基于天線周期掃描時間差無源定位方法技術

基于天線周期掃描時間差無源定位方法，本發明專利技術涉及時間差定位方法。本發明專利技術是為了解決目前采用的無源定位方法中存在跟蹤收斂速度慢、精度低以及需要一定機動的問題。本發明專利技術建立了平臺和目標之間坐標系，并根據所建立坐標系及轉換關系，獲得目標位置的一種計算方法，利用探測范圍的限制對所得目標位置的解進行選取，最后對帶有測量誤差的定位結果采用遞推最小二乘法進行優化，得到了優化后位置估計。本發明專利技術僅利用天線掃描時間觀測值及平臺狀態即可完成對目標的定位，此外對觀測平臺運動形式的限定少，且定位精度隨時間測量精度提高而提高，是一種新的定位方式，對目前的無源定位體制進行了有效補充。本發明專利技術應用于無源定位領域。

【技術實現步驟摘要】
基于天線周期掃描時間差無源定位方法
本專利技術涉及時間差定位方法。
技術介紹
無源雷達在應用中具有隱蔽性好，探測隱身和低空目標能力較強的優點，但由于其無源特性導致無法對靜默目標有效定位，同時也帶來了測量精度的問題。一般研究的無源定位方法有基于到達時間法和測向線交叉定位法。基于到達時間法中雖然對到達時間的精確測量能夠反映目標徑向距離的變化，但是該方法存在著速度慢、精度低的弊端達時間；測向線交叉定位法則要求觀測平臺有一定的機動飛行，這為該技術的應用帶來諸多的不便，此外，跟蹤收斂速度慢、精度低也是該方法的嚴重缺點。雷達天線掃描周期是一項重要的雷達技術參數，天線掃描的測量方法較為簡單，過去一般通過測量相鄰兩次雷達照射的時間差來確定天線掃描周期。當目標相對觀測平臺進行有一定規則的運動時，時間間隔將產生相應的規則變化，因此通過天線周期掃描的時間差可求得雷達狀態信息，但目前利用此項方法進行定位的研究比較少見。
技術實現思路
本專利技術是為了解決目前采用的無源定位方法中存在跟蹤收斂速度慢、精度低以及需要一定機動的問題，而提出的基于天線周期掃描時間差無源定位方法。基于天線周期掃描時間差無源定位方法按以下步驟實現：步驟一：建立坐標系并得到各坐標系間的轉換關系；建立觀測平臺坐標系，以觀測平臺第一次接收到目標信號時的運動方向為y軸方向，垂直y軸為x軸，y軸正方向右側為x軸正方向；建立目標坐標系，所述目標坐標系分為等效目標抖動模型坐標系和等效目標單向偏移模型坐標系；將觀測平臺的抖動和單向偏移等效到目標上，取觀測平臺第一次接收到目標信號時等效的目標運動方向為y'軸方向，垂直y'軸為x'軸，y'軸正方向右側為x'軸正方向；設目標與觀測平臺在同一平面，目標雷達天線進行周期為T的圓周掃描，觀測平臺狀態(xi,vx'i,yi,vy'i)T已知，所述xi為目標坐標系中第i時刻觀測平臺的x'方向坐標，yi為目標坐標系中第i時刻觀測平臺的y'方向坐標，vx'i為第i時刻觀測平臺的x'方向速度，vy'i為第i時刻觀測平臺的y'方向速度，每次目標雷達掃描過觀測平臺時信號都能被捕獲并被記錄掃描時刻ti，根據觀測平臺坐標系與目標坐標系的轉換關系得到坐標變換x＝x'和y＝y'，得到目標相對于觀測平臺在觀測平臺坐標系中的位置(x,y)；建立大地坐標系，以正北方為Y軸方向，正東方為X軸方向；當目標坐標系中坐標需要轉換到大地坐標下時，根據觀測平臺坐標系與大地坐標系的轉換關系，即公式(1)-(3)，可得到大地坐標系下的目標坐標；γ是觀測平臺坐標系y方向和大地坐標系Y方向的夾角；是目標在觀測平臺坐標系中的方位角，XT為目標在大地坐標系中X方向位置，YT為目標在大地坐標系中Y方向位置，x0為觀測平臺在大地坐標系中X方向位置，y0為觀測平臺在大地坐標系中Y方向位置；步驟二：根據步驟一所述的觀測平臺坐標系與目標坐標系的轉換關系以及大地坐標系與觀測平臺坐標系的轉換關系，可以將目標坐標系中所求觀測平臺坐標轉換為大地坐標系中目標坐標，直接在目標坐標系中對觀測平臺位置進行求解，當相鄰兩時刻目標與觀測平臺連線間的夾角大于0時，可以得到求解方程中x,y,T三個未知量需要的方程為：所述T為天線掃描周期，τi＝ti+1-ti，ti為第i時刻天線掃描時間測量值，ti+1為第i+