协同短波多站角度与三星时差的超视距目标直接定位方法

技术领域

本发明属于辐射源定位技术领域，特别涉及一种协同短波多站角度信息与三星时差信息的超视距目标直接定位方法。

背景技术

众所周知，无线电信号定位技术对于目标发现及其态势感知具有十分重要的意义，经过近几十年的发展，该技术在理论和工程应用中都取得了长足的进展。根据定位手段进行划分，无线电定位可分为星基无线电定位与陆基无线电定位。星基无线电定位系统，即卫星导航定位系统具有大范围的高精度定位、测速和提供定时服务的能力，在国防和国民经济各个领域得到了广泛应用。在陆基无线电定位系统中，人们将利用处于短波频段的电磁波进行无线电通信的方式称为短波通信，此种通信方式不论是在民用领域还是在军事领域中都获得了持久、广泛的应用，因此短波定位系统是陆基无线电定位系统的重要组成部分。短波频段的辐射源定位大多通过多阵地测向交汇定位实现，三星定位是一种常用的星基无线电定位方式，一般是待定位辐射源发射的卫星信号经过3颗通信卫星转发至地面观测站，通过利用信号传播路径的时延或者时延差实现定位。前者的定位精度对目标与观测站的距离非常敏感，尤其对远距离目标定位精度受限；后者虽然定位距离比短波体制的鲁棒性更强，但是时差估计精度受带宽影响明显。此外，从地球参考椭球的角度来看，短波定位的几何精度因子(Geometric Dilution Precision,GDOP)与卫星定位的GDOP也是互不相同的。因此，若能够有效地将两种定位系统协同利用，可以达到弥补定位短板，保持定位优势的效果。

发明内容

为此，针对能够同时发射短波信号和卫星信号的待定位辐射源，本发明提供一种协同短波多站角度信息与三星时差信息的超视距目标直接定位方法，显著提升对地球表面超视距(远距离)辐射源的定位精度。

按照本发明所提供的设计方案，一种协同短波多站角度信息与三星时差信息的超视距目标直接定位方法，包含如下内容：

基于多个短波观测站采集待定位辐射源发射的短波信号，依据待定位辐射源地理坐标、其发射的短波信号及短波观测站地理坐标建立方位角观测方程，并依据方位角观测方程获取该多个短波观测站若干采样时刻的阵列接收信号组成新的短波接收信号矢量；

利用预设个数的卫星对待定位辐射源发射的卫星信号进行转发，并由不同卫星地面站进行采集，依据每颗卫星地理坐标、卫星地面站地理坐标建立卫星信号经每颗卫星转发到卫星地面站传播时延方程，并依据传播时延方程获取卫星地面站多个采样时刻接收到的卫星接收信号矢量；

地面中心站接收短波观测站和卫星地面站采集的阵列信号数据，并利用最大似然估计准则构建直接定位优化模型；通过对模型进行求解获取作为最终定位结果的辐射源经纬度估计值。

作为本发明协同短波多站角度信息与三星时差信息的超视距目标直接定位方法，进一步地，短波观测站通过安装观测阵列来接收并采集辐射源发射的短波信号，所述观测阵列至少能接收二维角度信息。

作为本发明协同短波多站角度信息与三星时差信息的超视距目标直接定位方法，进一步地，假设短波信号到达第k

作为本发明协同短波多站角度信息与三星时差信息的超视距目标直接定位方法，进一步地，假设第k

作为本发明协同短波多站角度信息与三星时差信息的超视距目标直接定位方法，进一步地，根据方位角观测方程获取的新的短波接收信号矢量表示为：x

作为本发明协同短波多站角度信息与三星时差信息的超视距目标直接定位方法，进一步地，假设卫星信号经过第k

y

其中，y

作为本发明协同短波多站角度信息与三星时差信息的超视距目标直接定位方法，进一步地，假设第k

，其中，||·||

作为本发明协同短波多站角度信息与三星时差信息的超视距目标直接定位方法，进一步地，依据传播时延方程获取的卫星接收信号矢量表示为：

y

作为本发明协同短波多站角度信息与三星时差信息的超视距目标直接定位方法，进一步地，直接定位优化模型表示为

作为本发明协同短波多站角度信息与三星时差信息的超视距目标直接定位方法，进一步地，模型求解中，首先通过依次获取短波接收信号矢量和卫星接收信号矢量的最优解对直接优化模型进行经纬处理，获取仅关于辐射源经纬度的降维优化模型；然后，利用高斯牛顿迭代法对降维优化模型进行迭代求解，获取待定位辐射源经纬度估计值。

