CN110954865A - 一种基于电离层信息的短波时差定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电离层信息的短波时差定位方法，包括如下步骤：步骤1，确定站点分布：步骤2，电波环境数据获取：步骤3，接收站信号时差提取数据获取：步骤4，电离层参数反演及区域电离层重构：步骤5，时差定位。本发明所公开基于到达时差(time difference of arrival,TDOA)的信源定位方法，不依赖阵列天线、只分析辐射信号到达各接收站的时间差异便能实现被动定位，是一种设备简单、组网方便又能保证较高精度的定位方法，在短波无源定位，尤其是车载、舰载侦察***中应用前景广阔。

Description

一种基于电离层信息的短波时差定位方法

技术领域

本发明属于无源探测领域，特别涉及该领域中的一种基于电离层反射的超视距短波时差定位方法。

背景技术

无源定位技术由于不向目标发射信号，较有源定位具有隐蔽性好、作用距离远、覆盖范围大、生存能力强的优点，在现代军事和民用领域中的应用越来越广泛。常用的无源定位技术主要有两种，一种是利用单个静止平台或运动平台对目标连续测向进行定点定位或动态定位；另一种是利用多个平台同时测量信号到达角度或信号到达时间差来对目标进行定位，称为交叉定位。交叉定位法按照交叉所用轨迹的不同分为角交叉定位法和到达时差定位法(TDOA)。

目前，短波定位***多采用到达方位角(angle of arrival,AOA)估计方法实现辐射源定位，如多站联合测向交会定位法和单站测向定位法。这类以AOA参数为基础的短波定位***往往面临测向天线阵占地面积大、环境要求高、易受波束宽度影响、设备和维护成本高，以及定位精度随距离增大而恶化等实际问题。

由于到达时差定位测量精度高，所以该技术是相对成熟、被采用最多的无源定位技术。时差定位技术是被动雷达中目标定位的关键技术之一。国内外时差定位技术的研究主要包含以下两种体制：第一种是多个发射站单个接收站体制下，基于目标回波相对于直达波时延差的定位技术；第二种是单个发射站多个接收站体制下，基于目标回波到多个辅助接收站与参考接收站的到达时刻之间时延差的定位技术。

到达时差定位又称为双曲线定位，它是通过处理3个或更多采集到的信号链路到达时间对辐射源进行定位的。在二维平面内，确定目标位置至少需要3个发射-接收链路产生的双曲线相交定位。

经过国内外多年的研究和发展，目前时差定位算法主要包括数值迭代法和解析法。数值迭代法中典型的算法有约束优化方法和泰勒级数展开法。数值迭代法的求解思路是先将非线性方程进行线性化，然后对其迭代求解。解析法能够提供TDOA目标定位问题的闭式解，主要包括最小二乘法、总体最小二乘法和两步加权最小二乘法。最小二乘法和总体最小二乘法需要额外增加一个接收站，将非线性方程组转化为线性方程组，但这些算法提升了***的复杂度和成本。

常规的时差定位方法的应用主要适用于视距探测或地波超视距探测领域，而基于电离层反射的短波信号传播的远距离大范围侦察监视目标定位，时差定位技术则面临更多困难：一是精确的时差提取技术；二是电离层环境影响。电离层本身是一种具有各向异性、非均匀、色散、动态时变等复杂特性的传播媒质。电离层多模传播、时变特性等复杂变化特性的影响目前已成为制约电离层反射信道短波定位精度的关键因素。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种单个发射站多个接收站体制下基于电离层反射的超视距短波时差定位方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于电离层信息的短波时差定位方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤1，确定站点分布：

选择平均信号强度最强的站为主站，即融合中心；初步搜索，确定辐射源方位，然后根据方位选择辅站，使辅站位于融合中心指向辐射源方位的扇形区域内；

步骤2，电波环境数据获取：

步骤21，电离层斜测链路接收：

电离层斜测接收设备负责对电离层斜测链路信号进行接收，获取实时斜测电离图的频率-群距离数据；

步骤22，电离层特征参数提取，确定电离层的高度、底高和临频参数信息：

通过对斜测电离图进行度量，准确实时给出电离层各层描迹信息及关键参数，电离层参数提取技术包括了电离层净化、伪描迹提取、描迹形成和描迹识别步骤，最终实现电离层特征参数提取，此步骤可在接收机前端处理，特征参数结果汇入融合中心；