1時刻天線掃描時間測量值，yi+1為目標坐標系中第i+1時刻觀測平臺的y'方向坐標，yi+2為目標坐標系中第i+2時刻觀測平臺的y'方向坐標，yi+3為目標坐標系中第i+3時刻觀測平臺的y'方向坐標，xi+1為目標坐標系中第i+1時刻觀測平臺的x'方向坐標，xi+2為目標坐標系中第i+2時刻觀測平臺的x'方向坐標，xi+3為目標坐標系中第i+3時刻觀測平臺的x'方向坐標；步驟三：求解公式(25)的方程組得到6組數學解，解的選取利用探測范圍的限制，所述探測范圍為100～350km，在探測范圍內的解記為可行解，進一步篩選可行解集合時，若有唯一解則將其作為解，若無可行解則將解計為零，有多組解可以取各解的平均值；步驟四：求解遞推最小二乘法的參數Ri、和P0，將遺忘因子與Ri相乘得到Ri'，將Ri'、和P0帶入遞推最小二乘的基本公式，利用通過時間測量值計算得到的zi估計目標的真實位置得到估計值所述zi為第i時刻的觀測向量(xi,yi,Ti)T，為第i時刻的估計值矩陣Ti為第i時刻天線掃描周期計算值，為第i時刻天線掃描周期估計值，為目標在x'方向坐標的估計值，為目標在y'方向坐標的估計值。本專利技術提出了一種遠距離靜止目標在僅有其雷達天線周期掃描時間差條件下位置估計的方法，該方法對觀測平臺運動形式的限定少。先對已知條件進行分析，建立了平臺和目標之間坐標系并獲得目標位置的一種計算方法，同時對帶有測量誤差的定位結果采用遞推最小二乘法進行優化，得到了位置估計。本專利技術利用天線周期掃描時間差進行定位，與目前常規無源定位方法相比不需要角度測量值，也不需要平臺進行特殊形式機動，僅利用時間觀測值及平臺狀態即可完成對目標的定位，且定位精度隨時間測量精度提高而提高，是一種新的定位方式，對目前的無源定位體制進行了有效補充。附圖說明圖1為目標Tar和觀測器O的幾何關系示意圖；圖2為觀測平臺坐標系圖；圖3為等效目標抖動模型坐標系圖；圖4為等效目標單向偏移模型坐標系圖；圖5為觀測平臺坐標系和目標坐標系轉換關系圖；圖6為大地坐標系與觀測平臺坐標系幾何關系圖；圖7為解的選取流程圖；圖8為間隔一點取點目標x方向計算結果圖(T＝10S偏離角度增量為0.001°)；圖9為間隔一點取點目標y方向計算結果圖(T＝10S偏離角度增量為0.001°)；圖10為間隔一點取點天線掃描周期計算結果圖(T＝10S偏離角度增量為0.001°)；圖11為間隔一點取點目標x方向計算誤差圖(T＝10S偏離角度增量為0.001°)；圖12為間隔一點取點目標y方向計算誤差圖(T＝10S偏離角度增量為0.001°)；圖13為間隔一點取點天線掃描周期計算誤差圖(T＝10S偏離角度增量為0.001°)；圖14為間隔一點取點目標x方向計算結果圖(增加噪聲T＝10S偏離角度增量為0.001°)；圖15為間隔一點取點目標y方向計算結果圖(增加噪聲T＝10S偏離角度增量為0.001°)；圖16為間隔一點取點天線掃描周期計算結果圖(增加噪聲T＝10S偏離角度增量為0.001°)；圖17為間隔一點取點目標x方向計算誤差圖(增加噪聲T＝10S偏離角度增量為0.001°)；圖18為間隔一點取點目標y方向計算誤差圖(增加噪聲T＝10S偏離角度增量為0.001°)；圖19為間隔一點取點天線掃描周期計算誤差圖(增加噪聲T＝10S偏離角度增量為0.001°)；圖20為間隔一點取點目標x方向計算結果圖(T＝10S偏離角度增量為0.05°)；圖21間隔一點取點目標y方向計算結果圖(T＝10S偏離角度增量為0.05°)；圖22為間隔一點取點天線掃描周期計算結果圖(T＝10S偏離角度增量為0.05°)；圖23為間隔一點取點目標x方向計算誤差圖(T＝10S偏離角度增量為0.05°)；圖24間隔一點取點目標y方向計算誤差圖(T＝10S偏離角度增量為0.05°)；圖25為間隔一點取點天線掃描周期計算誤差圖(T＝10S偏離角度增量為0.