一种基于多线程并行的干涉仪测向定位快速处理方法_廖帅.pdf
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1、工程应用航天电子对抗2023年第 1期一种基于多线程并行的干涉仪测向定位快速处理方法廖帅,周少琼,朱晓玉,赵永宁,赫岩(北京市遥感信息研究所,北京 100094)摘要:干涉仪测向定位是一种被广泛应用的空间无源定位技术。由于电磁空间环境脉冲密度较大,通过脉冲分选、相位差校正及相位解模糊等处理流程得到辐射源参数和位置信息,时延较大。针对该问题,提出了一种基于多线程并行的干涉仪测向定位快速处理方法。通过 QRunnable类定义干涉仪测向定位的多线程算法,将单个节拍数据的串行处理流程,利用多线程并行计算的方式实现高效计算。通过仿真测试,验证了快速处理方法的有效性,该方法具有较好的工程应用价值。关键词
2、:干涉仪;测向定位;多线程;并行处理中图分类号:TN971+.1;TN974 文献标志码:AA fast processing method of direction finding and position with phase interferometers based on multi-thread parallelLiao Shuai,Zhou Shaoqiong,Zhu Xiaoyu,Zhao Yongning,He Yan(Beijing Remote Sensing Information Institute,Beijing 100094,China)Abstract:Inter
3、ferometer direction position is a widely used spatial passive positioning technology.Due to the high pulse density of the electromagnetic space environment,the radiation source parameters and position infor-mation are obtained through the processing processes of pulse sorting,phase difference correc
4、tion and phase solu-tion blur,which is poor in timeliness.To solve this problem,a fast processing method of direction finding and po-sition with phase interferometers based on multi-thread parallel has been proposed.This method changes the seri-al processing of single beat data to multi-thread paral
5、lel computation through the function of QRunnable class.Through simulation tests,the effectiveness of this method is verified,which has good engineering application val-ue.Key words:interferometer;direction finding and position;multi-thread;parallel process0 引言测向系统是空间无源定位系统的重要组成部分,可以截获、分析和定位目标辐射源,具有
6、极高的使用价值1。测向系统主要包括多站和单站 2 种模式。多站的时频差和时差定位技术,要求多站之间具有高精度时间同步和通信链路,系统实现复杂,成本较高;单站测向技术,分为比幅测向和干涉仪测向,比幅测向的精度较低,目标辐射源定位精度较差2。干涉仪测向定位技术具有测向精度高、结构简单、测向频段宽等优点,在现代电子系统中已广泛应用。相较于线阵干涉仪,圆阵干涉仪可同时提供方位角和俯仰角二维角度信息,解模糊概率高,结构更简单且对平台安装尺寸要求低3。目前,在一些小型化的工程实践平台上,已实现了一种基于长短基线的圆阵干涉仪测向方法,利用较短基线覆盖宽视角和解模糊,利用较长基线保证测向精度4。干涉仪测向定位
7、系统中,相位差解模糊是研究的重点,也是在工程实践中需要重点解决的核心问题5。目前有很多常用的圆阵干涉仪解模糊的方法,其中一种是采用 1 组最长基线作为参考,先计算出所有模糊数下的方位角和俯仰角,再代入每组基线计算误差最小的模糊数,由于需将可能的方位角及俯仰角代入各组基线进行运算,在基线数量较多时,运算量较大6。本文提出了一种基于多线程并行的干涉仪测向定位收稿日期:20221027;20221131修回。作者简介:廖帅(1990-),男,工程师,硕士,主要研究方向为空间对地观测。-32DOI:10.16328/j.htdz8511.2023.01.006工程应用廖帅,等:一种基于多线程并行的干涉
