CN108761387A - 一种固定辐射源的双站时差频差联合定位方法 - Google Patents

Abstract

一种固定辐射源的双站时差频差联合定位方法，包括以下步骤：2个观测站接收目标辐射源发射的电磁波信号，获得时差频差测量信息；确定时差频差定位方程：建立目标位置方程：建立径向距离方程：k₆r₁ ⁶+k₅r₁ ⁵+k₄r₁ ⁴+k₃r₁ ³+k₂r₁ ²+k₁r₁+k₀＝0；求解径向距离方程，得到第1个观测站与目标辐射源之间的径向距离；根据获得的第1个观测站与目标辐射源之间的径向距离r₁，利用目标位置方程计算目标位置参数，完成对目标辐射源的定位。本发明方法采用时差频差联合定位的方法，利用径向距离将非线性方程组转化为线性方程组，计算简单，定位速度快，能够实现对给定平面固定辐射源位置的高精度估计。

Description

一种固定辐射源的双站时差频差联合定位方法

技术领域

本发明属于无源定位技术领域，特别涉及一种在电子侦察应用中用于固定目标辐射源的双站时差频差联合定位方法。

背景技术

在电子对抗领域，对辐射源位置信息的侦察精度越高，越有助于对辐射源进行有效的情报获取、电子干扰以及精确的打击，为最终摧毁目标提供有力的保障。因此对辐射源的无源定位技术在电子对抗领域中占有很重要的地位。在当前的无源定位技术当中，无源时差定位***因具有定位精度高、组网工作能力强、抗打击能力强等众多优点而成为最受关注的研究技术。但时差法定位往往在适定方程的求解中因出现多个值而带来模糊的问题，使其在定位高重频、高机动目标时存在局限性。

当观测站和辐射源之间存在相对运动时，可利用信号到达各观测站的频率差对目标进行定位，以弥补时差定位模糊的缺陷。联合频差与时差来对目标位置进行定位，可以提高定位精度。联合时差频差的复合定位技术通过多个观测站同时对辐射源信号进行接收处理，确定多个定位曲面(如平面、双曲面、圆等)，多个定位曲面相交处为目标的估计位置。但现有的时差频差联合定位法由于会应用到多个观测站，可能会得到多个交点，即多个目标位置估计值，从而也会带来模糊问题。如何克服现有时差频差联合的复合定位技术存在模糊的缺陷，进一步提高目标位置估计精度、扩大侦察范围，对电子侦察技术的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以提高估计精度的用于固定目标辐射源的时差频差联合定位方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种固定辐射源的双站时差频差联合定位方法，包括以下步骤：

获取时差频差测量信息步骤，2个观测站接收目标辐射源发射的电磁波信号，获得时差频差测量信息；

确定时差频差定位方程步骤，时差频差定位方程为：

其中，r₂₁为目标辐射源与第2个观测站之间和目标辐射源与第1个观测站之间的径向距离差，为r₂₁的变化率，s_i为第i个观测站的位置坐标向量，为第i个观测站的速度矢量，i＝1,2,(·)^T表示转置操作,u为目标的位置坐标向量，r₁为第1个观测站与目标辐射源之间的径向距离，为r₁的变化率；

建立目标位置方程步骤，目标位置方程为：式中的a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂、d₁、d₁、e₁、e₂均为与r₁无关的系数；

建立径向距离方程步骤，径向距离方程为：式中的k₀、k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆均为与r₁无关的系数；

计算径向距离步骤，求解径向距离方程，得到第1个观测站与目标辐射源之间的径向距离r₁；

计算目标辐射源位置步骤，根据获得的第1个观测站与目标辐射源之间的径向距离r₁，利用目标位置方程计算目标位置参数，完成对目标辐射源的定位。

更具体的，径向距离的变化率

更具体的，目标位置方程中的系数a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂、d₁、d₁、e₁、e₂按以下公式确定：

式中的x_i、y_i、z_i分别为第i个观测站在X、Y、Z方向上的位置坐标分量，分别为第i个观测站在X、Y、Z方向上的速度分量，i＝1,2,z_T为目标辐射源所在平面的高度。

更具体的，径向距离方程中的系数k₀、k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆按以下公式确定：

