协同短波多站角度与卫星时频的超视距目标直接定位方法

技术领域

本发明涉及无线信号定位技术领域，尤其涉及一种协同短波多站角度与卫星时频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。

短波超视距目标信号是经过电离层折射后入射至地面观测站，考虑实际中电离层的实时状态难以准确估计，短波超视距目标定位大多通过多阵地测向(方位角)交汇定位实现；基于卫星系统的无线电定位方式，一般是待定位辐射源发射的卫星信号经过大于等于2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差或/与接收信号的多普勒频差信息实现定位。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，但是时差与频差估计精度易受带宽影响，且容易出现时差估计模糊。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。

另一方面，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，包括需要计算较多的中间参数。

发明内容

针对现有的无线电信号定位方法中存在的定位精度受限、需要计算的中间参数较多的问题，本发明提供一种协同短波多站角度与卫星时频的超视距目标直接定位方法，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，并且通过Newton型迭代公式来实现，具有较快的收敛速度，无需网格搜索，运算高效。

本发明提供的一种协同短波多站角度与卫星时频的超视距目标直接定位方法，包括：

步骤1：利用K

步骤2：利用K

步骤3：依次将K

步骤4：利用K

步骤5：利用每颗卫星的地理坐标与卫星地面站的地理坐标，依次建立待定位辐射源的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的传播时延、多普勒频偏之间的代数关系式；

步骤6：依次将K

步骤7：各短波观测站与卫星地面站将采集得到的阵列信号数据传输至地面中心站，地面中心站基于接收到的阵列信号数据利用最大似然估计准则构建直接定位优化模型；

步骤8：地面中心站对所述直接定位优化模型进行降维处理，得到关于待定位辐射源的地理坐标与到达各短波观测站俯仰角的降维优化模型；

步骤9：地面中心站利用Newton型迭代法对所述降维优化模型进行数值优化，得到待定位辐射源的地理坐标的估计值。

进一步地，所述步骤1中，第k

其中，

进一步地，所述步骤2中，建立的待定位辐射源的地理坐标与其发射的短波信号到达K

其中，

进一步地，所述步骤3中，第k

其中，t

进一步地，所述步骤4中，由第k

其中，

进一步地，所述步骤5中，建立的待定位辐射源的地理坐标与其发射的卫星信号经过第k

其中，||·||

进一步地，所述步骤6中，第k

其中，t

其中，T

进一步地，所述步骤7中，利用最大似然估计准则构建的直接定位优化模型为：

其中，J表示待优化的目标函数；

进一步地，所述步骤8具体包括：

步骤8.1：依次求出

步骤8.2：依次求出

步骤8.3：将

其中，

步骤8.4：将

其中，

其中，

进一步地，所述步骤9具体包括：

步骤9.1：利用短波多站交汇定位或卫星时频差定位获得待定位辐射源的经纬度的初始估计

步骤9.2：利用Newton型迭代法对降维优化模型进行迭代，迭代公式为：

其中，i表示迭代次数，0＜μ≤1表示迭代步长因子，

其中

其中,k

其中，

H

其中，Re{·}表示取实部；v

本发明的有益效果：

相比已有的短波多站交汇定位和卫星时频差定位，本发明实施例提供的协同短波多站角度与卫星时频的超视距目标直接定位方法，针对能够同时发射短波信号和卫星信号的待定位辐射源，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；并且，本发明公开的直接定位方法将多参数的联合优化问题降维处理，并且通过Newton型迭代公式来实现定位，具有较快的收敛速度，无需网格搜索，是一种性能可靠、运算高效的超视距目标直接定位方法。

附图说明

图1为本发明实施例提供的协同短波多站角度与卫星时频的超视距目标直接定位方法的原理示意图。

图2是本发明实施例提供的协同短波多站角度与卫星时频的超视距目标直接定位方法的流程示意图。

图3是本发明实施例提供的短波信号接收几何示意图；

图4是本发明实施例提供的3种方法的定位结果散布图；

图5是本发明实施例提供的3种方法的定位均方根误差随着信噪比的变化曲线。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1和图2，本发明实施例提供一种协同短波多站角度与卫星时频的超视距目标直接定位方法，包括以下步骤：