本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于天線周期掃描時間差無源定位方法，其特征在于，所述基于天線周期掃描時間差無源定位方法包括以下步驟：步驟一：建立坐標系并得到各坐標系間的轉換關系；建立觀測平臺坐標系，以觀測平臺第一次接收到目標信號時的運動方向為y軸方向，垂直y軸為x軸，y軸正方向右側為x軸正方向；建立目標坐標系，所述目標坐標系分為等效目標抖動模型坐標系和等效目標單向偏移模型坐標系；將觀測平臺的抖動和單向偏移等效到目標上，取觀測平臺第一次接收到目標信號時等效的目標運動方向為y'軸方向，垂直y'軸為x'軸，y'軸正方向右側為x'軸正方向；設目標與觀測平臺在同一平面，目標雷達天線進行周期為T的圓周掃描，觀測平臺狀態(xi,vx'i,yi,vy'i)T已知，所述xi為目標坐標系中第i時刻觀測平臺的x'方向坐標，yi為目標坐標系中第i時刻觀測平臺的y'方向坐標，vx'i為第i時刻觀測平臺的x'方向速度，vy'i為第i時刻觀測平臺的y'方向速度，每次目標雷達掃描過觀測平臺時信號都能被捕獲并被記錄掃描時刻ti，根據觀測平臺坐標系與目標坐標系的轉換關系得到坐標變換x＝x'和y＝y'，得到目標相對于觀測平臺在觀測平臺坐標系中的位置(x,y)；建立大地坐標系，以正北方為Y軸方向，正東方為X軸方向；當目標坐標系中坐標需要轉換到大地坐標下時，根據觀測平臺坐標系與大地坐標系的轉換關系，即公式(1)?(3)，可得到大地坐標系下的目標坐標；γ是觀測平臺坐標系y方向和大地坐標系Y方向的夾角；是目標在觀測平臺坐標系中的方位角，XT為目標在大地坐標系中X方向位置，YT為目標在大地坐標系中Y方向位置，x0為觀測平臺在大地坐標系中X方向位置，y0為觀測平臺在大地坐標系中Y方向位置；步驟二：根據步驟一所述的觀測平臺坐標系與目標坐標系的轉換關系以及大地坐標系與觀測平臺坐標系的轉換關系，可以將目標坐標系中所求觀測平臺坐標轉換為大地坐標系中目標坐標，直接在目標坐標系中對觀測平臺位置進行求解，當相鄰兩時刻目標與觀測平臺連線間的夾角大于0時，可以得到求解方程中x,y,T三個未知量需要的方程為：2π(τi-T)[x2+y2-(yi+1+yi)y-(xi+1+xi)x+yi+1yi+xi+1xi]-T[x(yi+1-yi)-y(xi+1-xi)+yixi+1-yi+1xi]=02π(τi+1-T)[x2+y2-(yi+2+yi+1)y-(xi+2+xi+1)x+yi+1yi+1+xi+2xi+1]-T[x(yi+2-yi+1)-y(xi+2-xi+1)+yi+1xi+2-yi+2xi+1]=02π(τi+2-T)[x2+y2-(yi+3+yi+2)y-(xi+3+xi+2)x+yi+3yi+2+xi+3xi+2]-T[x(yi+3-yi+2)-y(xi+3-xi+2)+yi+2xi+3-yi+3xi+2]=0---(25)]]>所述T為天線掃描周期，τi＝ti+1?ti，ti為第i時刻天線掃描時間測量值，ti+1為第i+1時刻天線掃描時間測量值，yi+1為目標坐標系中第i+1時刻觀測平臺的y'方向坐標，yi+2為目標坐標系中第i+2時刻觀測平臺的y'方向坐標，yi+3為目標坐標系中第i+3時刻觀測平臺的y'方向坐標，xi+1為目標坐標系中第i+1時刻觀測平臺的x'方向坐標，xi+2為目標坐標系中第i+2時刻觀測平臺的x'方向坐標，xi+3為目標坐標系中第i+3時刻觀測平臺的x'方向坐標；步驟三：求解公式(25)的方程組得到6組數學解，解的選取利用探測范圍的限制，所述探測范圍為100～350km，在探測范圍內的解記為可行解，進一步篩選可行解集合時，若有唯一解則將其作為解，若無可行解則將解計為零，有多組解可以取各解的平均值；步驟四：求解遞推最小二乘法的參數Ri、和P0，將遺忘因子與Ri相乘得到Ri'，將Ri'、和P0帶入遞推最小二乘的基本公式，利用通過時間測量值計算得到的zi估計目標的真實位置得到估計值所述zi為第i時刻的觀測向量(xi,yi,Ti)T，為第i時刻的估計值矩陣Ti為第i時刻天線掃描周期計算值，為第i時刻天線掃描周期估計值，為目標在x'方向坐標的估計值，為目標在y'方向坐標的估計值。...