进一步的，2个观测站平行配置且不在同一水平面上。

进一步的，2个观测站在同一垂直面内。

由以上技术方案可知，本发明方法在对固定辐射源进行无源定位时，采用时差频差联合定位的方法，利用径向距离将非线性的时差频差定位方程转化为线性方程组，得到与径向距离相关的目标位置方程，随后通过将目标位置方程代入径向距离方程中，先解出目标相对于第1个观测站的径向距离，再利用计算得到的径向距离，根据目标位置方程实现对目标辐射源位置的精确估计。本发明只需直接求解径向距离方程中六次多项式的根，即可计算出目标位置，计算简单，定位速度快，并能够实现对给定平面固定辐射源位置的高精度估计，对获取有效的战场情报、实施电子干扰并高效打击敌方目标具有重要作用。本发明方法适用于三维定位，并且不需要地球约束条件，可以快速得到目标位置的高精度估计，可应用于电子侦察中运动双站对给定平面固定辐射源的无源定位场景中。

附图说明

图1为本发明双站定位原理图。

图2为本发明方法的流程图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

时差频差联合定位方法是利用时差和频差的测量信息进行无源定位，在已获得信号的时差频差测量信息、各观测站的位置参数以及目标高度的情况下，对目标的定位就是一个求解非线性方程组的问题。本发明方法的基本思路是：通过径向距离将非线性方程组转化为线性方程组，将目标位置的求解方程用径向距离表示，利用径向距离方程，求解目标相对于其中1个观测站的径向距离，利用获得的目标位置方程实现目标位置的精确估计。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1及图2，本发明方法的步骤如下：

S100、时差频差测量信息获取步骤；在三维空间中，两个运动的观测站(第1个观测站、第2个观测站)接收给定平面内固定目标辐射源发射的电磁波信号，获得时差频差测量信息，该三维空间中直角坐标系的三个坐标轴分别为X、Y、Z(图1)；

S200、确定时差频差定位方程；根据时差频差观测信息确定时差频差定位方程，时差测量信息包括目标辐射源与第2个观测站之间的径向距离和目标辐射源与第1个观测站之间的径向距离的差值(r₂₁)，频差测量信息包括前述径向距离差的变化率时差频差定位方程为：

其中，r₂₁为目标辐射源与第2个观测站之间和目标辐射源与第1个观测站之间的径向距离差，为r₂₁的变化率，即s_i为第i个观测站的位置坐标向量，为第i个观测站的速度矢量，i＝1,2,(·)^T表示转置操作,u为目标的位置坐标向量，r₁为第1个观测站与目标辐射源之间的径向距离，为r₁的变化率，

第i个观测站的位置坐标向量s_i＝(x_i,y_i,z_i)^T，x_i、y_i、z_i分别为第i个观测站在X、Y、Z方向上的位置坐标分量，第i个观测站的速度矢量分别为第i个观测站在X、Y、Z方向上的速度分量，i＝1,2,以上参数均可直接测量得到；目标的位置坐标向量u＝(x,y,z_T)^T，x为目标位置在X方向上的分量，y为目标位置在Y方向上的分量，x、y为待估计参数，z_T为给定的目标辐射源所在平面的高度；

S300、建立目标位置方程；联立时差频差定位方程，用目标辐射源与第1个观测站之间的径向距离r₁表示目标位置参数x、y，目标位置方程为：

式中的a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂、d₁、d₁、e₁、e₂均为与r₁无关的系数，可根据以下公式确定：

S400、建立径向距离方程；本发明的径向距离方程是关于r₁的一元多次方程，由第1个观测站的位置坐标向量和目标的位置坐标向量得展开得到径向距离方程为：

式中的k₀、k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆均为与r₁无关的系数，可根据以下公式确定：

S500、计算第1个观测站与目标辐射源之间的径向距离r₁；利用数学方法求解步骤S400中得到的一元多次方程(径向距离方程)，如多项式求根法，牛顿法等，得到的一元多次方程的根即为第1个观测站与目标辐射源之间的径向距离r₁；

S600、计算目标辐射源位置；根据步骤S400中获得的第1个观测站与目标辐射源之间的径向距离r₁，代入步骤S300中的目标位置方程中，计算目标位置参数x、y，完成对目标辐射源的精确定位。

