多普勒定位报告

1、多普勒定位.研究背景现代定位技术的研究越来越广泛的应用在我们的生活中，其应用领域涉及到 陆上、水上、水下、航空等多个方面，也是综合电子战技术发展的前沿课题。利 用目标对探测信号的定位，对目标的准确定位，在诸多军用和民用系统中具有极 其重要的意义，在军事系统中，它有助于发挥精确打击武器的作用， 为最终摧毁 对方提供强有力的保障。对民用系统来说，无线电定位可以为人类提供精确的导 航、授时、地理测量等信息，是现代社会生活的重要保障。而对目标的定位方法 也在一直研究发展。在对目标的定位主要有三种定位方法：有源定位和利用第三方辐射源的无源相干定位。.研究现状从早期的方位测量三角交汇定位到之后出现的到达时

2、间差（TDOA）和到达时间（TOA）以及差分多普勒（DD）测量定位方法，近年来还出现了利用相位变化率 （PRC）的定位技术。.红外被动定位研究红外探测是利用目标（如飞机、导弹、火箭）的红外热辐射工作的，属于无 源被动的工作方式，通过发射激光光束，接收到目标反射回来的激光光束进行距 离的估算，进而得到目标的位置。.传统的测向无源定位技术利用测向原理的三角定位技术是经典而成熟的技术。三角定位的关键是如何快速而精确地获得被测得信号的 到达角度（AOA）数据。迄今已有多种获得AOA 数据的方法，常见的高精度测向方法主要有空间谱估计法、时差法、去卷积法、 最大似然估计法等。通过对目标与观测基站之间的角度

3、测量，通过角度的交汇， 进而将角度的交汇点作为需要定位的目标的位置。.差分多普勒定位技术如果目标和接收站处于相对运动状态，还可以采用差分多普勒定位技术。差 分多普勒定位技术是通过在接收基站对目标反射信号的多普勒频移进行估计，得到相位差，从相位差中提取出信号的反射角度，进而以类似AOA估计的方式得到目标位置。国外较多的定位系统采用 TDOA/差分多普勒，或TDOA/测向等复 合定位体制，使技术优势互补，实现最佳的定位技术组合。究内容对于多站定位系统来说，除了采用常见的到达时间(DOA)测量定位、时差(TDOA)测量定位，还可以采用多普勒频率差(DD)来进行定位，多普勒频率是任 何具有相对运动物体

4、之间电磁信号的频率变化特性，对于运动目标来说，可以利用运动目标的运动所引起的频率变化来确定目标的位置和运动特性，对于静止的目标，可以人为的产生相对运动来确定目标的位置。 多普勒频率差测量定位可以 按照目标和接收机之间的相对运动分为四类：固定站对运动目标的定位；运动站对固定目标的定位； 固定站对固定目标的定位； 运动站对运动目标的定位；固定平台对运动目标定位时，多普勒频率差是目标位置、接收机位置、目标 速度(包括方向和速度绝对值)的多元函数，在二维平面中，如果全部依靠多普勒 频率差定位并估计目标速度，则二维至少需要五个观测站，三维至少需要七个站。 在平面上，运动多站对固定目标定位，通常至少要求有

5、三个站，其定位方法仍然 是最大似然估计、最小二乘估计等。固定平台对固定目标的定位，是利用单个站 上的多个接收天线组成一定的阵列，通过对每一个阵列天线输出信号的轮流采样 等效实现接收站的空间运动，提取多普勒频率差，再将多普勒频率差换算为目标 所在的方向。因此该方法实质上是方向测量定位，多普勒频率差测量是方向测量 的一种手段，目的是提高测量精度。运动平台对运动目标的定位，系统需要预先 确定己方运动平台的速度矢量，然后通过对运动目标的测量值进行解算， 把问题 转化为固定平台对运动目标的定位。在这里，在传统的使用固定的观测站方式， 通过使用多个接收天线阵列，通 过对每一个阵列天线输出信号的轮流采样等效

6、实现接收站的空间运动，提取多普勒频率差，再将多普勒频率差换算为角度与信号波长， 通过对信号的波长以及角 度换算，进一步进行公式推导，将单一的估计角度在通过其他方法估计距离转换 为，通过角度与波长来估计木便于观测点的距离， 对其中角度不进行直接用以目 标位置的估计，而仅仅用以距离的估计，减小微小的角度而引起的巨大的目标位 置定位误差。尽可能的在距离计算中减少角度误差导致的影响。 转换为了对目标 信号波长的检测，使得因为角度估计的误差结果减小，从而达到了更准确的定位。.定位原理对于通过测量多普勒频移来得到反射源位置信息， 通常有两种模式：一种是 固定反射源，基站移动与基站固定，反射源移动两种模式。

