CN105259564B - 一种星载和差比幅单脉冲测向定位方法、装置及*** - Google Patents

一种星载和差比幅单脉冲测向定位方法、装置及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种星载和差比幅单脉冲测向定位方法、装置及***，其中，所述星载和差比幅单脉冲测向定位方法包括：将单脉冲测向与辐射源测向定位建模为离散非线性动态***状态估计模型；获取所述离散非线性动态***状态估计模型的初始值及在卫星的运动过程中各个时刻观察到的辐射源量测向迭代值；通过单脉冲测向与辐射源测向定位建模为离散非线性动态***状态估计模型以及所述获取的初始值以及迭代值，获取所述辐射源位置与和差通道相位差。本发明通过采用非线性***滤波方法对辐射源位置与和差通道相位差进行同时估计，以提高辐射源/干扰源定位精度。

Description

一种星载和差比幅单脉冲测向定位方法、装置及***
技术领域
本发明涉及测向定位技术领域，特别涉及一种星载和差比幅单脉冲测向定位方法、装置及***。
背景技术
随着卫星无源定位技术的不断发展及应用拓展，各类无源定位体制中，测向定位是单星定位体制的主要方法之一。为了提高定位精度，需要不断提高测向精度。各类测向体制中，和差比幅单脉冲测向体制具有测向精度较高、设备量较少的特点。和差比幅单脉冲测向***中，和差通道相位差通常可以在地面校准，但完全可能在工作环境中由于温度、真空度的变化产生缓变，是一种影响测向精度的重要因素。传统的单星测向定位方法采用单脉冲测向与辐射源测向定位两个步骤估计辐射源位置，而忽略了和差通道相位差可能造成的测向误差。因此，当和差通道存在较大相位差时，将造成定位精度严重下降。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供了一种星载和差比幅单脉冲测向定位方法，包括：
将单脉冲测向与辐射源测向定位建模为离散非线性动态***状态估计模型；
获取所述离散非线性动态***状态估计模型的初始值及在卫星的运动过程中各个时刻观察到的辐射源量测向迭代值；
通过单脉冲测向与辐射源测向定位建模为离散非线性动态***状态估计模型以及所述获取的初始值以及迭代值，获取所述辐射源位置与和差通道相位差。
优选地，所述离散非线性动态***状态估计模型，采用无迹卡尔曼滤波算法迭代估计所述辐射源位置与和差通道相位差。
优选地，所述离散非线性动态***状态估计模型的初始值采用粒子滤波算法估计无迹卡尔曼滤波算法的初始值。
优选地，所述单脉冲测向与辐射源测向定位建模为离散非线性动态***状态估计模型同时估计所述辐射源位置与和差通道相位差。
优选地，所述辐射源状态转移模型为线性模型，而辐射源量测向模型为非线性模型。
另一方面，本发明提供了一种星载和差比幅单脉冲测向定位装置，包括：
建模模块，用于将单脉冲测向与辐射源测向定位建模为离散非线性动态***状态估计模型；
初始值获取模块，用于获取所述离散非线性动态***状态估计模型的初始值及在卫星的运动过程中各个时刻观察到的辐射源量测向迭代值；
滤波模块，用于通过单脉冲测向与辐射源测向定位建模为离散非线性动态***状态估计模型以及所述获取的初始值以及迭代值，获取所述辐射源位置与和差通道相位差。
优选地，所述离散非线性动态***状态估计模型，采用无迹卡尔曼滤波算法迭代估计所述辐射源位置与和差通道相位差。
优选地，所述离散非线性动态***状态估计模型的初始值采用粒子滤波算法估计无迹卡尔曼滤波算法的初始值。
优选地，所述单脉冲测向与辐射源测向定位建模为离散非线性动态***状态估计模型同时估计所述辐射源位置与和差通道相位差；
所述辐射源状态转移模型为线性模型，而辐射源量测向模型为非线性模型。
再一方面，本发明提供了一种星载和差比幅单脉冲测向定位***，包括：如上所述星载和差比幅单脉冲测向定位装置。
