一种基于短波单站侦收定位一体化方法及系统与流程

本发明属于短波通信侦收和单站定位的，更具体地，涉及一种基于短波单站侦收定位一体化方法及系统。

背景技术：

1、短波频段中重要信号占信号总数的30％以上，短波通信在很多场合发挥着重要作用，对短波信号进行侦收、测向与定位也至关重要。

2、短波通信存在频段窄、通信容量小、信号拥挤、通信速率不高、信号传输稳定性差、受大气和工业无线电干扰较重等缺点。尽管如此，由于短波通信具有系统组件方便、抗毁能力较强、可实现远距离乃至全球通信、成本较低和维护较方便等优势。

3、但短波通信的远距离传输需要借助电离层反射作为传输信道，受电离层高度和电子浓度等参数时变特性的影响，信号会发生畸变失真，频率偏移和极化旋转。经过电离层反射的电磁波会分裂为两个圆偏振波分量，一个为寻常波(o波)，对应左旋波；一个为非常波(x波)，对应于右旋波。二者具有自旋方向相反的极化状态，影响信号接收、信息还原和测向定位的精度。现有侦收设备采用标量化接收技术，即要么采用垂直极化天线接收，要么采用水平极化天线接收，难以解决短波极化旋转带来的信号失配问题；同时现有侦收装备的单站定位算法中，由于未将空域和极化域联合估计，导致对来波的多径分离参数不准确，效果不佳，导致单站定位精度不高，不能满足功能使用需求；同时现有阵地的测向算法技术，未将不同的高程差考虑在内，信息要素不全，不能满足高准确度俯仰角测量的要求。短波信号侦收、定位系统中，基于单个站点(阵地)的侦收、测向和定位一体化系统，提升单站定位精度，一直是短波信号侦收、测向与定位追求的目标。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种基于短波单站侦收定位一体化方法及系统，旨在解决现有侦收设备采用标量化接收技术，难以解决短波极化旋转带来的信号失配问题；同时现有侦收装备的单站定位算法中，由于未将空域和极化域联合估计，导致对来波的多径分离参数不准确，单站定位精度不高，不能满足功能使用需求的问题。

2、为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种基于短波单站侦收定位一体化方法，包括以下步骤：

3、将多个天线阵元根据实际地形布阵，构建相控阵天线阵列；其中，在每个阵元上至少包含三幅天线，分别为一幅垂直极化天线和两幅水平极化天线；

4、采用短波多通道直采接收机同步采样短波辐射源信号，获取短波接收信号；

5、对短波接收信号数字化后，构建含有空域和极化域的四维空间谱方程；

6、将四维空间谱方程的协方差矩阵作为深度神经网络的输入，对辐射源来波多径分离，输出短波辐射源信号不同径的导向矢量估计；其中，导向矢量估计包括到达角和极化参数；

7、采用到达角和极化参数，构建包含高低俯仰角来波方向的参数方程，求解地心角，进而获取辐射源与接收站点间的距离。

8、进一步优选地，所述短波接收信号为：

9、

10、其中，m表示多径数目；gi表示第i条径的复衰落；a(φi)表示第i条径入射到阵列得到的空域-极化域矢量；τi和νi分别表示短波辐射源信号在电离层传播过程中不同的传播路径产生的延时和频移；n(t)为加性复高斯白噪声；s(t-τi)为短波辐射源信号传播τ时刻后的信号，φi为第i条路径的空域-极化域联合向量；每条径代表辐射源到阵元的一条路径。

11、进一步优选地，所述四维空间谱方程为：

12、

13、其中，g1、g2、…、gd分别为短波接收信号的复包络；s(τi，vi)为在第i条径上短波辐射源信号经过τ时延和v频移后的接收信号，n为噪声矢量。

14、进一步优选地，四维空间谱方程的协方差矩阵为：

15、r＝e[xxh]＝ae[ssh]ah+e[nnh]＝arsah+rn

16、其中，s为接收信号矢量；上角标h表示取共轭转置操作；r为四维空间谱方程的协方差矩阵；e为取期望值运算；a为短波接收信号的导向矢量；rn和rs分别为短波接收信号和噪声的协方差矩阵。