步骤3，接收站信号时差提取数据获取：

在主站端，将每个辅站接收数据与主站接收数据进行相关分析，利用互相关算法估计出信号到达主站与各辅站的群距离时间差；

步骤4，电离层参数反演及区域电离层重构：

步骤41，电离层参数反演：

由电离层垂直探测仪得出的数据判读可以获得各层的最大可用频率，以及各层的虚高，背景电离层采用准抛物面模型，电离层每个层的连接层认为是反抛物面模型，通过反复计算斜向探测的虚高值并与实测结果进行比较，迭代获取最优电离层指数，反演得到电离层的特性参量，此步骤在融合中心处理；

步骤42，区域电离层特征参数重构：

在中国参考电离层模型的基础上，首先通过搜索太阳黑子数R12使得预测的电离层特性参量与实测电离图判读结果的均方根误差最小，从而获得较好的背景电离层，然后在此基础上，采用预测的电离层特性参量与判读结果的差值的相对值作为区域重构变量，采用电离层区域重构算法对特性参量空间分布的数据求线性最优，综合预测值进行反演，从而获得区域内电离层特性参量的无偏内插估计，结合电离层模型，最终获得电子浓度分布及各地理位置峰高、底高、临界频率值，此步骤在融合中心处理；

步骤5，时差定位：

步骤51：划分目标探测区域网格，初次划分以全方位360度划分栅格，网格点下标ij表示方位序号和径向距离序号；

步骤52：时差定位中的地面距离与群距离坐标变换采用准抛物线模型，即QP电离层模型，QP电离层模型忽略地磁场和碰撞影响，并假设电离层球形对称分布，可获得射线传播的群路径P、地面距离D的解析表达式：

式中：

F＝f/f_c，f_c ²＝80.6N_m；cosγ＝r₀cosβ₀/r_b；f为工作频率；f_c为电离层临界频率；γ为电波射线在电离层底部的入射角；β₀为射线仰角；r_b为电离层底高；y_m＝r_m-r_b为电离层半厚度；r_m为电子浓度峰值高度；r₀＝6370km为地球半径；

在重构基础上利用公式(1)，获取探测区域网格点ij至各接收站的地面距离

与信号传播群距离

之间的对应关系D_ij-P_ij，从而获得探测区域网格点ij到各接收站辅站与主站的群距离理论时差

计算方法如下式所示：

步骤53，搜索与接收时差最接近的网格点作为探测目标位置，约束条件为

得到此网格划分下的目标初步探测位置；

步骤54，以目标初步探测位置划分更加精细的探测网格，重复步骤51到53，最终实现高精度短波通信信号时差定位。

进一步的，在步骤41中，电离层的特性参量包括但不限于电离层各层的半厚度、底高和修正后的临界频率；在步骤52中，地面距离与群距离坐标变换不限于准抛物线模型，还可采用射线追踪技术及其他电离层模型实现。

本发明的有益效果是：

本发明所公开基于到达时差(time difference of arrival,TDOA)的信源定位方法，不依赖阵列天线、只分析辐射信号到达各接收站的时间差异便能实现被动定位，是一种设备简单、组网方便又能保证较高精度的定位方法，在短波无源定位，尤其是车载、舰载侦察***中应用前景广阔。

本发明方法所需部署的电离层斜测接收设备便携便利、无需建站、且无电磁干扰。若能充分利用当前分布广泛的侦收站，拓展其业务范围，并与电离层监测设备或电离层监测网络协同，实现高精度时差定位，则有望为短波定位***提供一种新的定位方式，成为多站交会定位的有益补充。

附图说明

图1是本发明实施例1所公开方法的***配置及组成示意图；

图2是短波时差定位的原理图；

图3是本发明实施例1所公开方法的流程示意图；

图4是电离层中的电波传播模式图；

图5是QP电离层模型计算的D-P关系曲线图；

图6是本发明实施例1所公开方法的时差定位效果图；

图7是本发明实施例1所公开方法得到的短波时差定位分布；

图8是本发明实施例1所公开方法的时差定位实例误差分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

方法的***配置及组成如图1所示，双路接收机的一路用于接收电离层斜向链路信号，用于提取链路路径电离层特征参数，以便进行区域电离层特征重构及预测电离层传播模式；另一路用于接收辐射源信号，采用外置GPS进行同步，多路数据汇总后提取时差信息。

方法的基本原理及步骤如下：

步骤一：确定站点分布。选择平均信号强度最强的站为主站，即融合中心；辅站选择方法：初步搜索，确定辐射源方位，然后根据方位选择辅站，使其位于融合中心与目标源方位的扇形区域内；

步骤二：电离层斜向探测链路接收。电离层参数提取，确定电离层高度、底高、临频等参数信息(若无电离层探测设备，可采用其他外源数据)；

步骤三：接收辐射信号数据，压缩后将接受数据传送至融合中心；

步骤四：融合中心根据汇总的目标辐射数据，根据相关算法解算目标到达每个辅站与主站间的群路径时差信息；

步骤五：融合中心根据汇总的电离层信息进行区域重构，并预测电离层传播模式及地面距离与群距离之间的对应关系D-P，其中D-P关系采用准抛物线电离层模型(QP电离层模型)；