本发明的有益效果：

本发明针对能够同时发射短波信号和卫星信号的待定位辐射源，协同短波多站角度信息与三星时差信息，相比已有的短波多站交汇定位和三星时差定位，能够显著提升对地球表面超视距(远距离)辐射源的定位精度，具有较好的应用前景。

附图说明：

图1为实施例中超视距目标直接定位流程示意；

图2为实施例中超视距目标直接定位原理示意；

图3为实施例中短波信号接收几何示意；

图4为实施例中短波和卫星信号数据传输示意；

图5为实施例中与现有定位方案对比的定位结果散布示意；

图6为实施例中与现有定位方案对比的定位均方根误差随着信噪比的变化曲线示意。

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、明白，下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例，提供一种协同短波多站角度信息与三星时差信息的超视距目标直接定位方法，包含如下内容：基于多个短波观测站采集待定位辐射源发射的短波信号，依据待定位辐射源地理坐标、其发射的短波信号及短波观测站地理坐标建立方位角观测方程，并依据方位角观测方程获取该多个短波观测站若干采样时刻的阵列接收信号组成新的短波接收信号矢量；利用预设个数的卫星对待定位辐射源发射的卫星信号进行转发，并由不同卫星地面站进行采集，依据每颗卫星地理坐标、卫星地面站地理坐标建立卫星信号经每颗卫星转发到卫星地面站传播时延方程，并依据传播时延方程获取卫星地面站多个采样时刻接收到的卫星接收信号矢量；地面中心站接收短波观测站和卫星地面站采集的阵列信号数据，并利用最大似然估计准则构建直接定位优化模型；通过对模型进行求解获取作为最终定位结果的辐射源经纬度估计值。

从地球参考椭球的角度来看，短波定位的几何精度因子(Geometric DilutionPrecision,GDOP)与卫星定位的GDOP也是互不相同的。因此，若能够有效地将两种定位系统协同利用，可以达到弥补定位短板，保持定位优势的效果。要实现两种手段协同定位，需要待定位辐射源能够同时发射不同频段的信号，在实际场景中这是有可能实现的，例如一艘舰船可能会同时发射短波信号和卫星信号。传统无源定位技术大多采用两步估计方式，即首先从接收信号中提取出用于定位的相关参数(主要包括空域、时域、频域以及能量域等参量)，然后利用这些中间参数确定目标位置参数或者速度参数。虽然这种两步定位模式在现代无源定位系统中被广泛使用，但以色列学者A.J.Weiss和A.Amar却指出了其中所存在的诸多缺点，并提出了直接定位的思想，其基本理念是从信号采集的数据域中直接估计目标的位置参数，而无需估计其它中间定位参数。显然，这种直接定位体制同样适用于短波多站与三星系统协同定位中。因此，本案实施例中，针对能够同时发射短波信号和卫星信号的待定位辐射源，通过协同短波多站角度信息与三星时差信息，可以显著提升对地球表面超视距(远距离)辐射源的定位精度。

通过构建相邻两个阶段的目标运动模型，建立起状态向量与观测波形之间的关系；最后基于状态转移概率波形和观测概率模型构建航迹矢量的似然函数，并通过求解获取航迹矢量的最大似然估计值，能够在目标运动规律明显、信噪比低、采集快拍数少的条件下获得较高的航迹估计。

进一步地，参见图1和图2所示，本案实施例中，可首先利用多个短波观测站安装的阵列(能接收二维角度信息)对待定位辐射源发射的短波信号进行接收和采集；然后利用每个短波观测站的地理坐标(即经纬度)，依次建立该辐射源地理坐标(即经纬度)与其发射的短波信号到达不同短波观测站的方位角之间的代数关系式；再依次将各短波观测站多个采样时刻的阵列接收信号组成新的短波接收信号矢量，进而将新的短波接收信号矢量表示为与待定位辐射源地理坐标有关的表达式；接着利用3颗卫星对待定位辐射源发射的卫星信号转发，并由不同卫星地面站进行接收和采集；随后利用每颗卫星的地理坐标(即经纬度与地面高度)与卫星地面站(即经纬度)的地理坐标，依次建立该辐射源地理坐标与其发射的卫星信号经过每颗卫星转发到卫星地面站传播时延之间的代数关系式；再依次将各卫星地面站多个采样时刻的接收信号组成卫星接收信号矢量，进而将各卫星接收信号矢量表示为与待定位辐射源地理坐标有关的表达式；最后各短波观测站与卫星地面站将采集得到的信号数据传输至地面中心站(可设置为某个卫星地面站或短波观测站)进行处理，地面中心站基于短波信号数据和卫星信号数据获得估计辐射源经纬度的优化模型，并利用两步高斯-牛顿迭代法对其进行数值优化，用于获得辐射源经纬度的估计值，亦即最终的定位结果。

