基于北斗的輻射源定位技術(shù)研究

南子薇

【摘要】 輻射源定位在生產(chǎn)生活中具有重要的意義，如違法電臺的偵測定位、搜救中的信號源定位等。本文的目的是實現(xiàn)輻射源準(zhǔn)確定位，利用北斗定位技術(shù)獲取接收天線的位置和絕對方位。利用壓縮感知理論，實現(xiàn)輻射源相對于天線的相對測向，通過空間后方交會原理，利用最小二乘法解算輻射源的位置。

【關(guān)鍵詞】 北斗 輻射源定位 壓縮感知

一、引言

無線電監(jiān)測與測向是實施無線電頻譜管理的重要手段，利用無線電監(jiān)測可以獲得大量無線電管理領(lǐng)域所屬無線電設(shè)備的工作狀態(tài)以及無線電頻譜信息和特征技術(shù)參數(shù)，它不僅能夠為無線電頻譜管理提供所需要的參數(shù)，而且可以為軍隊制定無線電頻譜管理和通信保障計劃提供技術(shù)支撐。

現(xiàn)有的信號源定位方法有許多種，可以采用振幅測向法，相位測向法等，由于對無線電信號在射頻上直接進(jìn)行信號的數(shù)字化處理存在技術(shù)上的困難，常規(guī)體制的無線電測向設(shè)備都是將各天線元接收的信號先在射頻前端以某種方式進(jìn)行合成，然后將合成信號通過信道接收機(jī)進(jìn)行數(shù)字化處理，由此導(dǎo)致各天線元信息無法得到充分利用，從而使測向設(shè)備的性能受到陣元數(shù)、陣列尺寸、波束寬度、電磁信號環(huán)境及場地等條件的限制。[1]為了適應(yīng)高精度、高分辨率測向定位的要求，采用空間譜估計測向方法，典型的算法是MUSIC（Multiple Signal Classification）算法，該算法在無線電信號測向領(lǐng)域產(chǎn)生了深刻影響，但是在測向時需要較多的觀測值，在緊急救援時造成不便。

本文利用北斗定位技術(shù)和壓縮感知理論，以實現(xiàn)輻射源的快速定位。利用北斗定位技術(shù)可以獲取接收天線的當(dāng)前位置和絕對方位。將壓縮感知理論應(yīng)用到輻射源定位中，可以解決傳統(tǒng)算法多觀測值、以及較多輻射源信號條件下難以定位的限制。當(dāng)接收天線在兩個或者兩個以上的位置獲取到信號源的入射方位后，則可以利用空間后方交會原理獲取輻射源的具體位置。

二、基于壓縮感知理論的輻射源定向

無線電測向就是確定正在工作的無線電臺（輻射源）的方位。通常以測向天線所在位置作為觀測參考點(diǎn)，在水平面0°～ 360°范圍內(nèi)考察目標(biāo)輻射源來波信號的方向，稱為來波信號的水平方位角。信號源測向原理如圖1。

壓縮感知理論表明， 當(dāng)信號具有稀疏性或可壓縮性時，通過采集少量的信號投影值就可實現(xiàn)信號的準(zhǔn)確或近似重構(gòu)。輻射源信號的潛在方位角是（ -90°～ 90°），然而實際輻射源信號的方位角只占潛在信號源方位角中很小的一部分，因此，潛在輻射源信號是可稀疏的，由此可利用壓縮感知理論，即可準(zhǔn)確獲取信號的入射角，實現(xiàn)信號源的定向這相對于MUSIC等算法，具有更高的可靠性，這部分研究小組已經(jīng)取得相關(guān)研究結(jié)論。[2]

三、基于北斗的輻射源定位

3.1信號源的絕對定向

利用壓縮感知理論對信號源進(jìn)行定向，只能獲取入射信號相對于天線的入射角，而天線的絕對方向是未知的。由于北斗衛(wèi)星在任一瞬間的位置可以通過導(dǎo)航電文提供的相關(guān)參數(shù)解算出來，因此通過對北斗衛(wèi)星進(jìn)行測向，就可以間接的獲取天線的絕對方向，如圖3。

信號源入射角為∠FOM，衛(wèi)星信號的入射源為∠SOF，設(shè)入射信號在天線法線左側(cè)進(jìn)入時，角度為負(fù)，右側(cè)進(jìn)入時角度為正。

當(dāng)前衛(wèi)星信號的入射角∠FOS可以通過天線測向獲取，則可得天線的方位角

∠NOF=∠NOS-∠FOS

為了提高天線定向的可靠性，對多顆北斗衛(wèi)星同時進(jìn)行觀測，獲取天線法線的方位角，取平均值作為最終天線法線的方位角。由于利用天頂方向的衛(wèi)星進(jìn)行天線定向誤差較大，因此建議選取高度角在60度以下的北斗衛(wèi)星進(jìn)行天線定向。

同理可以利用定向天線對信號源進(jìn)行測向，獲得入射角∠FOM。因此可得信號源的絕對方位角為

∠NOM=∠FOM+∠NOF

3.2信號源的絕對定位

設(shè)信號源的二維直角坐標(biāo)為（xm，ym），天線位置為（xO，yO），則天線到信號源的方位為：

如在兩個位置對信號源進(jìn)行了測向，同時利用北斗定位功能獲取每次測向時天線的二維直角坐標(biāo)，則可以通過空間后方交會原理獲得信號源的二維直角坐標(biāo)，如圖4。

當(dāng)測向站數(shù)超過兩個時，需要利用最小二乘法獲取輻射源位置的最優(yōu)解。[3]設(shè)輻射源近似二維直角坐標(biāo)為（xm0，ym0）。對（1）式進(jìn)行線性化得：

在1、2、3位置連續(xù)對信號源進(jìn)行測向時，如相鄰兩點(diǎn)連線恰好在信號傳輸方向上，此時無法利用交會原理進(jìn)行定位，應(yīng)舍去其中一點(diǎn)。

輻射源的定位可以采用單天線模式，也可以采用多天線模式。前者在最少兩個不同的位置進(jìn)行測向后定位，設(shè)備比較簡單。后一種方法采用兩個或兩個以上的天線同時測向，這種方式需要將各天線觀測數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理終端，因此需要數(shù)據(jù)鏈支持，設(shè)備造價高，但這種定位方式定位速度快。

總結(jié)：輻射源定位在日常生活以及軍事領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，北斗導(dǎo)航技術(shù)作為中國自主研發(fā)的導(dǎo)航定位與通信系統(tǒng)，在人們的日常生活中發(fā)揮著越來越大的作用。本文首先利用北斗系統(tǒng)的定位功能，實現(xiàn)測向天線的定位和定向。然后結(jié)合壓縮感知理論，利用較少觀測值，采用空間后方交會原理，準(zhǔn)確快速的獲取輻射源的二維坐標(biāo)值。最后由北斗導(dǎo)航，快速找到輻射源。研究結(jié)論具有一定的理論研究和實際應(yīng)用價值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王磊，張洪順.無線電監(jiān)測與測向定位[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011：128-136.

[2] 宮玉芳，蔣占軍，李新穎， 楊桂芹.基于壓縮感知的輻射源DOA估計方法研究.自動化與儀器儀表[J]2014：11（11）

[3] 武漢大學(xué)測繪學(xué)院測量平差學(xué)科組.誤差理論與測量平差基礎(chǔ)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2003：102-125.