多普勒定位報(bào)告

1、多普勒定位.研究背景現(xiàn)代定位技術(shù)的研究越來(lái)越廣泛的應(yīng)用在我們的生活中，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到 陸上、水上、水下、航空等多個(gè)方面，也是綜合電子戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展的前沿課題。利 用目標(biāo)對(duì)探測(cè)信號(hào)的定位，對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確定位，在諸多軍用和民用系統(tǒng)中具有極 其重要的意義，在軍事系統(tǒng)中，它有助于發(fā)揮精確打擊武器的作用， 為最終摧毀 對(duì)方提供強(qiáng)有力的保障。對(duì)民用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，無(wú)線(xiàn)電定位可以為人類(lèi)提供精確的導(dǎo) 航、授時(shí)、地理測(cè)量等信息，是現(xiàn)代社會(huì)生活的重要保障。而對(duì)目標(biāo)的定位方法 也在一直研究發(fā)展。在對(duì)目標(biāo)的定位主要有三種定位方法：有源定位和利用第三方輻射源的無(wú)源相干定位。.研究現(xiàn)狀從早期的方位測(cè)量三角交匯定位到之后出現(xiàn)的到達(dá)時(shí)

2、間差（TDOA）和到達(dá)時(shí)間（TOA）以及差分多普勒（DD）測(cè)量定位方法，近年來(lái)還出現(xiàn)了利用相位變化率 （PRC）的定位技術(shù)。.紅外被動(dòng)定位研究紅外探測(cè)是利用目標(biāo)（如飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭）的紅外熱輻射工作的，屬于無(wú) 源被動(dòng)的工作方式，通過(guò)發(fā)射激光光束，接收到目標(biāo)反射回來(lái)的激光光束進(jìn)行距 離的估算，進(jìn)而得到目標(biāo)的位置。.傳統(tǒng)的測(cè)向無(wú)源定位技術(shù)利用測(cè)向原理的三角定位技術(shù)是經(jīng)典而成熟的技術(shù)。三角定位的關(guān)鍵是如何快速而精確地獲得被測(cè)得信號(hào)的 到達(dá)角度（AOA）數(shù)據(jù)。迄今已有多種獲得AOA 數(shù)據(jù)的方法，常見(jiàn)的高精度測(cè)向方法主要有空間譜估計(jì)法、時(shí)差法、去卷積法、 最大似然估計(jì)法等。通過(guò)對(duì)目標(biāo)與觀測(cè)基站之間的角度

3、測(cè)量，通過(guò)角度的交匯， 進(jìn)而將角度的交匯點(diǎn)作為需要定位的目標(biāo)的位置。.差分多普勒定位技術(shù)如果目標(biāo)和接收站處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，還可以采用差分多普勒定位技術(shù)。差 分多普勒定位技術(shù)是通過(guò)在接收基站對(duì)目標(biāo)反射信號(hào)的多普勒頻移進(jìn)行估計(jì)，得到相位差，從相位差中提取出信號(hào)的反射角度，進(jìn)而以類(lèi)似AOA估計(jì)的方式得到目標(biāo)位置。國(guó)外較多的定位系統(tǒng)采用 TDOA/差分多普勒，或TDOA/測(cè)向等復(fù) 合定位體制，使技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)最佳的定位技術(shù)組合。究?jī)?nèi)容對(duì)于多站定位系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，除了采用常見(jiàn)的到達(dá)時(shí)間(DOA)測(cè)量定位、時(shí)差(TDOA)測(cè)量定位，還可以采用多普勒頻率差(DD)來(lái)進(jìn)行定位，多普勒頻率是任 何具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體

4、之間電磁信號(hào)的頻率變化特性，對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)來(lái)說(shuō)，可以利用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)所引起的頻率變化來(lái)確定目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)于靜止的目標(biāo)，可以人為的產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)確定目標(biāo)的位置。 多普勒頻率差測(cè)量定位可以 按照目標(biāo)和接收機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)分為四類(lèi)：固定站對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位；運(yùn)動(dòng)站對(duì)固定目標(biāo)的定位； 固定站對(duì)固定目標(biāo)的定位； 運(yùn)動(dòng)站對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位；固定平臺(tái)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位時(shí)，多普勒頻率差是目標(biāo)位置、接收機(jī)位置、目標(biāo) 速度(包括方向和速度絕對(duì)值)的多元函數(shù)，在二維平面中，如果全部依靠多普勒 頻率差定位并估計(jì)目標(biāo)速度，則二維至少需要五個(gè)觀測(cè)站，三維至少需要七個(gè)站。 在平面上，運(yùn)動(dòng)多站對(duì)固定目標(biāo)定位，通常至少要求有