步骤S500中计算第1个观测站与目标辐射源之间的径向距离r₁时，径向距离方程为一元多次方程，在求解一元多次方程时会得到多个根，其中的一个正实数根为r₁的真实值。为了避免定位模糊问题，即避免r₁的模糊问题，在步骤S600中，可根据先验信息进行判断，去掉其中的虚假值，例如结合其它侦察设备提供的目标情报信息或根据目标大致位置信息去除虚假定位结果，本实施例采用的方法如下：通过多个时刻观测积累，对多个观测时刻的定位结果进行聚类分析(聚类分析的方法采用现有方法)，由于目标位置的估计值一定集中在真实值附近，由此消除掉模糊估计值。

当利用多项式求根法所求解的r₁来定位给定平面的固定辐射源时，对目标位置估计的均方根误差会随着连续观测时间的增长而减小，随着测量误差的增加而增加，即连续观测时间越长，测量误差越小，该方法对目标的定位效果越好，在电子侦察、武器制导等领域对目标辐射源的定位精度也就越高。进一步的，在相同的连续观测时间、相同的测量误差条件下，当两观测站平行配置以实现对目标辐射源的定位时，应避免两个观测站在同一水平面平行配置的情况，因为该情况下的定位结果误差很大；同时为了提高实时定位的精度，应该尽量采取两观测站不在同一水平面运动，但仍是平行配置的情况，且当两观测站不在同一水平面，但在同一垂直面内平行配置时位置估计误差最小，定位效果最好。

由本发明的时差频差定位方程可知，本发明方法适用于观测站数量为适定情况下(时差频差方程个数与目标位置未知参数的个数相同)的无源定位以及低测量误差条件下的无源定位；而且目标辐射源所辐射信号中心频率的变化不会影响本发明方法对目标的定位精度，即信号中心频率的改变与该算法最终求解的目标位置误差无关；在使用本发明方法实现无源定位的过程中，解的模糊性问题，可通过多次观测并对观测结果进行聚类分析来解决。

以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种固定辐射源的双站时差频差联合定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取时差频差测量信息步骤，2个观测站接收目标辐射源发射的电磁波信号，获得时差频差测量信息；

确定时差频差定位方程步骤，时差频差定位方程为：其中，r₂₁为目标辐射源与第2个观测站之间和目标辐射源与第1个观测站之间的径向距离差，为r₂₁的变化率，s_i为第i个观测站的位置坐标向量，为第i个观测站的速度矢量，i＝1,2,(·)^T表示转置操作,u为目标的位置坐标向量，r₁为第1个观测站与目标辐射源之间的径向距离，为r₁的变化率；

建立目标位置方程步骤，目标位置方程为：式中的a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂、d₁、d₁、e₁、e₂均为与r₁无关的系数；

建立径向距离方程步骤，径向距离方程为：k₆r₁ ⁶+k₅r₁ ⁵+k₄r₁ ⁴+k₃r₁ ³+k₂r₁ ²+k₁r₁+k₀＝0，式中的k₀、k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆均为与r₁无关的系数；

计算径向距离步骤，求解径向距离方程，得到第1个观测站与目标辐射源之间的径向距离r₁；

计算目标辐射源位置步骤，根据获得的第1个观测站与目标辐射源之间的径向距离r₁，利用目标位置方程计算目标位置参数，完成对目标辐射源的定位。

2.如权利要求1所述的固定辐射源的双站时差频差联合定位方法，其特征在于：径向距离的变化率

3.如权利要求1或2所述的固定辐射源的双站时差频差联合定位方法，其特征在于：目标位置方程中的系数a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂、d₁、d₁、e₁、e₂按以下公式确定：

式中的x_i、y_i、z_i分别为第i个观测站在X、Y、Z方向上的位置坐标分量，分别为第i个观测站在X、Y、Z方向上的速度分量，i＝1,2,z_T为目标辐射源所在平面的高度。

4.如权利要求3所述的固定辐射源的双站时差频差联合定位方法，其特征在于：径向距离方程中的系数k₀、k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆按以下公式确定：

5.如权利要求1所述的固定辐射源的双站时差频差联合定位方法，其特征在于：2个观测站平行配置且不在同一水平面上。

6.如权利要求5所述的固定辐射源的双站时差频差联合定位方法，其特征在于：2个观测站在同一垂直面内。