李 婷

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都　610036）

一種改進(jìn)的非合作目標(biāo)定位方法及其應(yīng)用驗(yàn)證*

李 婷**

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

針對(duì)傳統(tǒng)非合作目標(biāo)定位方法對(duì)回波信號(hào)的群路徑誤差敏感和性能不穩(wěn)定的缺陷，提出了距離信息遺傳迭代算法來實(shí)現(xiàn)非合作目標(biāo)的定位。詳細(xì)介紹了距離信息的遺傳迭代算法，并構(gòu)建了一發(fā)三收的多基地探測(cè)系統(tǒng)，開展了以電離層不均勻體作為非合作目標(biāo)的定位試驗(yàn)。通過試驗(yàn)，成功獲得了非合作目標(biāo)的經(jīng)度、緯度和高度信息。研究表明：該方法具有自我反饋機(jī)制，能夠避免定位結(jié)果陷入局部最優(yōu)解和算法性能的不穩(wěn)定，為非合作目標(biāo)定位的研究提供了一種新的思路。

多基地探測(cè)；非合作目標(biāo)；目標(biāo)定位；距離信息；遺傳迭代算法

1　引言

非合作目標(biāo)泛指不能提供有效合作信息的目標(biāo)，包括空間碎片、臨時(shí)失效與廢舊棄用航天器、外層空間飛行物、敵對(duì)飛機(jī)、敵對(duì)艦船、敵對(duì)單兵等?；诙嗷叵到y(tǒng)的非合作空間目標(biāo)定位，通常通過對(duì)所有收發(fā)站的已知位置參數(shù)和信號(hào)群路徑進(jìn)行相關(guān)處理來實(shí)現(xiàn)。與單基地系統(tǒng)相比，利用多基地系統(tǒng)定位非合作空間目標(biāo)更易于跟蹤目標(biāo)和提高定位精度。

在非合作目標(biāo)探測(cè)過程中，傳統(tǒng)的非合作目標(biāo)定位方法大致分為兩類：一類是匹配場(chǎng)處理（Matched-Field Processing，MFP）［1-2］；另一類是目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析（Target Motion Analysis，TMA）處理［3-6］。MFP定位技術(shù)需要利用傳播模型來反復(fù)計(jì)算拷貝場(chǎng)向量，然后將拷貝場(chǎng)與測(cè)量場(chǎng)進(jìn)行“匹配”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非合作目標(biāo)的定位。然而，該方法受到諸如計(jì)算量、模型失配、噪聲等因素的影響［7］，在實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制。TMA方法以估計(jì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)（如距離、速度等）為主要目的，包括多基地距離信息直接求解方法、純方位TMA、基于方位和多普勒頻率測(cè)量的TMA、時(shí)空積分TMA、基于方位和時(shí)延差測(cè)量的TMA等方法［8-11］。其中，距離信息直接求解方法為工程上常用的方法，但該方法本身不具備優(yōu)化機(jī)制，完全依賴于參數(shù)的輸入，所以存在對(duì)回波信號(hào)的群路徑誤差敏感和性能不穩(wěn)定的缺陷［12-13］。

開展非合作空間目標(biāo)定位技術(shù)的研究對(duì)于未來空間電子偵察、空間目標(biāo)成像、空間預(yù)警對(duì)抗等具有重要的意義。本文針對(duì)傳統(tǒng)非合作空間目標(biāo)定位方法所存在的缺點(diǎn)，提出將距離信息遺傳迭代算法作為改進(jìn)方法，以提供一種更加有效的非合作空間目標(biāo)定位手段。

2　多基地定位系統(tǒng)

多基地定位系統(tǒng)［14］采用多站聯(lián)合探測(cè)非合作目標(biāo)，并進(jìn)行集中式數(shù)據(jù)處理，探測(cè)原理如圖1所示，其中Transmitter站為發(fā)射站，發(fā)射雷達(dá)信號(hào)；Receiver_ 1、Receiver_2、Receiver_n站為接收站，接收雷達(dá)信號(hào)。

接收站和發(fā)射站之間通過信號(hào)同步網(wǎng)絡(luò)，在時(shí)域、頻域和空域上構(gòu)成同步數(shù)據(jù)傳遞鏈，其中多個(gè)接收站同時(shí)接收經(jīng)非合作目標(biāo)散射后的信號(hào)。多基地定位系統(tǒng)然后通過對(duì)各接收站獲取的回波信號(hào)分別進(jìn)行相關(guān)處理，以得到發(fā)射站-目標(biāo)-各個(gè)接收站的所有群路徑信息。

圖1　多基地系統(tǒng)的集中式處理結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of centralized processing in multi-base system

