本發(fā)明屬于但不限于無線電探測測向，尤其涉及一種雙天線三維旋轉(zhuǎn)基線測向方法、裝置及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、無源測向與定位是電磁頻譜監(jiān)控、無人機(jī)監(jiān)控和電子對抗等相關(guān)領(lǐng)域的重要技術(shù)之一，基于長短基線組合的多基線干涉儀因其高精度而廣泛應(yīng)用，如5元陣、7元陣干涉儀等。傳統(tǒng)干涉儀為了提高解模糊能力和測向精度，通常都要5個(gè)以上的天線和接收通道，系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、體積和重量大、頻段適應(yīng)性差。為解決這一問題，基于時(shí)變基線技術(shù)的旋轉(zhuǎn)基線測向技術(shù)備受關(guān)注，與傳統(tǒng)干涉儀形成了有效的互補(bǔ)，特別是在小型和低成本無線電探測領(lǐng)域，開始廣泛應(yīng)用。

2、目前旋轉(zhuǎn)基線測向系統(tǒng)最常見的形式為2個(gè)全向天線構(gòu)成一維線陣，通過平臺(如無人機(jī))旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(如電機(jī))帶動設(shè)備繞線陣中心旋轉(zhuǎn)，這種雙天線組成的一維旋轉(zhuǎn)基線，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡潔，體積成本低。李騰等在文章“基于旋轉(zhuǎn)干涉儀模糊相位差的多假設(shè)nls定位算法[j].電子與信息學(xué)報(bào)，2012，34(4)：956-962.”，張敏等在文章“旋轉(zhuǎn)長基線干涉儀測向方法及性能分析[j].電子學(xué)報(bào)，2013，41(12)：2423-2429.”中詳細(xì)論述了基于雙天線一維線陣的旋轉(zhuǎn)基線測向技術(shù)的可行性、計(jì)算方法和性能極限。李冬等在文章“旋轉(zhuǎn)基線相位干涉儀測向精度提高方法[j].電訊技術(shù)，2022，62(7)：936-940.”詳細(xì)論述了一種提高雙天線一維線陣旋轉(zhuǎn)測向精度的方法。

3、上述方法和系統(tǒng)存在以下不足和缺陷：基于雙天線一維線陣的旋轉(zhuǎn)基線系統(tǒng)，其俯仰角(偏離旋轉(zhuǎn)平面的角度)理論測量范圍是0～90°，也就是說，無法有效區(qū)分所測目標(biāo)是否高于或低于旋轉(zhuǎn)平面，大大限制了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。當(dāng)旋轉(zhuǎn)平面不在地面時(shí)，如無人機(jī)載旋轉(zhuǎn)基線測向系統(tǒng)和部署于樓頂?shù)臏y向設(shè)備，可能產(chǎn)生嚴(yán)重錯誤，原本空中目標(biāo)可能被識別為地面目標(biāo)，而地面目標(biāo)也可能識別為空中目標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種雙天線三維旋轉(zhuǎn)基線測向方法、裝置及系統(tǒng)，旨在解決目前雙天線一維旋轉(zhuǎn)基線測向技術(shù)無法識別目標(biāo)在旋轉(zhuǎn)平面上方還是下方的問題，在不增加天線和接收通道的基礎(chǔ)上，充分考慮工程化的難度與成本。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種雙天線三維旋轉(zhuǎn)基線測向方法，包括以下步驟：

3、步驟一，通道間相位偏差做表補(bǔ)償，預(yù)先對2個(gè)測量通道間的相位偏差進(jìn)行等頻率間隔全工作頻段測量，形成通道相位偏差補(bǔ)償表ab，用于補(bǔ)償通道a與b間的固有相位偏差；

4、步驟二，雙天線三維旋轉(zhuǎn)基線測向裝置開始工作后，天線ab組成的基線以角速度ω逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，2個(gè)接收通道同步采集數(shù)據(jù)，對基線ab對應(yīng)數(shù)據(jù)計(jì)算相位差；

5、步驟三，基于二維聯(lián)合搜索方法，通過粗搜索和精搜索結(jié)合，估計(jì)方位角和俯仰角。

6、進(jìn)一步，計(jì)算相位差的方法包括：

7、(1)在旋轉(zhuǎn)基線自身所在坐標(biāo)系內(nèi)，目標(biāo)方位角為α和俯仰角為β，利用事先生成的相位偏差補(bǔ)償表進(jìn)行相位偏差補(bǔ)償；

8、(2)基線ab的相位差為：

9、

10、其中，f為信號頻率，d為天線a到旋轉(zhuǎn)中心o的長度，k為豎桿的高度，t為時(shí)間，nab(t)為測量基線ab相位差時(shí)的隨機(jī)噪聲，mod為取模運(yùn)算。基于關(guān)于俯仰角的正弦分量，判斷來波方向位于旋轉(zhuǎn)平面上方還是下方。