7、而在这里，主要介绍 基站固定，反射源固定此模式下的多普勒定位技术。多普勒频移测量方法多普勒频移是由于目标与接收机之间存在的相对运动而产生的检测到的频率与实际频率之间的偏差，它的改变量与目标运动速度成正比。多普勒频移估计 原理如图1.ZT(x,y,z)X图1多普勒频差原理图假设目标T的位置(x,y,z), O为中心站，位置为坐标原点(0, 0, 0),观测站Si的位置为(xi,yi,zi), (i=1,2,3)则向量OT的方向余弦为(cosa,cos B,cos?),其中:xcos：=(1.1)cos二 yx2 y2 z2假设目标的运动速度为V,做匀速直线运动，V =(Vxcosa ,Vycos

8、B ,VzcosY),其方向余弦为(cosa,cosP,cos),则OT与V的夹角余弦为:cosi -cos：cos： cos: cos cos cos (1.2)对观测站 Si,向量 OSi 为(xi,yi,z),向量 ST =(x-xi, y-yi,z-z),则向量 SiT的方向余弦(coso(i,cosPi,cosyi)为：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 -丫产 (z-zi)2向量S

9、iT与速度V的夹角01的余弦为:C0SF1=C0S：t cos： cos： 1 cos ： cos 1 cos 设目标的工作频率为f ,波长为九，则f =c/九，其中c表示光速，对中心站O其接受到的目标频率f为：v f 0 = f fd = f COS11(1.5)九其中fd为多普勒频移，国为向量SiT与速度V的夹角，由此可以得到中心站与观测站Si的多普勒频差为：V 一=一 (cos 二一cos：1) cos： (cos I- cos!：:；1) cos ： (cos一cos 1) cos (1.6)多普勒测距原理通过得到多普勒频移，可以进一步的推导出目标与工作站的距离， 以二维空 间为例，推

10、论如下：如图2, P为目标,0为中心观察点，Ai为观测基站单元，Afd01为测量得到的多普勒频移。当&d01为0时，目标反射信号与观测站接受信号源的方向相同，由此我们可以得到目标辐射源的方向，并且由此也可以得到目标在不同时刻对于 观测站的角度夹角也。对于如图2中的二维实例，我们可以得到目标与天线单元 Ai之间的距离，如 下：R = JR2 +r2 _2Rrcosp+(i 1)牛(1.7)式中夹角&为天线单元Ai和参考天线O的连线与OP之间的夹角，圆心参考 天线O与目标之间的距离为 R ,圆周上的天线单元 Ai与目标之间的距离为通过对天线单元Ai与目标之间的距离Ri求均值得到R,平均R与圆心参考

11、天 线O与目标之间的距离差为:2.2:1 nR-R 二一” N i4r -2Rrcosu1 (i -1)(1.8)NRi R其中，分母R+R在Rr的情况下，有下述关系:Ri R喘1r2二、产-R(1.9)由公式1.9与1.8可以得到:r2N n .R-R =cos2口。 (i -1)2RN 22二r2R n一(一 -一厂 cos2口N2R r y当N 2时，有n“ cos211 (i -1) i W因此:2 r R-R - 4R2c N- rR =N-2 r ii 1而该推论成立的条件为:4.3测距精度在分析测距误差时，对（1.12）式进行微分，可以得到r d(R- R)=dr2R4R2dR(

12、1.15)在近似认为dr =0时，则有:火-型(N i)r:rN p(1.16)由式(1.16)可以得到，测距误差主要来自于圆周上天线单元信号参与天线信号相位差的测量误差户和信号波长不稳定九。相位差测量误差越小。而在实际测量中，信号波长测量误差一般较小，主要集中在对天线单元信号与中心天线 信号相位差的测量过程中。5.多普勒频移仿真在本章节，分别使用多普勒频移进行测距，并对比了不同信号波长，不同信 号载频，以及距离变化，来对估计距离与实际距离进行对比来分析多普勒测距的 原理以及方法。在这里，所有的仿真均不涉及多径导致的相位抵消。信号波长以及入射角度对多普勒测距影响在阅读大量文献后，通过公式推导发

13、现，信号的波长以及入射角度对于使用 多普勒估计得到的精度有着巨大的影响，故在这里对目标使用不同信号波长来进 行仿真分析：在理想情况下，并且入射角度与规定正方向相同，即入射角度为0度到360度逐次以45度为间隔进行递增时，仿真探测信号波长为20mm, 40mm,以20mm 为间隔递增直到100mm为变量，天线单元半径为5m,目标与观测基站中心点为 1000m,进行仿真。表1不同信号波长对多普勒测距影响仿真参数表入射角度信号波长(mm)天线单元半径(m)0,冗/4, n/2, 3n/4,冗，5n/4,3n/2, 7n/4, 2叫20,40, 60, 80, 1005天线单元个数基站与目标距离(m)