针对待定位辐射源发射的短波信号，利用K(K＞1)个短波观测站安装的阵列(能接收二维角度信息)对该信号进行接收和采集，假设短波信号到达第k个短波观测站的方位角(与正北方向的顺时针夹角)和仰角分别为θ

x

式中x

利用K个短波观测站的地理坐标(即经纬度)，依次建立该辐射源地理坐标(即经纬度)与其发射的短波信号到达K个短波观测站的方位角之间的代数关系式。假设第k个短波观测站的经纬度分别为ζ

式中t

其中，

依次将K个短波观测站多个采样时刻的阵列接收信号组成K个新的短波接收信号矢量，并将新的短波接收信号矢量表示为与待定位辐射源地理坐标有关的表达式。如下所示：

x

其中t

b

针对待定位辐射源发射的卫星信号，经过3颗卫星对该信号转发，利用不同地面站对转发信号进行接收与采集，假设该卫星信号经过第k颗卫星转发到达卫星地面站的传播时延为τ

y

式中y

假设第k颗卫星的经纬度、高度分别为ζ

式中||·||

依次将3个卫星地面站多个采样时刻的接收信号组成3个卫星接收信号矢量，并将卫星接收信号矢量表示为与待定位辐射源地理坐标有关的表达式，如下所示：

y

其中t

其中T

各个短波观测站与卫星地面站将采集得到的信号数据传输至地面中心站进行处理，如图4所示。

地面中心站基于短波信号数据和卫星信号数据，利用最大似然估计准则构建直接定位优化模型，如下式所示：

式中J表示待优化的目标函数。

进一步地，本案实施例模型求解中，首先通过依次获取短波接收信号矢量和卫星接收信号矢量的最优解对直接优化模型进行经纬处理，获取仅关于辐射源经纬度的降维优化模型；然后，利用高斯牛顿迭代法对降维优化模型进行迭代求解，获取待定位辐射源经纬度估计值。

地面中心站针对构建的直接定位优化模型进行“降维”处理，得到仅关于辐射源经纬度的“降维”优化模型，其主要步骤可设计如下：

(1)依次求出

(2)依次求出

(3)假设卫星地面站噪声功率

其中

(4)假设阵列噪声加性噪声与卫星地面站加性噪声的一致估计值分别为

式中

地面中心站利用两步高斯-牛顿迭代法对“降维”优化模型进行数值优化，用于获得辐射源经纬度的估计值，亦即最终的定位结果，所设计出的两步高斯-牛顿迭代法实现步骤可描述为如下内容：

(1)利用短波多站定位或三星定位获得辐射源经纬度的初始估计

(2)利用高斯-牛顿迭代法对“降维”优化模型进行迭代，计算公式为

式中i表示迭代次数，0＜μ≤1表示迭代步长因子，

其中

式中，

H

其中，Re{·}表示取实部；v

K为交换矩阵，满足

(3)将高斯-牛顿迭代法计算得到的估计结果记为

(4)利用

(5)以

为验证本案方案有效性，下面结合试验数据做进一步解释说明：

假设有3个短波观测站和3颗通信卫星对地球表面的辐射源进行定位，3个短波观测站的经度分别为60.2°，70.5°和72.2°，纬度分别为34°，38.8°和26.5°，3颗卫星的经度分别为124.23°，118.35°和120.87°，纬度为30.57°，29.19°和32.65°，其轨道高度分别为1000km，1000km和1200km，辐射源的经度为120.5°，纬度为30.2°，其同时发射短波信号(频率为25.25MHz)和卫星信号(频率为200MHz)。每个短波观测站由9元均匀圆阵构成，半径为40米。下面将本案定位方案与传统的短波多站交汇定位方法和三星时差定位方法进行比较。将信噪比设为-5dB，信号采样点数设为100，图5给出了3种方法的定位结果散布图，其中一共进行了500次蒙特卡洛实验。从图中可以看出，三星时差定位方法在辐射源纬度方向上的定位误差较大，短波多站交汇定位方法在辐射源经度方向上的定位误差较大，而本专利公开的定位方法则在纬度方向和经度方向上的定位误差都能得到降低。其余条件不变，图6给出了3种方法的定位均方根误差随着信噪比的变化曲线，从中可以看出，相比于短波多站交汇定位方法和三星时差定位方法，本案方案具有更高的定位精度。因为本案方案是将短波多站交汇定位和三星时差定位进行了有效协同，因而产生了协同增益，提高了定位精度，具有较好的应用前景。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。