11、進(jìn)一步，粗搜索包括：

12、1)設(shè)2n個(gè)潛在方位角為設(shè)m個(gè)潛在俯仰角為

13、2)在第i個(gè)方位角假設(shè)和第j個(gè)俯仰角假設(shè)下，計(jì)算t時(shí)刻相位差：

14、

15、3)待完成全部時(shí)刻t的相位差計(jì)算后，得到(α(i),β(j))對應(yīng)的相位差序列δφab(t,i,j)，將其與真實(shí)相位差序列的誤差總和作為角度組合(α(i),β(j))的置信度評判值：f(i,j)＝sum[abs(δφab(t)-δφab(t,i,j))]，此值越低置信度越高；

16、4)在n*m維f值矩陣中選擇最小的v個(gè)值對應(yīng)的角度組合(α(ir),β(jr))(r＝0,1,...,v-1)作為潛在來波方向。

17、進(jìn)一步，精搜索包括：

18、1)對于v個(gè)潛在角度組合(α(ir),β(jr))(r＝0,1,...,v-1)中的每個(gè)組合，設(shè)置方位角搜索范圍α0和搜索精度參數(shù)t，俯仰角搜索范圍β0和搜索精度參數(shù)z，構(gòu)建新的維度為(t+1)×(z+1)的局部二維搜索矩陣[α(p),β(q)]，

19、

20、

21、2)按f(i,j)＝sum[abs(δφab(t)-δφab(t,i,j))]計(jì)算置信度評判值，得到新的置信度評判矩陣；

22、3)取最小的置信度評判值對應(yīng)的角度組合作為估計(jì)結(jié)果(α',β')；

23、4)對于俯仰角β接近時(shí)，設(shè)定俯仰角為β'，計(jì)算置信度評判值重新搜索方位角，其搜索精度由參數(shù)w決定：

24、根據(jù)新的搜索結(jié)果更新方位角估計(jì)值。

25、本發(fā)明的另一目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)所述雙天線三維旋轉(zhuǎn)基線測向方法的雙天線三維旋轉(zhuǎn)基線測向裝置，三維旋轉(zhuǎn)基線系統(tǒng)由2個(gè)天線組成三維陣列，分別記為天線a、天線b，其中天線a位于旋轉(zhuǎn)平面，通過橫桿與旋轉(zhuǎn)軸連接，間距可調(diào)，距離旋轉(zhuǎn)中心o最大l米，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)中心對稱位置進(jìn)行配重保持平衡；沿旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置豎桿，豎桿長度可調(diào)，最長為k米，天線b位于豎桿上端。

26、進(jìn)一步，該裝置工作時(shí)，天線a由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)或旋轉(zhuǎn)平臺帶動按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，天線b位于旋轉(zhuǎn)軸上，不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；2個(gè)天線分別接入2個(gè)接收通道，工作時(shí)同步采集數(shù)據(jù)，組成基線ab，對基線ab測量相位差，通過測量多組相位差實(shí)現(xiàn)方位角和俯仰角的估計(jì)。

27、本發(fā)明的另一目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)所述雙天線三維旋轉(zhuǎn)基線測向方法的雙天線三維旋轉(zhuǎn)基線測向系統(tǒng)，包括：

28、相位偏差補(bǔ)償表獲取模塊，用于在內(nèi)場試驗(yàn)環(huán)境中通過信號源和功分器對三維測向系統(tǒng)不同通道間的相位偏差按固定頻率間隔測量，以獲取的不同通道間的相位偏差補(bǔ)償表；

29、相位差測量模塊，用于計(jì)算ab兩通道的相位差；

30、方位角與俯仰角估計(jì)模塊，基于二維聯(lián)合搜索方法，通過粗搜索和精搜索結(jié)合，實(shí)現(xiàn)方位角和俯仰角的快速估計(jì)。

31、本發(fā)明的另一目的在于提供一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，計(jì)算機(jī)設(shè)備包括存儲器和處理器，存儲器存儲有計(jì)算機(jī)程序，計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)，使得處理器執(zhí)行所述雙天線三維旋轉(zhuǎn)基線測向方法的步驟。

32、本發(fā)明的另一目的在于提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，存儲有計(jì)算機(jī)程序，計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)，使得處理器執(zhí)行所述雙天線三維旋轉(zhuǎn)基線測向方法的步驟。

33、本發(fā)明的另一目的在于提供一種信息數(shù)據(jù)處理終端，信息數(shù)據(jù)處理終端包括所述雙天線三維旋轉(zhuǎn)基線測向系統(tǒng)。

34、結(jié)合上述的技術(shù)方案和解決的技術(shù)問題，本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)方案所具備的優(yōu)點(diǎn)及積極效果為：