5、三個(gè)站，其定位方法仍然 是最大似然估計(jì)、最小二乘估計(jì)等。固定平臺(tái)對(duì)固定目標(biāo)的定位，是利用單個(gè)站 上的多個(gè)接收天線(xiàn)組成一定的陣列，通過(guò)對(duì)每一個(gè)陣列天線(xiàn)輸出信號(hào)的輪流采樣 等效實(shí)現(xiàn)接收站的空間運(yùn)動(dòng)，提取多普勒頻率差，再將多普勒頻率差換算為目標(biāo) 所在的方向。因此該方法實(shí)質(zhì)上是方向測(cè)量定位，多普勒頻率差測(cè)量是方向測(cè)量 的一種手段，目的是提高測(cè)量精度。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位，系統(tǒng)需要預(yù)先 確定己方運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的速度矢量，然后通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測(cè)量值進(jìn)行解算， 把問(wèn)題 轉(zhuǎn)化為固定平臺(tái)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位。在這里，在傳統(tǒng)的使用固定的觀測(cè)站方式， 通過(guò)使用多個(gè)接收天線(xiàn)陣列，通 過(guò)對(duì)每一個(gè)陣列天線(xiàn)輸出信號(hào)的輪流采樣等效

6、實(shí)現(xiàn)接收站的空間運(yùn)動(dòng)，提取多普勒頻率差，再將多普勒頻率差換算為角度與信號(hào)波長(zhǎng)， 通過(guò)對(duì)信號(hào)的波長(zhǎng)以及角 度換算，進(jìn)一步進(jìn)行公式推導(dǎo)，將單一的估計(jì)角度在通過(guò)其他方法估計(jì)距離轉(zhuǎn)換 為，通過(guò)角度與波長(zhǎng)來(lái)估計(jì)木便于觀測(cè)點(diǎn)的距離， 對(duì)其中角度不進(jìn)行直接用以目 標(biāo)位置的估計(jì)，而僅僅用以距離的估計(jì)，減小微小的角度而引起的巨大的目標(biāo)位 置定位誤差。盡可能的在距離計(jì)算中減少角度誤差導(dǎo)致的影響。 轉(zhuǎn)換為了對(duì)目標(biāo) 信號(hào)波長(zhǎng)的檢測(cè)，使得因?yàn)榻嵌裙烙?jì)的誤差結(jié)果減小，從而達(dá)到了更準(zhǔn)確的定位。.定位原理對(duì)于通過(guò)測(cè)量多普勒頻移來(lái)得到反射源位置信息， 通常有兩種模式：一種是 固定反射源，基站移動(dòng)與基站固定，反射源移動(dòng)兩種模式。

7、而在這里，主要介紹 基站固定，反射源固定此模式下的多普勒定位技術(shù)。多普勒頻移測(cè)量方法多普勒頻移是由于目標(biāo)與接收機(jī)之間存在的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的檢測(cè)到的頻率與實(shí)際頻率之間的偏差，它的改變量與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度成正比。多普勒頻移估計(jì) 原理如圖1.ZT(x,y,z)X圖1多普勒頻差原理圖假設(shè)目標(biāo)T的位置(x,y,z), O為中心站，位置為坐標(biāo)原點(diǎn)(0, 0, 0),觀測(cè)站Si的位置為(xi,yi,zi), (i=1,2,3)則向量OT的方向余弦為(cosa,cos B,cos?),其中:xcos：=(1.1)cos二 yx2 y2 z2假設(shè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度為V,做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，V =(Vxcosa ,Vycos

8、B ,VzcosY),其方向余弦為(cosa,cosP,cos),則OT與V的夾角余弦為:cosi -cos：cos： cos: cos cos cos (1.2)對(duì)觀測(cè)站 Si,向量 OSi 為(xi,yi,z),向量 ST =(x-xi, y-yi,z-z),則向量 SiT的方向余弦(coso(i,cosPi,cosyi)為：x f xicos 二 i 二(x -xi)2 (y -yi)2 (z-zi)2(1.3)(1.4)y - yi cos Pi = /.(x -xi)2 (y - yi)2 (z-zi)2z - zcos i =二.(x -xi)2 (y -丫產(chǎn) (z-zi)2向量S