3　非合作目標(biāo)定位技術(shù)

本文基于一發(fā)三收的多基地探測(cè)手段，采用距離信息遺傳迭代算法作為非合作目標(biāo)定位方法來實(shí)現(xiàn)非合作目標(biāo)定位，其核心任務(wù)就是求出非合作目標(biāo)的位置矢量X=［x y z］T。

在多基地定位系統(tǒng)中，利用多站聯(lián)合探測(cè)方式，多個(gè)接收站同時(shí)接收回波散射信號(hào)，得到群路徑參數(shù)。結(jié)合多基地定位系統(tǒng)已知的各基地位置信息（發(fā)射站點(diǎn)的經(jīng)緯度以及3個(gè)接收站點(diǎn)的經(jīng)緯度），可以得到如下所示的測(cè)量方程組：

式中：rT為發(fā)射站到非合作目標(biāo)的距離；i=1，2，3；ri為非合作目標(biāo)到第i個(gè)接收站的距離；ρi是已知量，它對(duì)應(yīng)第i個(gè)接收站點(diǎn)獲得的非合作目標(biāo)回波群路徑；（x，y，z）為非合作目標(biāo)的位置信息；（xT，yT，zT）為發(fā)射站點(diǎn)位置坐標(biāo)；（xi，yi，zi）為各接收站點(diǎn)位置坐標(biāo)。

在實(shí)際探測(cè)當(dāng)中，由于每個(gè)接收站所接收到的回波信號(hào)并不是都來源于非合作目標(biāo)上的單個(gè)散射點(diǎn)，而且受環(huán)境條件等因素的影響，使得每個(gè)接收站實(shí)際測(cè)得的群路徑與真實(shí)的群路徑之間存在誤差，即

在每個(gè)接收站測(cè)得的群路徑的基礎(chǔ)之上，當(dāng)采用遺傳迭代算法來求解非合作目標(biāo)的位置坐標(biāo)（x，y，z）時(shí)，最重要的是確定目標(biāo)函數(shù)obj（i），即通過遺傳迭代算法本身的優(yōu)化機(jī)制，以盡量減小每個(gè)接收站實(shí)際測(cè)得的群路徑與真實(shí)群路徑之間的誤差作為目標(biāo)。對(duì)于一發(fā)三收的多基地探測(cè)手段，目標(biāo)函數(shù)可寫作

當(dāng)obj（1）、obj（2）、obj（3）同為最小值的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的x、y、z為目標(biāo)輸出值。然而，多目標(biāo)函數(shù)無法達(dá)到絕對(duì)的統(tǒng)一，因此將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換成單目標(biāo)函數(shù)，各目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)分別設(shè)為w1、w2、w3，則總的目標(biāo)函數(shù)為

式中：w1+w2+w3=1；權(quán)重系數(shù)（w1，w2，w3）根據(jù)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)（obj（1），obj（2），obj（3））的重要程度進(jìn)行取值。目標(biāo)函數(shù)obj（1）、obj（2）、obj（3）來源于3個(gè)接收站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)于本文試驗(yàn)而言，3個(gè)接收站點(diǎn)的數(shù)據(jù)同等重要，因此權(quán)重系數(shù)選值為w1=w2=w3=1/3。

距離信息遺傳迭代算法的流程如圖2所示，詳細(xì)步驟如下：

（1）分析并確定非合作目標(biāo)的坐標(biāo)信息參數(shù)集（經(jīng)度［-180°，180°］，緯度［-90°，90°］）；

（2）基于非合作目標(biāo)的坐標(biāo)信息參數(shù)集，根據(jù)距離信息和發(fā)射接收站點(diǎn)經(jīng)緯度，采用二進(jìn)制的方式進(jìn)行編碼；以非合作目標(biāo)坐標(biāo)范圍中的第T個(gè)坐標(biāo)信息參數(shù)集為最初始的群體；

（3）計(jì)算此群體中每個(gè)坐標(biāo)信息個(gè)體的適應(yīng)度，并選擇適應(yīng)度高的坐標(biāo)信息個(gè)體進(jìn)行復(fù)制；

（4）接著進(jìn)行坐標(biāo)信息個(gè)體交叉的操作，再進(jìn)行坐標(biāo)信息個(gè)體變異的操作，同時(shí)確定出非合作目標(biāo)的坐標(biāo)范圍中的第T+1個(gè)群體，以備后用；