35、第一、本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種全新的基于雙天線的三維旋轉(zhuǎn)基線測向系統(tǒng)，充分考慮實(shí)現(xiàn)難度和成本，不增加天線和接收通道，改變天線布陣形式，將旋轉(zhuǎn)陣列從一維陣擴(kuò)展成三維陣，實(shí)現(xiàn)了俯仰角估計(jì)范圍的擴(kuò)展，解決了現(xiàn)有系統(tǒng)的不足和缺陷；

36、本發(fā)明的方位角和俯仰角估計(jì)方法將非線性估計(jì)問題轉(zhuǎn)化方位角俯仰角聯(lián)合搜索問題，算法穩(wěn)定，計(jì)算量小，估計(jì)精度高，簡單實(shí)用。

37、本發(fā)明的方法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)在解決現(xiàn)有技術(shù)的問題和缺陷方面取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步，大大擴(kuò)展了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)基線測向系統(tǒng)的測向范圍。

38、擴(kuò)展測向范圍：通過將一維基線系統(tǒng)(旋轉(zhuǎn)后可看成二維基線系統(tǒng))簡單擴(kuò)展為三維基線系統(tǒng)，將傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)基線測向系統(tǒng)的理論俯仰角測向范圍由0～90度擴(kuò)展為-90～90度。

39、提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性：通過方位角俯仰角聯(lián)合搜索，本發(fā)明增強(qiáng)了系統(tǒng)在各種條件下的穩(wěn)定性和魯棒性。

40、第二，作為本發(fā)明的權(quán)利要求的創(chuàng)造性輔助證據(jù)，還體現(xiàn)在以下幾個(gè)重要方面：

41、(1)本發(fā)明的技術(shù)方案轉(zhuǎn)化后的預(yù)期收益和商業(yè)價(jià)值為：

42、目前旋轉(zhuǎn)基線測向技術(shù)因其成本、體積、功耗等有利因素在電子偵察、電子對抗、無人機(jī)管控、無線電管理等軍民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，本發(fā)明所提技術(shù)方案大大擴(kuò)展了傳統(tǒng)系統(tǒng)的測向范圍和可靠性，同時(shí)基本不增加成本，能夠促進(jìn)該技術(shù)體制的規(guī)?；瘧?yīng)用。

43、(2)本發(fā)明的技術(shù)方案填補(bǔ)了國內(nèi)外業(yè)內(nèi)技術(shù)空白：

44、傳統(tǒng)的雙天線一維旋轉(zhuǎn)基線測向系統(tǒng)存在俯仰角觀測范圍受限問題，使得很多場景中無法有效應(yīng)用，本發(fā)明的技術(shù)方案提出了新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算方法，有效解決了這一問題。

45、第三，本發(fā)明提出了一種雙天線三維旋轉(zhuǎn)基線測向方法及其裝置和系統(tǒng)，主要解決了現(xiàn)有技術(shù)在測向精度和效率方面的問題，實(shí)現(xiàn)了顯著的技術(shù)進(jìn)步。以下是詳細(xì)的技術(shù)方案及其解決的技術(shù)問題和取得的技術(shù)進(jìn)步：

46、解決的技術(shù)問題：

47、1)測向精度問題：

48、通過通道間相位偏差補(bǔ)償，減少了系統(tǒng)誤差，提高了測向精度。

49、利用三維旋轉(zhuǎn)基線和二維聯(lián)合搜索方法，實(shí)現(xiàn)了對方位角和俯仰角的高精度估計(jì)。

50、2)測向效率問題：

51、通過粗搜索和精搜索的結(jié)合，減少了計(jì)算量，提高了測向效率。

52、取得的技術(shù)進(jìn)步：

53、1)提高了測向精度：

54、相位偏差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用，顯著提高了測向系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

55、三維旋轉(zhuǎn)基線和二維聯(lián)合搜索方法的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對方位角和俯仰角的高精度同時(shí)估計(jì)。

56、2)提高了測向效率：

57、粗搜索和精搜索的結(jié)合，使得測向過程更加高效，減少了計(jì)算時(shí)間和資源消耗。

58、3)增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性：

59、天線間距和豎桿長度可調(diào)，使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的測向需求和環(huán)境。

60、4)提供了完整的測向解決方案：

61、本發(fā)明不僅提供了測向方法，還提供了相應(yīng)的測向裝置和系統(tǒng)，為實(shí)際應(yīng)用提供了完整的解決方案。

62、綜上所述，本發(fā)明通過創(chuàng)新的技術(shù)方案，解決了現(xiàn)有技術(shù)在測向精度和效率方面的問題，實(shí)現(xiàn)了顯著的技術(shù)進(jìn)步，具有廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。