基于超视距散射通信的无源编队定位方法及装置

本发明属于目标定位，具体涉及一种基于超视距散射通信的无源编队定位方法及装置。

背景技术：

1、电磁波能够借助大气层中不均匀性分布的粒子产生散射现象，通过散射传播实现超视距通信的无线电通信方式，定义为散射通信。散射通信的研发与应用，解决了由于天然地理因素(深湖、高山、丛林等)而隔绝数百公里的用户间超视距通信的难点。依据散射媒介，散射通信主要有对流层散射通信、流星余迹通信或反射通信、人造散射体散射通信。目前，对流层散射通信已经逐步走向成熟的应用阶段，人们在努力攻克对流层散射通信的一些技术难点，引入相关先进的通信技术，比如新的分集合并技术，好的信道编码技术，信道交织技术以及自适应的调制方式等，使对流层散射通信可以达到高容量，高稳定性的应用。

2、目前，对流层散射通信受到了国内外军事强国的广泛关注，散射通信具有单跳距离远，保密性强，抗干扰能力出色，不受天气地形等环境约束等特点。战场通信的环境十分恶劣，炮弹，核爆，导弹等都会对无线信道产生一定的影响，还包括敌方的电子干扰，信息截获等。散射通信是利用对流层散射体散射，所以不受环境所限，有时特殊的极端天气还可能会提高散射通信的可靠性，而且散射通信的天线波束窄，在空中电磁波不容易被敌方截获，对流层散射通信有着其它通信体制不能比拟的在军事环境下通信的高可靠性和高稳定性，被认为是未来战场上最重要的通信手段之一，所以散射通信具有广泛的应用场景。

3、对流层介质的不均匀性所导致的电磁波散射、折射、反射等现象，不仅会提高系统的功率损耗，同时也造成了散射信道的衰落特性，使得系统传输多径量增多、相位偏移较大等。电磁层区域内介质分布不均，大气辐射的透射能力也因区域特性不尽相同，且由地球自转与公转产生的昼夜交替、四季轮转会对太阳辐射产生影响，进而在不同电子密度和经纬度上形成不同分层。不同分层的差异性体现在：各层具体的分布持续时间不等、不同层适宜的传输频率不同、不同层匹配的信号强度与传输范围不同；由于信号传输中客观存在的电磁波经散射体散射、折射、反射等现象，信号到达接收端时的传输路径不同、到达的时间也有所差异，造成了多径传输效应，且相对而言，散射通信中的多径数目偏多。多径效应使得接收端信号的脉冲扩展，引起了时延扩展。

4、从多普勒扩展角度切入，多普勒频移导致了多普勒扩展。在对流层中，带电离子的无序运动、散射体的无规则变化、电磁波在其中发生的发射与折射现象等都能够引起每径的多普勒频移，进一步导致多普勒扩展。从统计及测算数据来看，对流层移动与变化程度较小，因此对流层散射信道的多普勒扩展相对较小，信道衰落变化可归属于慢衰落情况。对流层的多普勒扩展在一天中随时间变化有不同的体现，与时延扩展的情况类似，一般仅在日出与日落时出现较大的多普勒扩展，一天中其它时间多普勒扩展都保持在较小值。

5、在散射通信的背景下实现定位，无源定位是最合适的定位方式。目前，无源定位在雷达、声纳和传感器网络等领域均有广泛的应用，早在电子对抗初期就已经被应用于电子侦察方面。当时人们只是利用一些简单的设备，对辐射源多次进行测向，再通过作图的方法来对目标的位置信息进行确定。随着科学技术的发展以及无源定位在电子对抗方面的作用越来越重要，无源定位逐渐成为一门专门的技术，被大力地发展起来。如今，人们对于无源定位的研究重点着眼于如何提高对目标的定位精度，如何尽量缩短定位时间，以及如何对运动目标实现快速准确的定位，并较好地估计其航迹。

6、在无源定位领域，存在以下现有技术：

7、(1)chan算法：chan算法也称两步加权最小二乘法，是对最大似然估计的近似。其核心思想是首先将到达时差(tdoa)观测值和基站位置信息建立的非线性方程组转换为未知量和中间变量组成的线性方程组，利用最小二乘法求出声源位置的一个初步值，然后根据中间变量和未知变量之间的关系，最后利用最小二乘法求出声源位置的改善值。该算法的优点是计算量小，在噪声服从高斯分布的环境下定位精度高，但是在nlos(非视距)环境下，chan算法的定位精度会显著下降。

8、(2)泰勒级数算法：泰勒级数算法是需要一个初始估计位置的递归算法，在每一次递归中求解tdoa测量误差的局部最小二乘(ls)来改进估计位置。直接对式(2-16)所示的非线性方程组进行求解是不太容易的，将方程组中的各式进行泰勒级数展开，并利用迭代的方式求解，这就是利用泰勒级数法来求解定位问题。

9、泰勒级数法是一种需要目标初始位置估计的递归算法，在初始目标位置选取较好的情况下，泰勒级数法的定位精度很高，并且算法收敛很快。但是，若初始目标位置选取不好，泰勒级数法计算量很大且很容易落入到局部极小点，收敛性难以保证。

10、(3)约束加权最小二乘算法：参考图1，首先假设za＝[x,y,z,r1o]内x,y,z,r1o相互独立，将非线性方程转化为伪线性方程；其次利用与x,y,z之间的关系提高定位精度。在利用伪线性方程求解x,y,z,的过程中由于忽略了噪声的二次项，当噪声较大时会出现门限效应。因此该方案在传统wls算法的基础上加入限制条件：在第一步wls算法中利用辐射源到基站1的距离恒为非负数作为限制条件，通过cwls算法求得za；在第二步中以(u-s1)⊙(u-s1)≥0作为限制条件，并最终求得辐射源位置，其中u＝[x,y,z]t为目标坐标，基站坐标为si＝[xi,yi,zi]t(i＝1,2,...,n)。该方案需要多次迭代求解目标到观测站的距离，才能得到辐射源位置，因此复杂度较高。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于超视距散射通信的无源编队定位方法及装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、第一方面，本发明提供了一种基于超视距散射通信的无源编队定位方法，包括：

3、s100，通过多个基站向目标编队中的目标发射信号，以使目标接收经对流层散射的多个发射信号；

4、s200，每个目标根据接收到的信号以及目标之间的相对坐标差，定位出自身的三维坐标；

5、s300，根据三维坐标确定自身所在位置。

6、第二方面，一种基于超视距散射通信的无源编队定位装置，包括：

7、发射装置，用于通过多个基站向目标编队中的目标发射信号，以使目标接收经对流层散射的多个发射信号；

8、定位装置，用于每个目标根据接收到的信号以及目标之间的相对坐标差，定位出自身的三维坐标；

9、确定装置，用于根据三维坐标确定自身所在位置。

10、第三方面，一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；

11、存储器，用于存放计算机程序；

12、处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现第一方面所述的方法步骤。

13、第四方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一方面所述的方法步骤。

14、有益效果：

15、本发明提供了一种基于超视距散射通信的无源编队定位方法及装置，过多个基站向目标编队中的目标发射信号，以使目标接收经对流层反射的多个发射信号；每个目标根据接收到的信号以及目标之间的相对坐标差，定位出自身的三维坐标；根据三维坐标确定自身所在位置。本发明在时延误差较大的情况下，增加多个定位目标形成目标编队。在本发明定位环境中，基站发射的信号存在由多径效应导致的时延误差，因此选择通过目标之间的相对位置提高整体定位精度。

16、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。