步骤六：利用网格搜索法，仿真当前电离层状态下探测网格点的理论时差，与接收站提取时差最接近的网格点即为目标点，其原理如图2所示。

实施例1，以青岛为主站，记为0号，北京、新乡、苏州为辅站，分别记为1、2、3号站，对位于西安的辐射源进行时差定位，其流程如图3所示，包括如下步骤：

步骤1，确定站点分布：

选择平均信号强度最强的站为主站，即融合中心；初步搜索，确定辐射源方位，然后根据方位选择辅站，使辅站位于融合中心指向辐射源方位的扇形区域内；

步骤2，电波环境数据获取：

步骤21，电离层斜测链路接收：

电离层斜测接收设备负责对电离层斜测链路信号进行接收，获取实时斜测电离图的频率-群距离数据；

步骤22，电离层特征参数提取，确定电离层的高度、底高和临频参数信息：

通过对斜测电离图进行度量，准确实时给出电离层各层描迹信息及关键参数，电离层参数提取技术包括了电离层净化、伪描迹提取、描迹形成和描迹识别步骤，最终实现电离层特征参数提取，此步骤可在接收机前端处理，特征参数结果汇入融合中心；

步骤3，接收站信号时差提取数据获取：

在主站端，将每个辅站接收数据与主站接收数据进行相关分析，利用互相关算法估计出信号到达主站与各辅站的群距离时间差，互相关算法是比较两个函数或信号的时间域相似程度的基本方法，其基本思想是利用两接收信号x1(t)和x2(t)的相关函数来估计时间延迟；计算西安至青岛与西安至北京、西安至新乡、西安至苏州三条链路的时延差τ¹,τ²,τ³，本实施例中西安辐射源的信号频率假设为15MHz。

步骤4，电离层参数反演及区域电离层重构：

步骤41，电离层参数反演：

由电离层垂直探测仪得出的数据判读可以获得各层的最大可用频率，以及各层的虚高，背景电离层采用准抛物面模型，电离层每个层的连接层认为是反抛物面模型，通过反复计算斜向探测的虚高值并与实测结果进行比较，迭代获取最优电离层指数，反演得到电离层的特性参量(包括但不限于电离层各层的半厚度、底高和修正后的临界频率)，此步骤在融合中心处理；

步骤42，区域电离层特征参数重构：

在中国参考电离层模型的基础上，首先通过搜索太阳黑子数R12使得预测的电离层特性参量与实测电离图判读结果的均方根误差最小，从而获得较好的背景电离层，然后在此基础上，采用预测的电离层特性参量与判读结果的差值的相对值作为区域重构变量，采用电离层区域重构算法对特性参量空间分布的数据求线性最优，综合预测值进行反演，从而获得区域内电离层特性参量的无偏内插估计，结合电离层模型，最终获得电子浓度分布及各地理位置峰高、底高、临界频率值，此步骤在融合中心处理；

步骤5，时差定位：

步骤51：划分目标探测区域网格，初次划分以全方位360度划分栅格，网格点下标ij表示方位序号和径向距离序号；

步骤52：时差定位中的地面距离与群距离坐标变换采用准抛物线模型(不限于准抛物线模型，还可采用射线追踪技术及其他电离层模型实现)，即QP电离层模型，QP电离层模型忽略地磁场和碰撞影响，并假设电离层球形对称分布，可获得射线传播的群路径P、地面距离D的解析表达式：

式中：

F＝f/f_c，f_c ²＝80.6N_m；cosγ＝r₀cosβ₀/r_b；f为工作频率；f_c为电离层临界频率；γ为电波射线在电离层底部的入射角；β₀为射线仰角；r_b为电离层底高；y_m＝r_m-r_b为电离层半厚度；r_m为电子浓度峰值高度；r₀＝6370km为地球半径；

在重构基础上利用公式(1)，获取探测区域网格点ij至各接收站的地面距离

与信号传播群距离

之间的对应关系D_ij-P_ij，从而获得探测区域网格点ij到各接收站辅站与主站的群距离理论时差

计算方法如下式所示：

值得注意的是，电离层中的电波传播存在三种传播方式，如图4所示：(1)反射传播，例如，射线1、2、3等是反射波低角射线传播模式，而射线4、5等是反射波高角射线传播模式；(2)透射波传播，例如，射线6穿越电离层而不返回地面；(3)滑行波传播，例如，射线7在电离层“滑行”很远一段距离，甚至形成环球传播，它在传播过程中向上或向下方偏离泄露。在某电离层参数下QP电离层模型计算的D-P关系如附图5所示，在近地面距离处出现了一个地面距离对应两个不同的群距离情况，此时较大的群距离属高角射线传播，为避免高低角模糊，本实施例中剔除了高角射线传播部分。

