基于方位角的“低慢小”目標定位算法研究

鄔赟，譚文群，吳慧東，李金玲

摘要：隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，以無人機為代表的低慢小飛行器得到了蓬勃的發(fā)展，而此類飛行器具有成本低，容易獲取的特點，因此常被不法分子利用，其對國家安全和人民生活帶來了很大的威脅。本文主要對此類目標的定位算法進行研究，其中主要研究基于方位角信息的目標定位算法，利用實際仿真環(huán)境對僅有兩個接收站接收到目標信號情況下的定位性能進行分析。

關(guān)鍵詞： 低慢小目標;方位角;目標定位

中圖分類號：TN953? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）19-0139-02

1 引言

低慢小目標主要是指目標飛行高度低，速度慢，體積小的飛行器，其主要包括無人機、動力傘和熱氣球等[1-3]。隨著科技的發(fā)展此類飛行器的性能越來越強大，例如低慢小目標的典型代表無人機，其不但可以攜帶高清攝像頭，利用5G通信技術(shù)實時傳送高清畫面，其同樣可以被不法分子改裝后攜帶小型武器對國家安全帶來威脅。而在我國以大疆公司為代表的廠商在無人機的性能和性價比上均屬于全球領(lǐng)先水平并且每年銷量龐大，此類低慢小飛行器非常容易獲得，因此近些年來我們經(jīng)常可以看到媒體報道無人機被不法分子利用威脅國家安全和侵犯人們生活隱私等[4-7]。近幾年，有關(guān)部門出臺了一些相關(guān)的管控措施對無人機等飛行器進行控制。而對此類低慢小目標管控的關(guān)鍵是發(fā)現(xiàn)目標并對目標進行定位跟蹤，以便相關(guān)部門對其進行進一步的處理。因此有必要對此類目標定位算法進行系統(tǒng)性的研究。

目標定位算法的原理是利用接收機通過有源或者無源的方式獲得觀測參數(shù)，然后利用觀測到的不同參數(shù)對目標進行定位解算。其根據(jù)目標和定位系統(tǒng)的不同，接收機接收到的參數(shù)主要包括方位角、時間差和多普勒頻率等。因此常用的目標定位算法主要包括時間差定位、方位角定位、多普勒定位以及各種組合定位算法。由于低慢小目標存在飛行速度慢的特點，其多普勒信息不明顯，因此針對低慢小目標主要采用時間差和方位角信息對其進行定位。前期本團隊已針對時間差的低慢小目標定位進行了系統(tǒng)性的研究[8]，但采用時間差定位需要最少三個以上的接收站接收到目標，而當接收站只有兩個站接收到目標時，需要采用方位角的信息對其進行定位。下面本文主要在上篇論文的基礎(chǔ)上對基于方位角的兩站無人機定位性能進行研究。

2 基于方位角的“低慢小”目標定位

低慢小目標定位過程中主要獲得的信息為方位角和時間差，其相應(yīng)的定位模型下圖所示。

基于時間差的低慢小目標定位模型，其原理為利用發(fā)射站發(fā)射無線電波探測目標，當探測到目標時，無線電波的直達波和反射波構(gòu)成一組時差參數(shù)。當在低慢小目標定位系統(tǒng)中，同時有3個接收站獲得時差信號參數(shù)時即可對目標位置進行定位解算。而在實際定位過程中，由于無人機低空飛行的特點，無線電信號容易被建筑物遮擋，因此可能在同一時間只有兩個接收站檢測到目標。圖1給出了在只有兩個接收站接收到目標反射信號的低慢小目標定位系統(tǒng)，其定位原理是一個接收站除了可以接收到時間差信息外，還可以獲得目標的方位角和俯仰角信息，由于實際定位系統(tǒng)中接收機獲得的俯仰角信息誤差比較大，因此一般采用方位角結(jié)合時差信息對目標進行定位。下面給出圖1基于方位角的低慢小目標定位系統(tǒng)的參數(shù)方程。

1）方位角參數(shù)方程：

[θ1=arctan（y-y1）（x-x1）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

2）時間差參數(shù)方程：

[TDOA1=（τT，0+τT，1-τ1）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中：

[τT，0=（x-x0）2+（y-y0）2+（z-z0）212]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

[τt，1=（x-x1）2+（y-y1）2+（z-z1）212]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

[τi=（x0-x1）2+（y0-y1）2+（z0-z1）212]? ? ? ? ? ? ? ? （5）

當?shù)吐∧繕硕ㄎ幌到y(tǒng)中僅有兩個接收站接收到目標反射信號時，可以利用每個接收站接收到的方位角和時間差信息構(gòu)建4個方程對目標的位置進行定位解算，最終獲得目標坐標[（x，y，z）]。此定位方法可以解決低慢小實際定位過程中信號容易被建筑物遮擋而導致的同一時間只有兩個接收機接收到信號的問題。下面將利用實際應(yīng)用場景對該定位算法進行仿真分析。

3 “低慢小”目標定位仿真性能分析

本文在文獻[8]的基礎(chǔ)上對基于方位角的低慢小目標定位算法進行進一步仿真，仿真過程中采用定位精度的幾何稀釋（GDOP）等高線圖來比較定位方法的精度[9]。以南昌工程學院瑤湖校區(qū)作為低慢小目標定位實際應(yīng)用場景，假設(shè)監(jiān)測的目標為非法闖入校園進行偷拍活動的無人機，在學校的不同建筑物架設(shè)了多個接收機，發(fā)射機架設(shè)在學校中心的一食堂，其他接收機架設(shè)分別架設(shè)在圖書館、教師公寓和三食堂附近。下面分兩種情況進行仿真比較。

1）假設(shè)時差誤差為20ns、方位角誤差為1o，比較不同高度層基于方位角定位性能。仿真GDOP結(jié)果如圖2。