（5）若在坐標(biāo)范圍中第T個(gè)坐標(biāo)信息群體滿足目標(biāo)函數(shù)條件時(shí)，就輸出非合作目標(biāo)的坐標(biāo)，完成此時(shí)定位；若坐標(biāo)范圍中第T個(gè)坐標(biāo)信息群體不能滿足目標(biāo)函數(shù)條件時(shí)，則返回計(jì)算新的種群（即第T+1群體）中每個(gè)坐標(biāo)信息個(gè)體的適應(yīng)度；

（6）對(duì)第T+1個(gè)群體中的坐標(biāo)信息個(gè)體進(jìn)行選擇、交叉、變異等操作，如此迭代，直到得到滿足目標(biāo)函數(shù)的坐標(biāo)信息個(gè)體為止，即得到非合作目標(biāo)的位置信息。

在多基地定位系統(tǒng)的實(shí)際操作中，各基地將所測(cè)得的目標(biāo)數(shù)據(jù)obj（i）通過數(shù)據(jù)傳遞鏈網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街醒胩幚頇C(jī)，并確定求解目標(biāo)函數(shù)obj；若在坐標(biāo)范圍中第T個(gè)坐標(biāo)信息群體滿足目標(biāo)函數(shù)條件時(shí)，中央處理機(jī)采用本文提出的定位方法來求解非合作目標(biāo)的位置坐標(biāo)（x，y，z），完成非合作目標(biāo)的定位。否則，在坐標(biāo)參數(shù)集范圍內(nèi)搜索，不停地迭代，直到找到某個(gè)坐標(biāo)信息群體滿足目標(biāo)函數(shù)條件時(shí)，再采用本文提出的定位方法來求解非合作目標(biāo)的位置坐標(biāo)（x，y，z），完成非合作目標(biāo)的定位。

圖2　距離信息遺傳迭代定位算法的流程圖Fig.2 Flow chart of the genetic iterative location algorithm based on the distance information

綜上所述，與傳統(tǒng)非合作目標(biāo)定位算法相比，本文所提出的算法自身具有優(yōu)化機(jī)制，可以快速地將解空間中的全體解搜索出，而不會(huì)陷入局部最優(yōu)解的快速下降陷阱，因此具有較好的全局搜索能力，可以有效解決對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)的群路徑誤差敏感的問題；并且利用它的內(nèi)在并行性，可以方便地進(jìn)行分布式計(jì)算，加快求解速度。

4　試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證所提出算法的有效性，本文通過對(duì)電離層不均勻體這樣一種非合作目標(biāo)進(jìn)行定位分析。2014年9月11日，開展了對(duì)海南省東方市上空自然形成的電離層不均勻體的定位實(shí)驗(yàn)，其中發(fā)射點(diǎn)位于海南省萬寧市，3個(gè)接收點(diǎn)分別位于海南省屯昌市、三亞市和澄邁市。

在開展定位試驗(yàn)之前，為了有效地消除各個(gè)站之間的時(shí)間同步誤差對(duì)群路徑測(cè)量的影響，我們開展了時(shí)間同步校準(zhǔn)試驗(yàn)。

首先，將發(fā)射站和接收站放置在同一個(gè)位置，構(gòu)成準(zhǔn)單基地探測(cè)系統(tǒng)，并且利用接收站接收發(fā)射站發(fā)射的近場(chǎng)信號(hào)，獲取一個(gè)固定的群時(shí)延參數(shù)。由于信號(hào)在兩個(gè)站之間的傳播距離近似等于0 km，因此在實(shí)際探測(cè)中通過將獲得的群時(shí)延減去該固定的群時(shí)延，來消除兩個(gè)站之間的固有時(shí)間同步誤差。

然后，將發(fā)射站和接收站仍然放置在同一個(gè)位置，并且構(gòu)成電離層垂直探測(cè)系統(tǒng)。通過比較分析系統(tǒng)探測(cè)到的電離層高度值與國際通用的理論值是否吻合，來驗(yàn)證固有時(shí)間同步誤差去除的有效性。

本次實(shí)驗(yàn)的探測(cè)結(jié)果之一如圖3所示，其中發(fā)射站和3個(gè)接收站同時(shí)開始觀測(cè)。

圖3　屯昌、三亞、澄邁接收站的回波探測(cè)結(jié)果Fig.3 Results of echo detection by the Tunchang，Sanya，Chengmai receiving station