8、仪测向定位快速处理方法2023,39(1)快速处理方法,在圆阵干涉仪相位差解模糊上采用常规的长短基线逐级解模糊法,其研究的重点是如何提升单个节拍数据的处理时效。本文方法通过 Qt的线程池 QRunnable 类定义干涉仪测向定位的多线程算法,将单个节拍数据的串行处理流程,利用多线程并行计算的方式实现高效计算。并通过仿真测试,验证了该方法的有效性。1 干涉仪测向定位原理相位干涉仪测向的基本原理是利用不同测向天线在同一时刻接收到的信号相位差与信号的到达方位、俯仰角的对应关系,通过测量不同天线同一时刻接收到的来波信号的相位差,计算得到信号的方向7。以圆阵天线为例,其测向原理图如图 1 所示。假设圆半
9、径为 R,天线为 q,且有 q=0,1,Q-1 共 Q 个天线。天线阵列位于 x,y 平面内,第一个天线阵元为 0号阵元,并且位于 x轴上,因此=0。天线正好定位于角度q的整数倍处。假设一个幅度为 A、频率为 f 的平面波以方位角、俯仰角 入射到这个阵列上,那么第 q 个阵元上的感应输出可以写为:e(q,t)=A exp(j2(ft+R cos cos(2q/Q)/)(1)综合各个阵元的信息,可以求出信号相对于坐标系的方位角和俯仰角。下面以五元均匀圆阵布阵方式为例说明测向原理。天线阵元 1、2、3、4、5均匀分布在半径为 R 的圆环上,如图 2所示。为实现二维高精度测向,必须采用至少 2 组基
10、线对才能进行测向,以天线阵元 2、天线阵元 3、天线阵元1形成 2-3、2-1基线对为例说明测向原理。天线阵元 2、天线阵元 3、天线阵元 1 接收信号相位分别为:i=2R cos cos(+i 2 Q),i=1,2,3,4,5,Q=5(2)阵元 2和阵元 3形成的干涉仪对应的相位差为:23=-4R sin(/2)cos sin(-/2)(3)阵元 2和阵元 1形成的干涉仪对应的相位差为:21=4R sin(/2)cos sin(-+/2)(4)式中,为基线对阵元 2 与圆心连线和 OXa夹角,为阵元 1 与圆心连线、阵元 3 与圆心连线夹角。将每组基线对做和差处理:s=8R sin(/2)s
11、in(/2)cos cos(-)d=8R sin(/2)cos(/2)cos sin(-)(5)信号方向矢量(cos cos,cos sin,sin)在阵列平面的投影为:Um=(s/(8R sin(/2)sin(/2)+jd/(8R sin(/2)cos(/2)ej(6)可得方位角、俯仰角测量结果为:=arctan(imag(Um)/real(Um)=arccos(Um)(7)可见,根据基线设置和相位差测量结果即可求得方位角 和俯仰角。对地面辐射源的定位是通过二维干涉仪对目标的无线电波到达方向的方位 和俯仰 角度进行测量,根据测得的角度信息以及地球约束方程对地面辐射源目标进行定位。采用 WGS
12、-84 坐标系作为基准坐标系,辐射源的位置坐标为 XT(x,y,z),其大地坐标为 XT,BLH(L,B,H),在地固坐标系中,直角坐标与大地坐标的关系如下:|x=(RN+H)cos B cos Ly=(RN+H)cos B sin Lz=(RN(1-e2)+H)sin B(8)图 1圆阵天线测向原理图图 2测向定位场景示意图-332023,39(1)航天电子对抗式中,RN是目标当地卯酉圈半径,L、B、H 分别为目标的经度、纬度和高程;为 WGS-84 地球椭球第一偏心率。假定在地固坐标系中平台位置为 Xs,(x1,y1,z1),转换至星体坐标系中,辐射源的位置坐标为 XT,b(xT,b,yT
13、,b,zT,b),可以表示为:XT,b=M(Xs,e-XT,e)(9)式中,M 为地固坐标系和星体坐标系之间的坐标转移矩阵。建立状态和观测之间的联系,方位和俯仰角测量方程可以表示为:|=arctan(yT,b/xT,b)=arctan(x2T,b+y2T,b)1/2/zT,b)(10)将直角坐标与大地坐标的对应关系表达式进行化简,可得地球约束方程如下:x2(RN+H)2+y2(RN+H)2+z2(RN(1-e2)+H)2=1(11)方位和俯仰角测量方程与地球约束方程的交点即为辐射源的位置。2 Qt中的多线程技术目前主流的操作系统如 Windows、Linux、Mac OS对多线程均有较好的支持
14、。Windows 环境下,Win32 API提供了多线程应用程序开发所需要的接口函数,微 软 基 础 函 数 类 库(MFC)则 是 用 类 库 的 方 式 将Win32 API 进行封装,以类的方式提供给开发者8。在 Linux 中,POSIX thread(又称为 pthread)是一套通用的线程库,定义了有关线程创建和操作的 API,并且具有很好的可移植性9。Qt作为一种基于C+的跨平台GUI系统,能够给用户提供构造图像界面的强大功能。为满足用户构造复杂的图形界面系统的需求、提高图形用户界面的响应速度,Qt提供丰富的多线程编程支持。Qt提供了与平台无关的线程类,在Qt系统中与线程相关的最
15、重要的类是QThread类,该类提供了创建一个新线程以及控制线程运行的各种方法。线程通过 QThread:run()重载函数开始执行,操作系统会为每一个线程自动分配堆栈,用户也可以调用 QThread:setStackSize()函数设置线程的堆栈。要创建自己的线程,只需继承QThread类和重新实现run()函数即可。Qt中的多线程编程主要涉及到传统的线程操作以及与 Qt事件机制相关的操作,Qt的多线程编程在用户界面程序中尤为重要,特别是界面中有大量消耗 CPU 资源的程序在运行,使用多线程技术,把大量消耗 CPU 资源的程序开辟一个单独的线程运行,能大大提高界面程序的响应速度,同时,还能改
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