【技術特征摘要】
1.基于天線周期掃描時間差無源定位方法，其特征在于，所述基于天線周期掃描時間差無源定位方法包括以下步驟：步驟一：建立坐標系并得到各坐標系間的轉換關系；建立觀測平臺坐標系，以觀測平臺第一次接收到目標信號時的運動方向為y軸方向，垂直y軸為x軸，y軸正方向右側為x軸正方向；建立目標坐標系，所述目標坐標系分為等效目標抖動模型坐標系和等效目標單向偏移模型坐標系；將觀測平臺的抖動和單向偏移等效到目標上，取觀測平臺第一次接收到目標信號時等效的目標運動方向為y'軸方向，垂直y'軸為x'軸，y'軸正方向右側為x'軸正方向；設目標與觀測平臺在同一平面，目標雷達天線進行周期為T的圓周掃描，觀測平臺狀態(xi,vx'i,yi,vy'i)T已知，所述xi為目標坐標系中第i時刻觀測平臺的x'方向坐標，yi為目標坐標系中第i時刻觀測平臺的y'方向坐標，vx'i為第i時刻觀測平臺的x'方向速度，vy'i為第i時刻觀測平臺的y'方向速度，每次目標雷達掃描過觀測平臺時信號都能被捕獲并被記錄掃描時刻ti，根據觀測平臺坐標系與目標坐標系的轉換關系得到坐標變換x＝x'和y＝y'，得到目標相對于觀測平臺在觀測平臺坐標系中的位置(x,y)；建立大地坐標系，以正北方為Y軸方向，正東方為X軸方向；當目標坐標系中坐標需要轉換到大地坐標下時，根據觀測平臺坐標系與大地坐標系的轉換關系，即公式(1)-(3)，可得到大地坐標系下的目標坐標；γ是觀測平臺坐標系y方向和大地坐標系Y方向的夾角；是目標在觀測平臺坐標系中的方位角，XT為目標在大地坐標系中X方向位置，YT為目標在大地坐標系中Y方向位置，x0為觀測平臺在大地坐標系中X方向位置，y0為觀測平臺在大地坐標系中Y方向位置；步驟二：根據步驟一所述的觀測平臺坐標系與目標坐標系的轉換關系以及大地坐標系與觀測平臺坐標系的轉換關系，可以將目標坐標系中所求觀測平臺坐標轉換為大地坐標系中目標坐標，直接在目標坐標系中對觀測平臺位置進行求解，當相鄰兩時刻目標與觀測平臺連線間的夾角大于0時，可以得到求解方程中x,y,T三個未知量需要的方程為：所述T為天線掃描周期，τi＝ti+1-ti，ti為第i時刻天線掃描時間測量值，ti+1為第i+1時刻天線掃描時間測量值，yi+1為目標坐標系中第i+1時刻觀測平臺的y'方向坐標，yi+2為目標坐標系中第i+2時刻觀測平臺的y'方向坐標，yi+3為目標坐標系中第i+3時刻觀測平臺的y'方向坐標，xi+1為目標坐標系中第i+1時刻觀測平臺的x'方向坐標，xi+2為目標坐標系中第i+2時刻觀測平臺的x'方向坐標，xi+3為目標坐標系中第i+3時刻觀測平臺的x'方向坐標；步驟三：求解公式(25)的方程組得到6組數學解，解的選取利用探測范圍的限制，所述探測范圍為100～350km，在探測范圍內的解記為可行解，進一步篩選可行解集合時，若有唯一解則將其作為解，若無可行解則將解計為零，有多組解可以取各解的平均值；步驟四：求解遞推最小二乘法的參數Ri、和P0，將遺忘因子與Ri相乘得到Ri'，將Ri'、和P0帶入遞推最小二乘的基本公式，利用通過時間測量值計算得到的zi估計目標的真實位置得到估計值所述zi為第i時刻的觀測向量(xi,yi,Ti)T，為第i時刻的估計值矩陣Ti為第i時刻天線掃描周期計算值，為第i時刻天線掃描周期估計值，為目標在x'方向坐標的估計值，為目標在y'方向坐標的估計值，Ri表示第i時刻的觀測誤差協方差，為初始的狀態估計值，P0為初始的狀態協方差。2.根據權利要求1所述的基于天線周期掃描時間差無源定位方法，其特征在于所述步驟二中得到求解方程中x,y,T三個未知量需要的三個方程的具體過程為：θi所在三角形中，有如下表達式：

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉梅，鄧展濤，高揚，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江;23