9、iT與速度V的夾角01的余弦為:C0SF1=C0S：t cos： cos： 1 cos ： cos 1 cos 設(shè)目標(biāo)的工作頻率為f ,波長(zhǎng)為九，則f =c/九，其中c表示光速，對(duì)中心站O其接受到的目標(biāo)頻率f為：v f 0 = f fd = f COS11(1.5)九其中fd為多普勒頻移，國(guó)為向量SiT與速度V的夾角，由此可以得到中心站與觀測(cè)站Si的多普勒頻差為：V 一=一 (cos 二一cos：1) cos： (cos I- cos!：:；1) cos ： (cos一cos 1) cos (1.6)多普勒測(cè)距原理通過(guò)得到多普勒頻移，可以進(jìn)一步的推導(dǎo)出目標(biāo)與工作站的距離， 以二維空 間為例，推

10、論如下：如圖2, P為目標(biāo),0為中心觀察點(diǎn)，Ai為觀測(cè)基站單元，Afd01為測(cè)量得到的多普勒頻移。當(dāng)&d01為0時(shí)，目標(biāo)反射信號(hào)與觀測(cè)站接受信號(hào)源的方向相同，由此我們可以得到目標(biāo)輻射源的方向，并且由此也可以得到目標(biāo)在不同時(shí)刻對(duì)于 觀測(cè)站的角度夾角也。對(duì)于如圖2中的二維實(shí)例，我們可以得到目標(biāo)與天線(xiàn)單元 Ai之間的距離，如 下：R = JR2 +r2 _2Rrcosp+(i 1)牛(1.7)式中夾角&為天線(xiàn)單元Ai和參考天線(xiàn)O的連線(xiàn)與OP之間的夾角，圓心參考 天線(xiàn)O與目標(biāo)之間的距離為 R ,圓周上的天線(xiàn)單元 Ai與目標(biāo)之間的距離為通過(guò)對(duì)天線(xiàn)單元Ai與目標(biāo)之間的距離Ri求均值得到R,平均R與圓心參考

11、天 線(xiàn)O與目標(biāo)之間的距離差為:2.2:1 nR-R 二一” N i4r -2Rrcosu1 (i -1)(1.8)NRi R其中，分母R+R在Rr的情況下，有下述關(guān)系:Ri R喘1r2二、產(chǎn)-R(1.9)由公式1.9與1.8可以得到:r2N n .R-R =cos2口。 (i -1)2RN 22二r2R n一(一 -一廠 cos2口N2R r y當(dāng)N 2時(shí)，有n“ cos211 (i -1) i W因此:2 r R-R - 4R2c N- rR =N-2 r ii 1而該推論成立的條件為:4.3測(cè)距精度在分析測(cè)距誤差時(shí)，對(duì)（1.12）式進(jìn)行微分，可以得到r d(R- R)=dr2R4R2dR(

12、1.15)在近似認(rèn)為dr =0時(shí)，則有:火-型(N i)r:rN p(1.16)由式(1.16)可以得到，測(cè)距誤差主要來(lái)自于圓周上天線(xiàn)單元信號(hào)參與天線(xiàn)信號(hào)相位差的測(cè)量誤差戶(hù)和信號(hào)波長(zhǎng)不穩(wěn)定九。相位差測(cè)量誤差越小。而在實(shí)際測(cè)量中，信號(hào)波長(zhǎng)測(cè)量誤差一般較小，主要集中在對(duì)天線(xiàn)單元信號(hào)與中心天線(xiàn) 信號(hào)相位差的測(cè)量過(guò)程中。5.多普勒頻移仿真在本章節(jié)，分別使用多普勒頻移進(jìn)行測(cè)距，并對(duì)比了不同信號(hào)波長(zhǎng)，不同信 號(hào)載頻，以及距離變化，來(lái)對(duì)估計(jì)距離與實(shí)際距離進(jìn)行對(duì)比來(lái)分析多普勒測(cè)距的 原理以及方法。在這里，所有的仿真均不涉及多徑導(dǎo)致的相位抵消。信號(hào)波長(zhǎng)以及入射角度對(duì)多普勒測(cè)距影響在閱讀大量文獻(xiàn)后，通過(guò)公式推導(dǎo)發(fā)

