一種基于T2/R的時差與多普勒頻移聯合定位方法及系統技術方案

本發明專利技術公開了一種基于T2/R的時差與多普勒頻移聯合定位方法及系統，該方法包括以下步驟：S1、選擇兩個不同信號頻率的短波廣播電臺作為發射站，獲取它們的發射頻率和坐標位置，并根據坐標位置計算發射站和接收站之間的地面大圓距離；S2、根據信號頻率和地面大圓距離使用時差測量法，計算得到直達波與散射波之間的時差數據以及多普勒頻移數據；S3、根據得到的時差數據和多普勒頻移數據進行聯合，得到目標狀態估計方程，并通過批處理算法計算得到收斂結果，即為飛行目標的位置和飛行速度。本發明專利技術僅需要兩個廣播電臺作為輻射源，就可以對移動的空中目標進行定位，對勻速運動和變速運動的目標，在位置精度和速度精度上都有了很大的提高。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及信號處理領域，尤其涉及一種基于T2/R的時差與多普勒頻移聯合定位方法及系統。
技術介紹
目標定位目前在軍事領域、移動通信領域、醫學領域，民用領域等都具有非常重要的現實意義。而無源被動定位技術，由于系統不主動發射信號，僅依靠接收被定位目標反射的電磁信號，確定其空間位置，更是未來發展的重要方向。近年來，在無源被動定位系統中，一般多基于到達方向角(DOA)、到達時間(TOA)、到達時差(TDOA)、多普勒頻率、信號強度(RSSI)、以及各種聯合方式，對目標進行定位。由于時差只與目標位置相關，定位方程簡單且位置定位精度高于目標來波方向到達角，因此多采用時差定位。但是一般來說系統大多需要3個及以上發射站，且對于隨機運動目標，由于時差與運動狀態關系不大，因此利用時差定位系統對目標運動速度估計會存在模糊。李萬春2005年提出的基于雙發射站，利用時差信息對目標進行定位，沒有單獨對速度定位精度和結果進行評估，且當目標在很長一段時間內(N＝20)勻速運動。而多普勒頻移由于與運動狀態緊密相關，能很好的對目標速度進行估計，肖揚燦2011年提出的僅采用多普勒頻移對目標位置和速度信息進行定位，當發射站數目達到4個的時候，位置定位精度才有了顯著的提高，而且同樣假設目標在30s內是勻速運動的。然而，實際情況下目標一般并不是勻速不變的，或者說在相當長的一段時間內保持不變。因此，考慮變速運動的目標更具有實際的意義。r>
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題在于針對現有技術中在無源被動定位系統中只考慮勻速運動的狀態，且需要的發射站數量過多的缺陷，提供一種僅需要兩個發射站，且對變速運動的目標能夠精確定位的基于T2/R的時差與多普勒頻移聯合定位方法及系統。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是：本專利技術提供一種基于T2/R的時差與多普勒頻移聯合定位方法，包括以下步驟：S1、選擇兩個不同信號頻率的短波廣播電臺作為發射站，獲取它們的發射頻率和坐標位置，并根據坐標位置計算發射站和接收站之間的地面大圓距離；S2、根據信號頻率和地面大圓距離使用時差測量法，計算得到直達波與散射波之間的時差數據以及多普勒頻移數據，其中，直達波為接收站直接接收的發射站信號，散射波為發射信號照射到空中飛行目標后反射到達接收站的信號；S3、根據得到的時差數據和多普勒頻移數據進行聯合，得到目標狀態估計方程，并通過批處理算法計算得到收斂結果，即為飛行目標的位置和飛行速度。