步骤53，搜索与接收时差最接近的网格点作为探测目标位置，约束条件为

得到此网格划分下的目标初步探测位置；

步骤54，以目标初步探测位置划分更加精细的探测网格，重复步骤51到53，最终实现高精度短波通信信号时差定位，迭代效果如图6所示。

除电离层特征参数的影响外，时差解算精度也是影响最终定位精度的重要因素，为了解时差解算精度对目标定位的影响，在真实时差值τ¹,τ²,τ³中加入了10km随机误差，根据蒙特卡洛模拟，得到附图7(圆圈为50km范围)中的定位分布，误差分布如附图8所示。

Claims (2)

1.一种基于电离层信息的短波时差定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，确定站点分布：

选择平均信号强度最强的站为主站，即融合中心；初步搜索，确定辐射源方位，然后根据方位选择辅站，使辅站位于融合中心指向辐射源方位的扇形区域内；

步骤2，电波环境数据获取：

步骤21，电离层斜测链路接收：

电离层斜测接收设备负责对电离层斜测链路信号进行接收，获取实时斜测电离图的频率-群距离数据；

步骤22，电离层特征参数提取，确定电离层的高度、底高和临频参数信息：

通过对斜测电离图进行度量，准确实时给出电离层各层描迹信息及关键参数，电离层参数提取技术包括了电离层净化、伪描迹提取、描迹形成和描迹识别步骤，最终实现电离层特征参数提取，此步骤可在接收机前端处理，特征参数结果汇入融合中心；

步骤3，接收站信号时差提取数据获取：

在主站端，将每个辅站接收数据与主站接收数据进行相关分析，利用互相关算法估计出信号到达主站与各辅站的群距离时间差；

步骤4，电离层参数反演及区域电离层重构：

步骤41，电离层参数反演：

由电离层垂直探测仪得出的数据判读可以获得各层的最大可用频率，以及各层的虚高，背景电离层采用准抛物面模型，电离层每个层的连接层认为是反抛物面模型，通过反复计算斜向探测的虚高值并与实测结果进行比较，迭代获取最优电离层指数，反演得到电离层的特性参量，此步骤在融合中心处理；

步骤42，区域电离层特征参数重构：

在中国参考电离层模型的基础上，首先通过搜索太阳黑子数R12使得预测的电离层特性参量与实测电离图判读结果的均方根误差最小，从而获得较好的背景电离层，然后在此基础上，采用预测的电离层特性参量与判读结果的差值的相对值作为区域重构变量，采用电离层区域重构算法对特性参量空间分布的数据求线性最优，综合预测值进行反演，从而获得区域内电离层特性参量的无偏内插估计，结合电离层模型，最终获得电子浓度分布及各地理位置峰高、底高、临界频率值，此步骤在融合中心处理；

步骤5，时差定位：

步骤51：划分目标探测区域网格，初次划分以全方位360度划分栅格，网格点下标ij表示方位序号和径向距离序号；

步骤52：时差定位中的地面距离与群距离坐标变换采用准抛物线模型，即QP电离层模型，QP电离层模型忽略地磁场和碰撞影响，并假设电离层球形对称分布，可获得射线传播的群路径P、地面距离D的解析表达式：

式中：

F＝f/f_c，

cosγ＝r₀cosβ₀/r_b；f为工作频率；f_c为电离层临界频率；γ为电波射线在电离层底部的入射角；β₀为射线仰角；r_b为电离层底高；y_m＝r_m-r_b为电离层半厚度；r_m为电子浓度峰值高度；r₀＝6370km为地球半径；

在重构基础上利用公式(1)，获取探测区域网格点ij至各接收站的地面距离

与信号传播群距离

之间的对应关系D_ij-P_ij，从而获得探测区域网格点ij到各接收站辅站与主站的群距离理论时差

计算方法如下式所示：

步骤53，搜索与接收时差最接近的网格点作为探测目标位置，约束条件为

得到此网格划分下的目标初步探测位置；

步骤54，以目标初步探测位置划分更加精细的探测网格，重复步骤51到53，最终实现高精度短波通信信号时差定位。

2.根据权利要求1所述基于电离层信息的短波时差定位方法，其特征在于：在步骤41中，电离层的特性参量包括但不限于电离层各层的半厚度、底高和修正后的临界频率；在步骤52中，地面距离与群距离坐标变换不限于准抛物线模型，还可采用射线追踪技术及其他电离层模型实现。

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