從圖3中可以看出：由于發(fā)射波束有一定的寬度，導(dǎo)致經(jīng)電離層不均勻體散射后的回波出現(xiàn)群路徑展寬。在實(shí)際數(shù)據(jù)處理中，我們?nèi)∽畲蠡夭ㄐ旁氡人鶎?duì)應(yīng)的群路徑作為已知參數(shù)。因此對(duì)于屯昌站，可得到群路徑為637.4 km，即ρ1=637.4 km；對(duì)于三亞站，可得到群路徑為637.4 km，即ρ2= 637.4 km；對(duì)于澄邁站，可得到群路徑為737.4 km，即ρ3=637.4 km。又由于萬寧站、屯昌站、三亞站和澄邁站的位置坐標(biāo)分別為［110.508 5°E，18.967 5°N］、［110.098 7°E，19.365°N］、［109.493 2°E，18.204 6°N］和［109.998 5°E，19.745 5°N］，因此可以得到（xT=194.589 3，yT= 7.172 3，zT=0），（x1=151.129 6，y1=51.373 7，z1= 0），（x2=88.213 8，y2=-77.661 0，z2=0），（x3= 140.286 6，y3=93.684 7，z3=0）。將上述參數(shù)代入式（4），并利用所提出的距離信息遺傳迭代算法，可以求出電離層不均勻體的散射點(diǎn)在地面上投影的位置為（109.060 7°E，19.130 3°N），散射虛高為280.854 8 km。

圖4中，3個(gè)黑色實(shí)心點(diǎn)所在的位置分別是屯昌、三亞和澄邁3個(gè)接收機(jī)所在的位置；紅色十字架是萬寧發(fā)射機(jī)所在的位置；紅色的五角星是海南省東方市所在的位置，也是此坐標(biāo)系的原點(diǎn)；紅色圓圈是估算出的電離層不均勻體的散射點(diǎn)位置。

圖4　一發(fā)三收的電離層不均勻體定位結(jié)果Fig.4 Location results of the ionospheric irregularity with the multi-base detection

從圖4（b）中可以清晰看到，電離層不均勻體的散射點(diǎn)在地面的投影坐標(biāo)為（42.3 km，25.28 km），即投影點(diǎn)相對(duì)于海南省東方市向東偏42.3 km，向北偏25.28 km。該結(jié)論與先驗(yàn)信息相符，成功地驗(yàn)證了本文的算法。

5　結(jié)束語

本文提出了一種基于距離信息的遺傳迭代算法，與傳統(tǒng)的非合作目標(biāo)定位算法相比，該算法具有自我反饋機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)全局搜索，找到整體最優(yōu)解，避免定位結(jié)果陷入局部最優(yōu)解和性能的不穩(wěn)定性。對(duì)電離層不均勻體進(jìn)行定位的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明：利用所提出的算法可以得到該非合作空間目標(biāo)的經(jīng)度、緯度以及高度信息，合理地解決了對(duì)回波信號(hào)的群路徑誤差敏感的問題，成功地完成了非合作空間目標(biāo)的定位。相應(yīng)的算法和技術(shù)也可用于高頻段的非合作目標(biāo)的被動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)之中，實(shí)現(xiàn)對(duì)非協(xié)作空間目標(biāo)的探測(cè)與定位，擴(kuò)展傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用范疇。

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李 婷（1986—），女，湖南邵陽人，2013年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事飛行器測(cè)控通信系統(tǒng)總體技術(shù)研究工作。

LI Ting was born in Shaoyang，Hunan Province，in 1986.She received the Ph.D.degree in 2013.She is now an engineer.Her research concerns spacecraft TT&C system technology.

Email：liting142@126.com

An Improved Location Method of Non-cooperative Target and Its Application Verification

LI Ting
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

For the drawback that the traditional location method of non-cooperative target is sensitive to the group path error of echo-signal and the performance is instable，the genetic iterative algorithm based on the distance information is presented in this paper to locate the non-cooperative target.The genetic iterative algorithm based on the distance information is introduced in detail.Furthermore，with the multi-base detection，the location experiment of the non-cooperative target which is the ionospheric irregularity is carried out.Through above experiment，the longitude，latitude and altitude of the non-cooperative target can be obtained.The study shows the location technology has feedback mechanism to avoid the location results into local optimal solution and instable performance，which provides a new idea for the study of non-cooperative target location.

multi-base detection；non-cooperative target；target location；distance information；genetic iterative algorithm

TN911

A

1001-893X（2016）04-0372-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.04.004

李婷.一種改進(jìn)的非合作目標(biāo)定位方法及其應(yīng)用驗(yàn)證［J］.電訊技術(shù)，2016，56（4）：372-376.［LI Ting.An improved location method of non-cooperative target and its application verification［J］.Telecommunication Engineering，2016，56（4）：372-376.］

2015-09-18；

2016-01-09 Received date:2015-09-18；Revised date:2016-01-09

中國西南電子技術(shù)研究所技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目（H15015）Foundation Item：Project Supported by the Creative Technology of Southwest China Institute of Electronic Technology（H15015）

**通信作者:liting142@126.com Corresponding author：liting142@126.com