14、201000仿真结果如图3,图4。图3为0度入射角下不同信号波长对多普勒测距的 影响，单一的对信号波长对使用多普勒频移估计距离产生的误差进行仿真。图 4 为不同信号波长以及入射角度对多普勒测距影响，其中角度是以每个单位为n /4来进行计数的，角度范围为02冗。波长的单位为mm。可以通过仿真图直观的 看到估计误差。1.5625差误离距1.56251.56251.56251.56251.56251.562530405060708090100波长/mm-3x 101.56251.56251.56251.56251.56251.5625100图3 0度入射角下不同信号波长对多普勒测距影响差 误 W 距

15、图4不同信号波长以及入射角度对多普勒测距影响仿真分析：由图3可以得到，在0度入射角的情况下，使用多普勒频移的方法来进行测 距，具有较小的测距误差。但在探测信号的波长为90mm时，出现一个较大的突 变，测距误差会降低一些，但总的来看，测距十分稳定，对于距离估计得到的误 差较小，由图4可以得到，信号波长以及入射角度对多普勒频移测距导致的测距 误差，从仿真图中可以发现在3冗/4以及7n/4处，会产生两个向下突出的尖峰，距离估计误差会降低。兀/4以及5n/4处，会产生两个向上突出的尖峰，距离估 计误差会增大。信号载频以及观测基站与目标之间距离对多普勒测距影响通过进一步的对多普勒测距分析，考虑估计目标与

16、观测基站实际之间的距离 以及信号使用载频的频率大小同样会对通过使用多普勒频移来对距离的估计精 度产生一定的影响，故在这里对目标使用不同目标与观测基站实际之间的距离以 及信号使用载频的频率不同来进行仿真分析：在对不同距离以及不同信号载频的情况下， 对多普勒频率测距进行仿真，基 站与检测目标之间的距离从1km到8km,以及信号载频从0.8GHz,5GHz,9GHz, 13GHz到18GHz,导致测距精度的误差。具体仿真参数如下表 2。表2不同信号波长对多普勒测距影响仿真参数表#所（MHz）目标移动速度（m/s）观测基站个数9155454观测基站位置信号载频（GHz）基站与目标距离（km）-1000

17、, 0, 00, -1000, 00, 1000, 01000, 0, 00.8, 5, 9, 13, 181,2,3,4,5,6,7,8仿真结果如图5,图5为不同信号波长以及入射角度对 多普勒测距影响，其中横坐标是实际距离单位为km,纵坐标是估计距离与实际距离的误差单位为 m, 通过图5的仿真结果图，可以用以对比不同实际距离与波长对使用多普勒频移估 计距离的估计误差图5不同信号波长以及入射角度对多普勒测距影响Er胃宴程易由仿真结果分析可以得到：在距离从0到8km的测距范围内，发现在500m到1km之间，估计距离误差 较小，而在小于500m以内时，距离估计误差极大，而估计距离当超过1km以后，

18、 估计误差又会逐渐变大，但载波频率越大，信号的估计距离误差增大越缓慢。 分 析对于实际需要估计距离变化对通过多普勒频移估计距离产生影响，是由于当距离过小时，多普勒频移测量的入射角以及通过多普勒频移估计距离中的估计误差 导致的，距离过小导致不满足估计误差所满足的目标与圆心天线距离远远大于圆 心天线与圆周天线单元之间的距离而导致的估计误差。而对于距离过大时，由于 距离过大导致的信号波长变化以及信号受到干扰等因素会导致距离估计产生误 差增大，但载频较大时，会使得这种误差增长缓慢，并且根据公式推论可以得到， 尽管在距离小于500m时，会有较大的估计误差，但是使用较大的载频可以对这 些进行一定的抵消。6

19、.总结多普勒定位是通过检测接收到的探测信号在运动时产生的多普勒频率，再将多普勒频率换算为目标所在的方向以及目标与观测基站之间的距离。因此该方法实质上是对目标的多普勒频移进行检测， 进而测量定位，在对目标的多普勒频移 进行检测时，受到的多径干扰导致的相位抵消以及信号所使用的波长不同，探测距离的大小等因素都会影响多普勒频移估计的准确程度。信号波长以及入射角度对多普勒频移测距导致的测距误差，集中在 3n /4以及7n /4处，会产生两个向下突出的尖峰，距离估计误差会降低。 n/4以及5n /4处，会产生两个向上突出 的尖峰，距离估计误差会增大。而对距离的估计在1km左右时，估计误差最小， 并且载波频

20、率越大，信号的估计距离误差增大越缓慢。参考文献1曲长文.多普勒定位技术的研究J.舰船电子对抗,1997(03):1-5.2于振海.多普勒无源定位D.西安电子科技大学,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