本发明的技术方案通过采用非线性***滤波方法对辐射源位置与和差通道相位差进行同时估计，以提高辐射源/干扰源定位精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种星载和差比幅单脉冲测向定位方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种星载和差比幅单脉冲测向定位装置结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种星载和差比幅单脉冲测向定位***结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种星载和差比幅单脉冲测向定位过程中坐标体系示意图；
图5为本发明实施例提供的一种星载和差比幅单脉冲测向定位过程中卫星与辐射源相对位置关系示意图；
图6为本发明实施例提供的一种星载和差比幅单脉冲测向定位过程中Δβ＝15°时辐射源位置的滤波估计过程示意图；
图7为本发明实施例提供的一种星载和差比幅单脉冲测向定位过程中Δβ＝15°时各个时刻辐射源位平均置估计误差示意图；
图8为本发明实施例提供的一种星载和差比幅单脉冲测向定位过程中不同和差通道相位差情况下的平均位置估计误差示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1为所示为本发明实施例提供的一种星载和差比幅单脉冲测向定位方法流程图；该星载和差比幅单脉冲测向定位方法包括：
101：将单脉冲测向与辐射源测向定位建模为离散非线性动态***状态估计模型；
102：获取所述离散非线性动态***状态估计模型的初始值及在卫星的运动过程中各个时刻观察到的辐射源量测向迭代值；
103：通过单脉冲测向与辐射源测向定位建模为离散非线性动态***状态估计模型以及所述获取的初始值以及迭代值，获取所述辐射源位置与和差通道相位差。
需要说明的是，所述离散非线性动态***状态估计模型，采用无迹卡尔曼滤波算法迭代估计所述辐射源位置与和差通道相位差。
还需要说明的是，所述离散非线性动态***状态估计模型的初始值采用粒子滤波算法估计无迹卡尔曼滤波算法的初始值。
还需要说明的是，所述单脉冲测向与辐射源测向定位建模为离散非线性动态***状态估计模型同时估计所述辐射源位置与和差通道相位差。
还需要说明的是，所述辐射源状态转移模型为线性模型，而辐射源量测向模型为非线性模型。
基于以上实施例，如图2所示，为本发明实施例提供的一种星载和差比幅单脉冲测向定位装置结构示意图；该星载和差比幅单脉冲测向定位装置包括：
建模模块201，用于将单脉冲测向与辐射源测向定位建模为离散非线性动态***状态估计模型；
初始值获取模块202，用于获取所述离散非线性动态***状态估计模型的初始值及在卫星的运动过程中各个时刻观察到的辐射源量测向迭代值；
滤波模块203，用于通过单脉冲测向与辐射源测向定位建模为离散非线性动态***状态估计模型以及所述获取的初始值以及迭代值，获取所述辐射源位置与和差通道相位差。
需要说明的是，所述离散非线性动态***状态估计模型，采用无迹卡尔曼滤波算法迭代估计所述辐射源位置与和差通道相位差。
还需要说明的是，所述离散非线性动态***状态估计模型的初始值采用粒子滤波算法估计无迹卡尔曼滤波算法的初始值。
还需要说明的是，所述单脉冲测向与辐射源测向定位建模为离散非线性动态***状态估计模型同时估计所述辐射源位置与和差通道相位差；
所述辐射源状态转移模型为线性模型，而辐射源量测向模型为非线性模型。
基于以上星载和差比幅单脉冲测向定位方法及装置，对本发明工作原理进行详细说明；
