專利名稱：一種低空飛行目標無源定位方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及無線通信技術領域，特別是涉及對無源移動目標的定位。
背景技術：
CDMA蜂窩網早己成功商用并且非常完善，使用CDMA蜂窩網系統的民用信號進行飛行目標的無源定位具有以下特點①信號可以重構有利于偵收設備有效的進行信號的搜索、捕獲；②擴頻增益高；有利于弱信號的檢測；③基站間嚴格同步，同步精度在100ns以內，有利于TDOA(Time Differenceof Arrival)觀測方程的建立；④CDMA基站間信號導頻偏置為64chip＝52μs，有利于始發基站信號的識別；⑤測距精度高，有利于定位精度的提高。在文獻[Peiguo Liu；Jibin Liu.Analysis of passive targets detectionusing CDMA signal.VLSI Design and Video Technology，2005.Proceedingsof 2005 IEEE International Workshop on.28-30 May 2005 Page(s)408-410.]中描述了使用CDMA移動蜂窩網系統構造雙基雷達實現飛行目標的無源定位系統關鍵技術。
但是直接使用CDMA基站信號進行飛行目標的無源定位存在以下難題①對于遠距離目標定位成功率低；②作用距離小，弱信號檢測難度大；③直達信號和雜波抑制難度大。為解決作用距離過小和定位成功率較低的困境，一些單位和機構設計具有民用信號的發射機，但是這種設備需要基帶處理和授時功能，設備價格較高，對民用頻段干擾較大。
發明內容
本發明針對現有技術的上述缺陷，提出一種基于直放設備的CDMA蜂窩網低空飛行目標無源定位方法及系統。在CDMA網絡中加入直放設備，采用直放設備直接將CDMA基站的信號轉發出去，利用直放設備和偵收設備功率調整以及天線的方向性可有效地解決無源定位系統直達信號對發射信號的干擾以及系統的作用距離問題。
本發明解決上述技術問題的技術方案是建立一種蜂窩網無源定位系統，使用CDMA蜂窩網基站的信號作為無源偵測信號，在CDMA網絡中放入直放設備，對CDMA基站的信號進行放大和轉發，設置CDMA基站信號偵收設備(Receiver)，偵收設備對目標的反射信號進行檢測和估計，判斷目標是否為待測目標，如是待測目標，將檢測和估計的參數發送到控制中心存儲器；位置確定單元根據控制中心接收的參數情況建立距離觀測方程，求解目標位置坐標。
直放設備和偵收設備天線方向對準監測目標來向，偵收設備與直放設備相距一定距離；偵收設備將獲取的參數發送到位于控制中心的位置確定單元(PDU)；控制中心通過有線或無線方式與每個偵收設備相連，獲取偵收設備的參數信息和控制信息。
直放設備應避免放置在其接收天線方向有多個(三個以上)移動通信系統基站導頻信號強度相當的位置。
位置確定單元根據信號的參數特性確定所接收信號是否為低空飛行目標的反射信號，并利用偵收設備檢測參數和數據庫存儲參數建立觀測方程，求解觀測方程，得倒無源低空飛行目標的位置坐標。
由于直放設備的電延遲和目標的動態特性，在時域和頻域上，原CDMA基站信號和反射信號可以完全錯開，有利于弱反射信號的檢測和估計。
本發明還提出一種蜂窩網無源定位方法，在CDMA通信網絡中設置直放設備、偵收設備，使用CDMA基站信號作為無源偵測信號，直放設備對CDMA基站信號進行放大和轉發；偵收設備調整信號的搜尋窗位置和寬度，并對目標的反射信號進行檢測和估計，判斷目標是否為待測目標(即低空飛行目標)，如果是待測目標，將檢測和估計的參數發送到控制中心存儲器中，位置確定單元設置在控制中心，位置確定單元根據控制中心接收到的參數情況，調用存儲器中的參數建立距離觀測方程，求解目標位置坐標。
目標的反射信號包括信號到達時間、信號強度、信號到達角度、CDMA基站的地理位置，偵收設備根據上述信號確定信噪比、時間延遲、多普勒頻率偏移，并設置信號處理數據長度以及信噪比檢測門限，根據多普勒頻率偏移、信號強度、時間延遲判斷目標是否為低空飛行目標。位置確定單元根據偵收設備檢測到的目標反射信號的方位角和俯仰角建立角度觀測方程。如果控制中心收到偵收設備發送的由目標反射的直放設備轉發的多個CDMA基站的信號時，可以建立多個橢球觀測方程。
