收站二为参考天线，所述定位方法实现步骤如下： 步骤一:将准多普勒天线阵和参考天线利用GPS进行同步； 步骤二:设置准多普勒天线阵单通道开关控制器的开关工作模式处在停留模式，准多 普勒天线阵和参考天线同步接收超短波信号;所述的停留模式下，开关静态连通准多普勒 天线阵中的某一根天线； 步骤三:对步骤二得到的两路信号求取时延估计值； 步骤四：设置准多普勒天线阵单通道开关控制器的开关工作模式处在连续切换模式， 准多普勒天线阵和参考天线同步接收超短波信号;所述的连续切换模式下，开关以设定的 角频率在准多普勒天线阵的天线中进行切换； 利用步骤二得到的两路同步信号对本步骤准多普勒天线阵接收的信号消除调制信息 和初始相位，得到仅包含准多普勒相位的信号； 步骤五:对步骤四得到的准多普勒信号提取相位，并求取相位差； 步骤六:利用理论的准多普勒天线阵建立包含空间夹角的仿真相位差数据库； 步骤七:将实测的相位差，在包含空间夹角的仿真相位差数据库中进行相似性度量，得 到相似性最大的仿真相位差所对应的空间夹角，将空间夹角转换为所要估计的俯仰角和方 向角； 步骤八:利用估计的时延和俯仰角、方向角对目标进行定位，具体是:将时延估计值与 双站形成的双曲线作为目标方程，将方位角与单通道阵列形成的直线作为约束方程，采用 牛顿法优化算法得到目标源的坐标位置。2. 根据权利要求1所述的一种单通道双基站超短波信号空间定位方法，其特征在于，所 述的步骤二中，对两路信号，首先采用样条插值，求取分数时延，再利用希尔伯特差值与相 关函数相结合的方法求取窄带信号的时延估计值。3. 根据权利要求1所述的一种单通道双基站超短波信号空间定位方法，其特征在于，所 述的步骤六中，建立包含空间夹角的仿真相位差数据库的方法是： (1) 建立各方向角的单脉冲准多普勒仿真信号；其中，χ(η，θ)表示第n个阵元在方向角为Θ下的单脉冲准多普勒仿真信号，λ为超短波信 号波长，r为准多普勒天线阵的半径，Ν为准多普勒天线阵阵元个数，Ρ为俯仰角，Θ为方向 角； (2) 利用仅包含多普勒相位的仿真信号直接提取相位，再求取相位差；Sn(t)表示第η个阵元t时刻的仅包含多普勒相位的仿真信号； (3) 引入空间夹角，空间夹角是指入射信号方向与天线基线之间的夹角；对于0、A两阵 元间相位差Φ QA与空间夹角α的关系为：其中，d表示阵元间距离； (4) 第m个阵元与第η个阵元之间的仿真相位差Φ 'm,n与空间夹角α的关系为：其中，dm,n表示第m个阵元与第η个阵元间的距离，f表示信号源的中心频率，c表示信号 的传播速度； (5) 根据(2)中求取的相位差，根据(4)中关系得到对应的空间夹角，从而建立包含空间 夹角的仿真相位差数据库。4. 根据权利要求1所述的一种单通道双基站超短波信号空间定位方法，其特征在于，所 述的步骤七中，采用欧氏距离作为相似性度量函数，进行相似性度量； 所述的相似性度量函数表示为：其中，Α Φ表示实测相 位差与仿真相位差的差值，I为阵元间相位差的个数，α为空间夹角，Φ 'm,n表示数据库仿真 的相位差，Φn为实测相位差。5. 根据权利要求1所述的一种单通道双基站超短波信号空间定位方法，其特征在于，所 述的步骤八中，通过测得的入射方向角与目标源形成的直线，以及双站时延估计得到的双 曲线的交叉点对目标进行联合定位，实现过程为： 首先，利用俯仰角0将三维坐标转为二维坐标，如下：其中，（x，y，z)为目标坐标； 然后，再利用惩罚函数SUMT外点法求解如下公式：其中，Θ为方向角，（Xl，yi，Zl)为接收站一准多普勒天线阵的坐标，（X2，y2，Z2)为接收站 二参考天线的坐标;D = tXC为信号到达双站的距离差，τ表示时延估计值，C为光速。
【专利摘要】本发明公开一种单通道双基站超短波信号空间定位方法，属于超短波无线电定位技术领域。本方法利用单通道的准多普勒天线阵和参考天线组成的双站定位系统，将仿真信号直接提取相位作为数据库，利用空间夹角把方位角、俯仰角二维信息转化为一维信息，采用相似性度量函数对数据库和实测相位进行匹配搜索，求取目标源所在方位角。本发明方法实现了对空中的超短波射频信号进行精确定位，提高了测向系统的实时性，降低了系统成本和复杂度，可节约大量人力及资金，具有重要的实际意义。
【IPC分类】G01S5/02
【公开号】CN105676171
【申请号】CN201610004082
【发明人】李景春, 邱天爽, 夏楠, 金芳晓, 戚寅哲, 张小飞, 王文帅
【申请人】国家无线电监测中心, 大连理工大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年1月4日...