如图2中所示，所述建模模块201的作用是构建***状态转移方程与量测方程，设定义坐标体系如图4所示。如图4中，O为跟踪***天线，P为目标，OA为天线电轴指向，OX’Y’为目标坐标系(OX’Y’所在平面为目标平面，且OA垂直于目标平面)，OXY为天线坐标系，θ为天线电轴偏差角，α为OP与水平轴OX的夹角。
通常卫星距离辐射源Zd很远(至少500km以上)，一般假设卫星至目标平面的距离Zd不变。以某一时刻卫星位置为参考基准点，此时辐射源在目标坐标系内的坐标为(xo，yo)。假设另一时刻k，卫星相对于参考基准点的位置为(xs(k)，ys(k))，则当和差通道相位差为0°时比幅单脉冲测向处理结果为：
式(1)中，z1(k)和z2(k)分别为方位、俯仰偏差电平，k为时间标志，G为已知处理通道增益常数，w1(k)和w2(k)分别为方位、俯仰偏差电平估计误差，且有：
w1(k)～N(0,σ2) (2)
w2(k)～N(0,σ2)
式(2)中，N(0,σ2)指均值为0，方差为σ2的正态分布。当和差通道存在相位差Δβ时，则比幅单脉冲测向处理结果为：
另一方面，地面静止辐射源的状态转换方程为：
X(k+1)＝F·X(k) (4)
式(4)中，为状态矢量，因此，地面静止辐射源的定位问题可建模为非线性动态***，其状态转移方程与量测方程分别为：
X(k+1)＝F·X(k) (5)
z(k)＝H(X(k))+w(k)
式(5)中，定义w(k)的协方差矩阵为R，即：此外，
图2中，初始值获取模块202主要的作用是为式(5)中状态转移方程与量测方程的迭代滤波提供初始值。本发明采用粒子滤波算法给出状态矢量的初始估计值，处理流程如下：
步骤一：由p(x0)得到N个采样粒子其中x0为目标的初始状态估计矢量，p(x0)为目标的初始状态分布，可由下式计算：
式(6)中，N(m,P)指均值为矢量m，协方差矩阵为矩阵P的多维正态分布，z1(1)、z2(1)为辐射源在初始时刻的量测值，xs(1)、ys(1)为卫星在初始时刻相对于参考基准点的位置，p1、p2为辐射源位置估计的方差，p2为和差通道相位差估计的方差。当估计不确定性较大时，一般设置较大的方差值。此外，定义为由p(x0)采样得到的第i个状态估计矢量(通常称为粒子)。
步骤二：计算权值并对其归一化，即其中wi为粒子i的权值，为产生z(1)的概率密度函数。
基于上述两个步骤，状态矢量的初始估计值为：
图2中，滤波模块的主要作用为在卫星的运动过程中各个时刻观察到的辐射源量测z(k)迭代估计辐射源位置与和差通道相位差，并输出辐射源位置估计结果。对于式(5)中的辐射源模型，虽然辐射源状态转移模型为线性模型，而辐射源量测模型为非线性模型。为此，本发明采用适于非线性滤波估计的无迹卡尔曼滤波(UKF)算法。UKF算法的第一步是确定(2nx+1)个Sigma点，其中nx是状态矢量中的元素个数。对于本发明的状态矢量，nx＝3.，则Sigma点个数为7。给定初始状态X(0)及其协方差矩阵P(0)，第i个Sigma点为：
式(8)中，指的第j列，κ为决定Sigma点扩展范围的常数。上述Sigma点的权重为：
然后，更新与预测步骤可迭代进行。其中预测步骤为：
式(10)中，Q指辐射源状态转移过程中的过程噪声协方差矩阵，本发明中有Q＝0。更新步骤为：
式(11)中：
给定初始状态X(0)及其协方差矩阵P(0)，就可根据式(11)和(12)及各个时刻的量测z(k+1)迭代估计状态矢量X(k+1)。
本发明给出一个星载和差比幅单脉冲测向定位***对地面静止辐射源的定位实施案例以演示本发明公开的处理***的实施步骤与应用效果。
以简便计且不失一般性，以参考基准点为坐标系原点建立天线坐标系，此时辐射源在目标坐标系内的位置为(0，0)，卫星至目标平面的距离Zd＝36000Km，滤波时间为200s，这段时间内卫星相对于参考基准点的位置为(-200+4k,-200+4k)。卫星与辐射源相对位置关系的示意图如图5所示。