本發明的有益效果是，利用直放設備和偵收設備功率調整以及天線的方向性可有效地解決無源定位系統直達信號對發射信號的干擾以及系統的作用距離問題，并且有利于弱反射信號的檢測和估計。對于遠距離目標定位成功率高。
圖1低空飛行目標系統定位流程2目標定位原理示意3角度和時延測量飛行目標定位原理圖具體實施方式
圖1所示為本發明的低空飛行目標系統定位方法流程圖，首先在CDMA網絡中放入直放設備，對CDMA基站的信號進行放大和轉發，測量CDMA系統導頻碼的相位時延，時間延時；設置CDMA基站信號偵收設備(Receiver)，偵收設備在進行時頻二維搜索完成對信號的估計和檢測時需要調整時域搜尋窗和頻域搜尋窗的位置和寬度。直放設備和偵收設備天線方向對準監測目標來向，偵收設備與直放設備相距一定距離；位置確定單元(PDU)設置在控制中心處，控制中心直接和偵收設備相連(這種連接方式可以是有線的，也可以是無線的)，直放設備應放置在避免其接收天線方向有多個強度(三個及其以上)相當的導頻信號位置。
將直放設備的地理位置坐標和信號的時間延遲，偵收設備的地理位置坐標，CDMA基站的導頻信號和地理位置坐標等參數發送到位于控制中心的存儲器中存儲；在偵收設備端設置信號處理數據長度以及信噪比檢測門限；偵收設備接收目標反射的由直放設備轉發的CDMA基站信號，對接收信號(包括到達時間、信號強度、信號到達角度、頻率偏移、CDMA基站的地理位置)進行檢測，確定信噪比、時間延遲、信號到達方向、多普勒頻率偏移；根據多普勒頻率偏移、信號強度、時間延遲判斷目標是否為低空飛行目標。如果反射波的特性符合以下特性，該目標為低空飛行目標，即待定位目標。
①頻率偏移，快速低空飛行目標的頻率偏移比其他目標的頻率偏移高5倍以上；②信號強度，低空飛行目標的反射信號強度與直達信號以及多徑信號相比小40dB以上；③時間延遲，以目標在50公里處為例，低空飛行目標的反射信號時間延遲與直達信號以及多徑信號相比增加300μs以上。如果確定目標為待定位目標，則偵收設備將接收的上述信號參數發送到控制中心；控制中心通知相鄰偵收設備進行信號處理數據長度調整，并進行信號檢測；相鄰偵收設備也將檢測到的信號參數發送到控制中心的數據存儲器中進行存儲，定位中心根據信號強度和檢測到的反射信號數量判斷定位可能性；如具備定位可能，由位置確定單元(PDU)調用數據庫中相應參數，以及計算模型求解目標位置，并輸出定位結果。
直放設備、偵收設備、控制中心的選址、安裝和架設。
在CDMA移動通信系統中，增加直放設備、偵收設備、控制中心，在進行直放設備的位置選擇過程中，應當避免接收CDMA基站信號的直放設備天線方向上有多個信號強度相當的導頻信號，以免造成轉發的基站信號過多，影響信號的偵測效果，且該直放設備需要提供自定位功能，可以和CDMA基站同站架設也可以分置，直放設備的天線一定要指向監測目標的來向以防造成對移動通信系統的干擾。直放設備的作用是將CDMA基站的信號進行放大和轉發。
偵收設備需要同直放設備保持一定的距離(一般在5公里以上)，偵收設備的天線指向監測目標的來向，在信號檢測過程中需要進行時頻搜索，利用目標的頻域特性完成對目標的分辨和檢測。偵收設備檢測到目標的信號后將信噪比、時間延遲、信號到達方向、多普勒頻率偏移、信號強度等相應的參數發送到控制中心，同時控制中心可以向偵收設備發送相應的控制信息。
通過調整搜尋窗的參數消除時間估計誤差。在偵收設備上調整信號的搜索窗口位置和寬度，對CDMA基站信號搜索窗口中心點進行調整，調整值為直放設備的時間延遲量；在CDMA搜索窗寬度基礎上增加一個度量值作為搜索窗的寬度調整，該值可取2*R/(3*108)(其中R為系統作用距離)。
偵收設備的功能是對低空飛行目標的反射信號進行檢測，為了實現對反射信號的同步和解碼，該偵收設備需要具有授時系統以滿足對時鐘和頻率精度的要求，授時精度最好在20ns范圍。通過偵收設備獲取以下信息信號到達時間TOA(Time of Arrival)，信號強度SOA(Strength of Arrival)，信號到達角度AOA(Angle of Arrival)，頻率偏移FOA(Frequency ofArrival)，CDMA基站的地理位置，并確定信噪比、時間延遲、多普勒頻率偏移；同時該基站提供以下外部接口電源、通信、CDMA天線。