13、現(xiàn)，信號(hào)的波長(zhǎng)以及入射角度對(duì)于使用 多普勒估計(jì)得到的精度有著巨大的影響，故在這里對(duì)目標(biāo)使用不同信號(hào)波長(zhǎng)來(lái)進(jìn) 行仿真分析：在理想情況下，并且入射角度與規(guī)定正方向相同，即入射角度為0度到360度逐次以45度為間隔進(jìn)行遞增時(shí)，仿真探測(cè)信號(hào)波長(zhǎng)為20mm, 40mm,以20mm 為間隔遞增直到100mm為變量，天線(xiàn)單元半徑為5m,目標(biāo)與觀測(cè)基站中心點(diǎn)為 1000m,進(jìn)行仿真。表1不同信號(hào)波長(zhǎng)對(duì)多普勒測(cè)距影響仿真參數(shù)表入射角度信號(hào)波長(zhǎng)(mm)天線(xiàn)單元半徑(m)0,冗/4, n/2, 3n/4,冗，5n/4,3n/2, 7n/4, 2叫20,40, 60, 80, 1005天線(xiàn)單元個(gè)數(shù)基站與目標(biāo)距離(m)

14、201000仿真結(jié)果如圖3,圖4。圖3為0度入射角下不同信號(hào)波長(zhǎng)對(duì)多普勒測(cè)距的 影響，單一的對(duì)信號(hào)波長(zhǎng)對(duì)使用多普勒頻移估計(jì)距離產(chǎn)生的誤差進(jìn)行仿真。圖 4 為不同信號(hào)波長(zhǎng)以及入射角度對(duì)多普勒測(cè)距影響，其中角度是以每個(gè)單位為n /4來(lái)進(jìn)行計(jì)數(shù)的，角度范圍為02冗。波長(zhǎng)的單位為mm?？梢酝ㄟ^(guò)仿真圖直觀的 看到估計(jì)誤差。1.5625差誤離距1.56251.56251.56251.56251.56251.562530405060708090100波長(zhǎng)/mm-3x 101.56251.56251.56251.56251.56251.5625100圖3 0度入射角下不同信號(hào)波長(zhǎng)對(duì)多普勒測(cè)距影響差 誤 W 距

15、圖4不同信號(hào)波長(zhǎng)以及入射角度對(duì)多普勒測(cè)距影響仿真分析：由圖3可以得到，在0度入射角的情況下，使用多普勒頻移的方法來(lái)進(jìn)行測(cè) 距，具有較小的測(cè)距誤差。但在探測(cè)信號(hào)的波長(zhǎng)為90mm時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)較大的突 變，測(cè)距誤差會(huì)降低一些，但總的來(lái)看，測(cè)距十分穩(wěn)定，對(duì)于距離估計(jì)得到的誤 差較小，由圖4可以得到，信號(hào)波長(zhǎng)以及入射角度對(duì)多普勒頻移測(cè)距導(dǎo)致的測(cè)距 誤差，從仿真圖中可以發(fā)現(xiàn)在3冗/4以及7n/4處，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)向下突出的尖峰，距離估計(jì)誤差會(huì)降低。兀/4以及5n/4處，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)向上突出的尖峰，距離估 計(jì)誤差會(huì)增大。信號(hào)載頻以及觀測(cè)基站與目標(biāo)之間距離對(duì)多普勒測(cè)距影響通過(guò)進(jìn)一步的對(duì)多普勒測(cè)距分析，考慮估計(jì)目標(biāo)與

16、觀測(cè)基站實(shí)際之間的距離 以及信號(hào)使用載頻的頻率大小同樣會(huì)對(duì)通過(guò)使用多普勒頻移來(lái)對(duì)距離的估計(jì)精 度產(chǎn)生一定的影響，故在這里對(duì)目標(biāo)使用不同目標(biāo)與觀測(cè)基站實(shí)際之間的距離以 及信號(hào)使用載頻的頻率不同來(lái)進(jìn)行仿真分析：在對(duì)不同距離以及不同信號(hào)載頻的情況下， 對(duì)多普勒頻率測(cè)距進(jìn)行仿真，基 站與檢測(cè)目標(biāo)之間的距離從1km到8km,以及信號(hào)載頻從0.8GHz,5GHz,9GHz, 13GHz到18GHz,導(dǎo)致測(cè)距精度的誤差。具體仿真參數(shù)如下表 2。表2不同信號(hào)波長(zhǎng)對(duì)多普勒測(cè)距影響仿真參數(shù)表#所（MHz）目標(biāo)移動(dòng)速度（m/s）觀測(cè)基站個(gè)數(shù)9155454觀測(cè)基站位置信號(hào)載頻（GHz）基站與目標(biāo)距離（km）-1000