卫星使用和差比幅单脉冲测向定位体制，假设已知处理通道增益常数G＝2000，各种因素(如：卫星平台抖动，卫星平台位置测量误差等)导致的方位、俯仰偏差估计误差为0.05°，即σ＝2000×0.05°＝100°＝100×π/180rad＝1.7453rad。图6给出了和差通道相位差Δβ＝15°时辐射源位置的滤波估计过程，可见经过一段时间的迭代滤波结果X(k+1)收敛于辐射源实际位置附近。图7给出了Δβ＝15°时，50个样本在各个时刻辐射源位置估计误差均值，可见总体上随着滤波次数的增加，辐射源位置估计精度不断提升。图8给出了不同和差通道相位差情况下，采用本发明提出的考虑和差通道相位差的滤波定位结果(各计算50个样本，取最后一个时刻的滤波结果)。作为比较，图8还给出了传统的测向定位方法的平均位置估计误差。为可比性计，对于200个时刻的量测同样采用UKF算法估计辐射源位置，所不同的是不考虑和差通道的相位差。由图8可见，当和差通道相位差为0°时，传统的方法略优于本发明提出的定位处理方法，而在和差通道存在相位误差时，本发明提出的定位处理方法存在显著优势。此外，在各种和差通道相位差情况下，本发明提出的定位处理方法表现稳定。
如图3所示，为本发明实施例提供的一种星载和差比幅单脉冲测向定位***结构示意图；该星载和差比幅单脉冲测向定位***包括：如上任一所述星载和差比幅单脉冲测向定位装置。
本发明的技术方案通过采用非线性***滤波方法对辐射源位置与和差通道相位差进行同时估计，以提高辐射源/干扰源定位精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种星载和差比幅单脉冲测向定位方法，其特征在于，包括：
将单脉冲测向与辐射源测向定位建模为离散非线性动态***状态估计模型；
获取所述离散非线性动态***状态估计模型的初始值及在卫星的运动过程中各个时刻观察到的辐射源量测迭代值；
通过单脉冲测向与辐射源测向定位建模为离散非线性动态***状态估计模型以及所述获取的初始值以及迭代值，同时获取所述辐射源位置与和差通道相位差。
2.根据权利要求1所述的星载和差比幅单脉冲测向定位方法，其特征在于，所述离散非线性动态***状态估计模型，采用无迹卡尔曼滤波算法迭代估计所述辐射源位置与和差通道相位差。
3.根据权利要求2所述的星载和差比幅单脉冲测向定位方法，其特征在于，所述离散非线性动态***状态估计模型的初始值采用粒子滤波算法估计无迹卡尔曼滤波算法的初始值。
4.根据权利要求3所述的星载和差比幅单脉冲测向定位方法，其特征在于，辐射源状态转移模型为线性模型，而辐射源量测模型为非线性模型。
5.一种星载和差比幅单脉冲测向定位装置，其特征在于，包括：
建模模块，用于将单脉冲测向与辐射源测向定位建模为离散非线性动态***状态估计模型；
初始值获取模块，用于获取所述离散非线性动态***状态估计模型的初始值及在卫星的运动过程中各个时刻观察到的辐射源量测迭代值；
滤波模块，用于通过单脉冲测向与辐射源测向定位建模为离散非线性动态***状态估计模型以及所述获取的初始值以及迭代值，同时获取所述辐射源位置与和差通道相位差。
6.根据权利要求5所述的星载和差比幅单脉冲测向定位装置，其特征在于，所述离散非线性动态***状态估计模型，采用无迹卡尔曼滤波算法迭代估计所述辐射源位置与和差通道相位差。
7.根据权利要求6所述的星载和差比幅单脉冲测向定位装置，其特征在于，所述离散非线性动态***状态估计模型的初始值采用粒子滤波算法估计无迹卡尔曼滤波算法的初始值。
8.根据权利要求7所述的星载和差比幅单脉冲测向定位装置，其特征在于，辐射源状态转移模型为线性模型，而辐射源量测模型为非线性模型。
9.一种星载和差比幅单脉冲测向定位***，其特征在于，包括：如权利要求5至8中任意一项所述星载和差比幅单脉冲测向定位装置。
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