控制中心包括位置確定單元和數據存儲單元，位置確定單元根據相應參數調用計算模塊進行目標位置的計算，同時控制中心可以接收偵收設備發送的信息，并且可以向偵收設備發送相應的控制信息。
圖2所示為目標定位原理示意圖，當有多個直放設備的信號被偵收設備檢測后，相應參數被送到控制中心位置確定單元PDU，確定低空飛行目標FlingTarget的地理位置。
圖中以Rtr表示直放設備TA與偵收設備Receiver的相對位置，偵收設備檢測飛行目標(Fling Target)的反射信號，并且獲取時間延遲估計τTFA+τFR，將上述檢測參數送入控制中心存儲器中存儲，位置確定單元調用相關參數，可建立以直放設備TA和偵收設備為焦點，以c×(τTFA+τFR)為長短軸之和的橢球方程，飛行目標即位于該橢球軌跡上。同理，可得到偵收設備分別與直放設備TB和TC構成的橢球軌跡，由三個橢球軌跡的交點可獲知目標的位置。建立偵收設備、直放設備TA和CDMA基站BSA之間的分段距離觀測方程(x-xR)2+(y-yR)2+(z-zR)2+(x-xTA)2+(y-yTA)2+(z-zTA)2]]>+(xBA-xTA)2+(yBA-yTA)2+(zBA-zTA)2]]>=(τRA-τTA)·C]]>公式1其中，“x，y，z”待測飛行目標的地理坐標。其他各參數在建立系統時均可測量，其具體含義如下所述，“xR，yR，zR”偵收設備的地理坐標，“xTA，yTA，zTA”直放設備TA的地理坐標，“xBA，yBA，zBA”CDMA基站BSA的地理坐標，τRACDMA基站BSA發送的信號通過直放設備TA轉發后由飛行目標反射到達偵收設備的時間延遲(該時間延遲由CDMA基站BSA到直放設備TA距離時間延遲τBTA、直放設備TA到低空飛行目標距離時間延遲τTA、低空飛行目標到偵收設備的距離時間延遲τFR、CDMA基站的誤差τeBA、反射信號的傳播誤差τeTA、偵收設備誤差τeR確定)，τTA直放設備TA轉發信號時造成的信號延遲，C光速。
公式1進行變形可得(x-xR)2+(y-yR)2+(z-zR)2+(x-xTA)2+(y-yTA)2+(z-zTA)2]]>=(τRA-τTA)·C-(xBA-xTA)2+(yBA-yTA)2+(zBA-zTA)2]]>表示偵測目標位于以直放設備TA和偵收設備為焦點的橢球面上。
●建立多個觀測方程假設有多個CDMA基站(BSB、BSC)的信號通過直放設備(TB、TC)轉發后由目標反射到偵收設備，可以建立多個橢球方程。
基于直放設備TB和CDMA基站BSB建立的橢球方程(x-xR)2+(y-yR)2+(z-zR)2+(x-xTB)2+(y-yTB)2+(z-zTB)2]]>=(τRB-τTB)·C-(xBB-xTB)2+(yBB-yTB)2+(zBB-zTB)2]]>公式2
基于直放設備TC和CDMA基站BSC建立的橢球方程(x-xR)2+(y-yR)2+(z-zR)2+(x-xTC)2+(y-yTC)2+(z-zTC)2]]>=(τRC-τTC)·C-(xBC-xTC)2+(yBC-yTC)2+(zBC-zTC)2]]>公式3如果根據偵收設備檢測的信號能建立三個(或多個)橢球方程，則目標位于三個(或多個)橢球EllipseA、EllipseB、EllipseC的交匯區域，求解由公式1、公式2、公式3聯立的方程組，可得偵測目標位置坐標x，y，z。
偵收設備同時可以測量目標的反射信號的方向角，可以建立角度測量方程。圖3所示為角度和時延測量飛行目標定位原理示意圖。目標反射信號的方向角和時間延遲信息被偵收設備檢測后，相應參數被送到位置確定單元，確定低空飛行目標的地理位置，位于橢球面Ellipse A軌跡范圍內。
·建立角度觀測方程當目標反射的基站信號被偵收設備檢測到并且測量目標反射信號的方位角θ和俯仰角后，將其送往位置確定單元，位置確定單元一旦接收到偵收設備送來的上述參數后，即可建立角度觀測方程(如公式4所示)。
公式4分以下幾種情況進行位置求解。
①建立多個距離觀測方程當有多個CDMA基站的信號通過直放設備轉發后由目標反射到偵收設備，偵收設備確定后將其發送到控制中心，控制中心接收到3個以上偵收設備發送的待定位目標反射的檢測參數后，位置確定單元即可以根據相關參數在系統定位模型中構造多個(3個以上)觀測方程。當系統的定位模型包括多個觀測方程時，可以建立超定方程，對方程進行泰勒展開使非線性方程組變化為線性方程組，然后使用最小二乘算法確定未知數，即低空飛行目標位置坐標。