17、进一步优选地，包含高低俯仰角来波方向的参数方程为：

18、

19、其中，r0为地球半径；θ为地心角；分别为短波辐射源信号经过电离层不同分层后到达接收站点，估计得到的到达高仰角和到达低仰角；c为射线传播速度；τ为高仰角和低仰角两种不同模式传输时的时延差。

20、进一步优选地，所述短波接收信号与导向矢量的关系为：

21、

22、其中，as为短波辐射源信号的空域导向矢量；ap为短波辐射源信号的极化域导向矢量；s(t)为接收信号。

23、另一方面，本发明提供了一种基于短波单站侦收定位一体化系统，包括：双极化接收单元和数字信号处理机；双极化接收单元包括双极化相控阵天线和多通道直采接收机；

24、所述双极化相控阵天线通过电缆与多通道直采接收机相连；多通道直采接收机通过光纤与数字信号处理机相连；

25、所述双极化相控阵天线中的多个天线阵元根据实际地形布阵，其中，在每个阵元上至少包含三幅天线，分别为一幅垂直极化天线和两幅水平极化天线；

26、所述多通道直采接收机用于同步采样短波辐射源信号，获取短波接收信号；

27、所述数字信号处理机用于对短波接收信号数字化后，构建含有空域和极化域的四维空间谱方程；将四维空间谱方程的协方差矩阵作为深度神经网络的输入，对辐射源来波多径分离，输出短波辐射源信号不同径的导向矢量估计；其中，导向矢量估计包括到达角和极化参数；采用到达角和极化参数，构建包含高低俯仰角来波方向的参数方程，求解地心角，进而获取辐射源与接收站点的距离。

28、进一步优选地，短波接收信号为：

29、

30、其中，m表示多径数目；gi表示第i条径的复衰落；a(φi)表示第i条径入射到阵列得到的空域-极化域矢量；τi和νi分别表示短波辐射源信号在电离层传播过程中不同的传播路径产生的延时和频移；n(t)为加性复高斯白噪声；s(t-τi)为短波辐射源信号传播τ时刻后的信号，φi为第i条路径的空域-极化域联合向量；每条径代表辐射源到阵元的一条路径；

31、所述短波接收信号与导向矢量的关系为：

32、

33、其中，as为短波辐射源信号的空域导向矢量；ap为短波辐射源信号的极化域导向矢量；s(t)为接收信号。

34、进一步优选地，所述四维空间谱方程为：

35、

36、其中，g1、g2、…、gd分别为短波接收信号的复包络；s(τi，vi)为在第i条径上短波辐射源信号经过τ时延和v频移后的接收信号，n为噪声矢量。

37、进一步优选地，包含高低俯仰角来波方向的参数方程为：

38、

39、其中，r0为地球半径；θ为地心角；分别为辐射源信号经过电离层不同分层后到达接收站点，估计得到的到达高仰角和到达低仰角；c为射线传播速度；τ为高仰角和低仰角，两种不同传输模式的时延差。

40、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

41、本发明提供了一种基于短波单站侦收定位一体化方法及系统，其中，在后端数字信号处理机中，构建包含高程参数的空域和极化域的四维空间谱方程，采用深度神经网络的方法，实现多径分离，提升了多径分离的精度，为后续的多径合并、信号重构与还原提供了精准参数保障；通过构造多个不同俯仰角来波方向的参数方程，求解得到地心角，从而得到辐射源和接收站点之间的大圆距离，实现在不需要电离层参数情况下的被动单站定位，解决传统单站定位精度不高的问题，从而构建满足实际工程使用的短波单站侦收定位一体化系统。

42、本发明提供了一种基于短波单站侦收定位一体化方法及系统，其中，使用包含水平极化天线和垂直极化天线的双极化天线，在一个塔上按高低位置部署不同天线，提高了来波俯仰角的测量精度，天线阵元可以部署在丘陵和山地，降低了对土地要求的难度。