17、, 0, 00, -1000, 00, 1000, 01000, 0, 00.8, 5, 9, 13, 181,2,3,4,5,6,7,8仿真結(jié)果如圖5,圖5為不同信號(hào)波長(zhǎng)以及入射角度對(duì) 多普勒測(cè)距影響，其中橫坐標(biāo)是實(shí)際距離單位為km,縱坐標(biāo)是估計(jì)距離與實(shí)際距離的誤差單位為 m, 通過(guò)圖5的仿真結(jié)果圖，可以用以對(duì)比不同實(shí)際距離與波長(zhǎng)對(duì)使用多普勒頻移估 計(jì)距離的估計(jì)誤差圖5不同信號(hào)波長(zhǎng)以及入射角度對(duì)多普勒測(cè)距影響Er胃宴程易由仿真結(jié)果分析可以得到：在距離從0到8km的測(cè)距范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)在500m到1km之間，估計(jì)距離誤差 較小，而在小于500m以?xún)?nèi)時(shí)，距離估計(jì)誤差極大，而估計(jì)距離當(dāng)超過(guò)1km以后，

18、 估計(jì)誤差又會(huì)逐漸變大，但載波頻率越大，信號(hào)的估計(jì)距離誤差增大越緩慢。 分 析對(duì)于實(shí)際需要估計(jì)距離變化對(duì)通過(guò)多普勒頻移估計(jì)距離產(chǎn)生影響，是由于當(dāng)距離過(guò)小時(shí)，多普勒頻移測(cè)量的入射角以及通過(guò)多普勒頻移估計(jì)距離中的估計(jì)誤差 導(dǎo)致的，距離過(guò)小導(dǎo)致不滿(mǎn)足估計(jì)誤差所滿(mǎn)足的目標(biāo)與圓心天線(xiàn)距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圓 心天線(xiàn)與圓周天線(xiàn)單元之間的距離而導(dǎo)致的估計(jì)誤差。而對(duì)于距離過(guò)大時(shí)，由于 距離過(guò)大導(dǎo)致的信號(hào)波長(zhǎng)變化以及信號(hào)受到干擾等因素會(huì)導(dǎo)致距離估計(jì)產(chǎn)生誤 差增大，但載頻較大時(shí)，會(huì)使得這種誤差增長(zhǎng)緩慢，并且根據(jù)公式推論可以得到， 盡管在距離小于500m時(shí)，會(huì)有較大的估計(jì)誤差，但是使用較大的載頻可以對(duì)這 些進(jìn)行一定的抵消。6

19、.總結(jié)多普勒定位是通過(guò)檢測(cè)接收到的探測(cè)信號(hào)在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的多普勒頻率，再將多普勒頻率換算為目標(biāo)所在的方向以及目標(biāo)與觀測(cè)基站之間的距離。因此該方法實(shí)質(zhì)上是對(duì)目標(biāo)的多普勒頻移進(jìn)行檢測(cè)， 進(jìn)而測(cè)量定位，在對(duì)目標(biāo)的多普勒頻移 進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，受到的多徑干擾導(dǎo)致的相位抵消以及信號(hào)所使用的波長(zhǎng)不同，探測(cè)距離的大小等因素都會(huì)影響多普勒頻移估計(jì)的準(zhǔn)確程度。信號(hào)波長(zhǎng)以及入射角度對(duì)多普勒頻移測(cè)距導(dǎo)致的測(cè)距誤差，集中在 3n /4以及7n /4處，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)向下突出的尖峰，距離估計(jì)誤差會(huì)降低。 n/4以及5n /4處，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)向上突出 的尖峰，距離估計(jì)誤差會(huì)增大。而對(duì)距離的估計(jì)在1km左右時(shí)，估計(jì)誤差最小， 并且載波頻

20、率越大，信號(hào)的估計(jì)距離誤差增大越緩慢。參考文獻(xiàn)1曲長(zhǎng)文.多普勒定位技術(shù)的研究J.艦船電子對(duì)抗,1997(03):1-5.2于振海.多普勒無(wú)源定位D.西安電子科技大學(xué),2007.M. Reznicek and P. Bezousek, Commercial CW Doppler radar design and application, 2017 27th International Conference Radioelektronika (RADIOELEKTRONIKA), Brno, 2017, pp. 1-5.doi: 10.1109/RADIOELEK.2017.7937577Y. Chervoniak, R. Sinitsyn, F. Yanovsky and O. Zaporozhets, TDoA and Doppler Shift