進一步地，本專利技術的步驟S1中獲取短波廣播電臺發射頻率和坐標位置的方法為：從國際電信聯盟發布的短波全頻段無線電頻率劃分列表中，選擇兩個發射站，發射站不能與接收站同在一個坐標位置上，兩個短波廣播信號采用AM調制方式，且為不同頻率短波信號。進一步地，本專利技術的步驟S2具體包括以下步驟：S21、提取直達波信號，該直達波為接收站直接接收的發射站信號；S22、提取散射波信號，該信號為發射站發射信號照射到空中機動目標后，反射到達接收站的信號；S23、利用時差估計算法得到連續k次直達波與散射波之間的時差信息；S24、利用多普勒頻移估計算法得到連續k次直達波與散射波之間的多普勒頻移信息。進一步地，本專利技術的步驟S3具體包括以下步驟：S31、計算時差測量方程對目標初始狀態向量的Jacobi矩陣；S32、計算多普勒頻移測量方程對目標初始狀態向量的Jacobi矩陣；S33、對步驟S31和步驟S32的計算結果進行聯合處理，即將得到的兩個矩陣進行組合得到目標狀態估計方程，其公式為：Hk(X0)=∂h(X)∂X0=[∂Tjk∂X0∂Fjk∂X0],k=1,2,...N]]>其中，表示時差測量方程對目標初始狀態向量的Jacobi矩陣，表示多普勒頻移測量方程對目標初始狀態向量的Jacobi矩陣；S34、利用批處理算法對其進行求解，當算法收斂時，最終得到機動目標位置信息和速度信息。進一步地，本專利技術的步驟S31中目標初始狀態向量的計算方法為：X0＝[[x0y0vxvy]]T其中，X0為目標初始狀態向量，(x0,y0)為目標初始位置，(vx,vy)為目標速度在x、y軸上的分量，[·]T為對矩陣的轉置操作；在第k次時刻，目標勻速運動速度為(vx,vy)，則可知目標位置：xk＝x0+kΔtvx；yk＝y0+kΔtvy；其中，Δt為采樣間隔時間。進一步地，本專利技術的步驟S31中時差測量方程為：τjk=1c[rjk+r0k-Rtrj],(k=0,1,2,...,N),(j=1,2)]]>其中，τjk表示第j個發射站第k次得到的時差，c表示光速，rjk,r0k,Rtrj分別表示發射站j與目標之間的距離，目標與接收站之間的距離以及發射站j與接收站之間的距離；第一個發射站位于(xT1,yT1)，第二個發射站位于(xT2,yT2),接收站位于(xR,yR)，且有：rjk+i=((xk-xjT)2+(yk-yTj)2)]]>r0k+i=((xk-xR)2+(yk-yR)2)]]>Rtrj=((xR-xTj)2+(yR-yTj)2)]]>其中，k＝0,1,2,…,N。進一步地，本專利技術的步驟S32中多普勒頻移測量方程為：fjk=fjc.(-((xk-xTj)vx+(yk-yTj)vy)(xk-xTj)2+(yk-yTj)2-((xk-xR)vx+(yk-yR)vy)(xk-xR)2+(yk-yR)2)]]>fj表示第j個發射站發射信號頻率。進一步地，本專利技術的步驟S34中使用批處理算法的具體方法為：令目標參數真實值為X0，參數估計值為測量方程可寫為一般形式：Z＝h(X)+nn為噪聲，將其對X0處作泰勒級數展開，并僅選取級數序列的一次項，則：Z=h(X0)+H(X^-X0)+n]]>Hk(X0)=∂h(X)∂X0=[∂Tjk∂X0∂Fjk∂X0],k=1,2,...N]]>上式是關于的線性方程，可以用線性最小二乘法來處理，則有：X^=X0+(HTSk-1H)-1HTSk-1(Z-h(X0))]]>其中作為收斂于最優估計值的逐次逼近法的初值；由Gauss-Newton法，可得：X^n+1=X^n-m(HTSk-1H)-1HTSk-1(Z-h(X^n))]]>其中為最新估計值，是第n次次迭代估計值，m是收斂因子，取近似于1的值；...