②建立兩個距離觀測方程當控制中心收到由兩個偵收設備發送的檢測參數后，并且偵收設備匯報的來波方向的估計誤差較大時，僅僅使用兩個時間估計值構造距離觀測方程。在這種情況下，因為有三個未知數，兩個方程無法求解相應的參數；根據飛行目標的特點假定飛行目標的高度為常量，使用濾波算法即可確定目標的地理位置。
當有一個CDMA基站的信號經過轉發后被偵收設備監測到并且獲得相應的時間延遲和角度信息后，可以使用公式4和公式1建立聯立方程組求解目標位置。
③建立三個觀測方程當控制中心收到由兩個偵收設備發送的檢測參數后，并且相應的TOA觀測值和角度觀測值有3個可以構造觀測方程(即可建立距離觀測方程或角度觀測方程)，在這種情況下，可以構造正定方程，對觀測方程進行泰勒展開使非線性方程組變為線性方程組，然后使用最小二乘算法確定目標位置。
該申請借助于直放站設備進行信號轉發，提高目標反射信號的檢測概率，增加了定位的可靠性和成功率，使用直放設備不需要基帶處理，減少授時單元和信號處理單元，降低設備費用，具有良好的拓展性。
權利要求
1.一種蜂窩網無源定位方法，使用CDMA基站信號作為無源偵測信號，其特征在于，在CDMA通信網絡中設置直放設備、偵收設備，直放設備對CDMA基站信號進行放大和轉發；偵收設備對目標的反射信號進行檢測和估計，判斷目標是否為待測目標，如果是待測目標，將檢測和估計的參數發送到控制中心存儲器中，位置確定單元根據控制中心接收到的參數情況，調用存儲器中的參數建立觀測方程，求解目標位置坐標。
2.根據權利要求1所述的蜂窩網無源定位方法，其特征在于，目標的反射信號包括信號到達時間、信號強度、信號到達角度、頻率偏移、CDMA基站的地理位置，偵收設備根據上述信號估計信噪比、時間延遲、多普勒頻率偏移。
3.根據權利要求1所述的蜂窩網無源定位方法，其特征在于，所述待測目標為低空飛行目標。
4.根據權利要求1-3其中之一所述的蜂窩網無源定位方法，其特征在于，位置確定單元根據控制中心收到的偵收設備檢測的由目標反射的直放設備轉發的CDMA基站信號，建立橢球觀測方程。
5.根據權利要求1-3其中之一所述的蜂窩網無源定位方法，其特征在于，位置確定單元根據控制中心收到的偵收設備檢測的目標反射信號的方位角和俯仰角建立角度觀測方程。
6.根據權利要求2所述的蜂窩網無源定位方法，其特征在于，偵收設備設置信號處理數據長度以及信噪比檢測門限，根據多普勒頻率偏移、信號強度、時間延遲判斷目標是否為待測目標。
7.一種蜂窩網無源定位系統，使用CDMA蜂窩網基站的信號作為無源偵測信號，其特征在于，在CDMA網絡中設置直放設備，對CDMA基站的信號進行放大和轉發；設置偵收設備，對目標的反射信號進行檢測和估計，判斷目標是否為待測目標，并將檢測和估計的參數發送到控制中心存儲器；位置確定單元設置在控制中心，位置確定單元根據控制中心接收的參數情況，調用存儲器中參數建立觀測方程，求解目標位置坐標。
8.根據權利要求7所述的蜂窩網無源定位系統，其特征在于，偵收設備與直放設備的設置相距距離至少5米，直放設備和偵收設備接收天線方向對準監測目標來向，直放設備放置在避免其接收天線方向有多個強度相當的導頻信號位置。
9.根據權利要求7或8所述的蜂窩網無源定位系統，其特征在于，所述待測目標為低空飛行目標。
全文摘要
本發明請求保護一種低空飛行目標無源定位方法及系統，涉及無線通信技術領域。建立一種蜂窩網無源定位系統，使用CDMA蜂窩網基站的信號作為無源偵測信號，在CDMA網絡中放入直放設備，對CDMA基站的信號進行放大和轉發，設置CDMA基站信號偵收設備，偵收設備對目標的反射信號進行檢測和估計，判斷目標是否為低空飛行目標，并將檢測和估計的參數發送到控制中心存儲器，位置確定單元根據控制中心接收的參數情況，建立觀測方程，求解目標位置坐標。本發明可有效地解決無源定位系統直達信號對發射信號的干擾以及系統的作用距離問題，并且有利于弱反射信號的檢測和估計，對遠距離目標定位成功率高。
文檔編號G01S5/02GK1932549SQ200610095170
公開日2007年3月21日 申請日期2006年9月29日 優先權日2006年9月29日
發明者田增山 申請人:重慶郵電大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