【技術保護點】
一種基于T2/R的時差與多普勒頻移聯合定位方法，其特征在于，包括以下步驟：S1、選擇兩個不同信號頻率的短波廣播電臺作為發射站，獲取它們的發射頻率和坐標位置，并根據坐標位置計算發射站和接收站之間的地面大圓距離；S2、根據信號頻率和地面大圓距離使用時差測量法，計算得到直達波與散射波之間的時差數據以及多普勒頻移數據，其中，直達波為接收站直接接收的發射站信號，散射波為發射信號照射到空中飛行目標后反射到達接收站的信號；S3、根據得到的時差數據和多普勒頻移數據進行聯合，得到目標狀態估計方程，并通過批處理算法計算得到收斂結果，即為飛行目標的位置和飛行速度。

【技術特征摘要】
1.一種基于T2/R的時差與多普勒頻移聯合定位方法，其特征在于，包括
以下步驟：
S1、選擇兩個不同信號頻率的短波廣播電臺作為發射站，獲取它們的發射
頻率和坐標位置，并根據坐標位置計算發射站和接收站之間的地面大圓距離；
S2、根據信號頻率和地面大圓距離使用時差測量法，計算得到直達波與散
射波之間的時差數據以及多普勒頻移數據，其中，直達波為接收站直接接收的
發射站信號，散射波為發射信號照射到空中飛行目標后反射到達接收站的信
號；
S3、根據得到的時差數據和多普勒頻移數據進行聯合，得到目標狀態估計
方程，并通過批處理算法計算得到收斂結果，即為飛行目標的位置和飛行速度。
2.根據權利要求1所述的基于T2/R的時差與多普勒頻移聯合定位方法，
其特征在于，步驟S1中獲取短波廣播電臺發射頻率和坐標位置的方法為：
從國際電信聯盟發布的短波全頻段無線電頻率劃分列表中，選擇兩個發射
站，發射站不能與接收站同在一個坐標位置上，兩個短波廣播信號采用AM調
制方式，且為不同頻率短波信號。
3.根據權利要求1所述的基于T2/R的時差與多普勒頻移聯合定位方法，
其特征在于，步驟S2具體包括以下步驟：
S21、提取直達波信號，該直達波為接收站直接接收的發射站信號；
S22、提取散射波信號，該信號為發射站發射信號照射到空中機動目標后，
反射到達接收站的信號；
S23、利用時差估計算法得到連續k次直達波與散射波之間的時差信息；
S24、利用多普勒頻移估計算法得到連續k次直達波與散射波之間的多普
勒頻移信息。
4.根據權利要求1所述的基于T2/R的時差與多普勒頻移聯合定位方法，
其特征在于，步驟S3具體包括以下步驟：
S31、計算時差測量方程對目標初始狀態向量的Jacobi矩陣；
S32、計算多普勒頻移測量方程對目標初始狀態向量的Jacobi矩陣；
S33、對步驟S31和步驟S32的計算結果進行聯合處理，即將得到的兩個
矩陣進行組合得到目標狀態估計方程，其公式為：
Hk(X0)=∂h(X)∂X0=[∂Tjk∂X0∂Fjk∂X0],k=1,2,...N]]>其中，表示時差測量方程對目標初始狀態向量的Jacobi矩陣，表
示多普勒頻移測量方程對目標初始狀態向量的Jacobi矩陣；
S34、利用批處理算法對其進行求解，當算法收斂時，最終得到機動目標
位置信息和速度信息。
5.根據權利要求4所述的基于T2/R的時差與多普勒頻移聯合定位方法，
其特征在于，步驟S31中目標初始狀態向量的計算方法為：
X0＝[x0y0vxvy]T其中，X0為目標初始狀態向量，(x0,y0)為目標初始位置，(vx,vy)為目標
速度在x、y軸上的分量，[·]T為對矩陣的轉置操作；
在第k次時刻，目標勻速運動速度為(vx,vy)，則可知目標位置：
xk＝x0+kΔtvx；
yk＝y0+kΔtvy；
其中，Δt為采樣間隔時間。
6.根據權利要求5所述的基于T2\...

【專利技術屬性】
技術研發人員：程莉，秦實宏，黨晶晶，袁夢，鄒連英，
申請(專利權)人：武漢工程大學，
類型：發明
國別省市：湖北;42