S101：利用K

S102：利用K

S103：依次将K

S104：利用K

S105：利用每颗卫星的地理坐标(即经纬度与地面高度)与卫星地面站的地理坐标，依次建立待定位辐射源的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的传播时延、多普勒频偏之间的代数关系式；

S106：依次将K

S107：各短波观测站与卫星地面站将采集得到的阵列信号数据传输至地面中心站(可设置为某个短波观测站或卫星地面站)，地面中心站基于接收到的阵列信号数据利用最大似然估计准则构建直接定位优化模型；

S108：地面中心站对所述直接定位优化模型进行降维处理，得到关于待定位辐射源的地理坐标与到达各短波观测站俯仰角的降维优化模型；

S109：地面中心站利用Newton型迭代法对所述降维优化模型进行数值优化，得到待定位辐射源的地理坐标的估计值。

需要说明的是，本发明实施例中的待定位辐射源需要能够同时发射不同频段的信号，即短波信号和卫星信号。在实际场景中，例如一艘舰船(或者飞机)可能会同时发射短波信号和卫星信号。

相比已有的短波多站交汇定位和卫星时频差定位，本发明实施例提供的协同短波多站角度与卫星时频的超视距目标直接定位方法，针对能够同时发射短波信号和卫星信号的待定位辐射源，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；并且，本发明公开的直接定位方法将多参数的联合优化问题降维处理，并且通过Newton型迭代公式来实现定位，具有较快的收敛速度，无需网格搜索，是一种性能可靠、运算高效的超视距目标直接定位方法。

在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供一种协同短波多站角度与卫星时频的超视距目标直接定位方法，具体包括如下步骤：

作为一种可实施方式，步骤S101中，第k

其中，

作为一种可实施方式，根据短波信号传播以及坐标转换的几何关系(如图3所示)，步骤S102中，利用K

其中，

作为一种可实施方式，步骤S103中，第k

其中，t

作为一种可实施方式，步骤S104中，针对待定位辐射源发射的卫星信号，经过K

其中，

作为一种可实施方式，步骤S105中，建立的待定位辐射源的地理坐标与其发射的卫星信号经过第k

其中，||·||

作为一种可实施方式，步骤S106中，第k

其中，t

其中，T

作为一种可实施方式，步骤S107中，利用最大似然估计准则构建的直接定位优化模型为：

其中，J表示待优化的目标函数；

作为一种可实施方式，步骤S108具体包括以下子步骤：

S1081：依次求出

S1082：依次求出

S1083：将

其中，

S1084：将

其中，

其中，

作为一种可实施方式，步骤S109具体包括以下子步骤：

S1091：利用短波多站交汇定位或卫星时频差定位获得待定位辐射源的经纬度的初始估计

S1092：利用Newton型迭代法对降维优化模型进行迭代，迭代公式为：

其中，i表示迭代次数，0＜μ≤1表示迭代步长因子，

其中

其中,k

其中，

H

其中，Re{·}表示取实部；v

相比已有的短波多站交汇定位和卫星时频差定位，本发明提供的方法能够有效地将短波超视距定位和基于卫星的无线电定位这两种定位系统协同利用，达到弥补定位短板，保持定位优势的效果，从而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。此外，本发明公开的直接定位方法将多参数的联合优化问题降维处理，并且通过Newton型迭代公式来实现定位，具有较快的收敛速度，无需网格搜索，是一种性能可靠、运算高效的超视距目标直接定位方法。

为了验证本发明的方法的有效性，本发明还提供有以下实验，具体如下：

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50°，47°和53°，纬度为20°，0°和0°，轨道高度均为35785.863km；辐射源的经度为52.9°，纬度为10.35°，其同时发射短波信号(频率为20MHz)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。下面将本发明公开的定位方法与传统的短波多站交汇定位方法和卫星时频差定位方法进行比较。

将信噪比设为0dB，信号采样点数设为100，图4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，卫星时频差定位方法在辐射源纬度方向上的定位误差较小、在辐射源经度方向上的定位误差较大，而短波多站交汇定位方法正好相反，但是本发明公开的定位方法在辐射源纬度和经度方向上的定位误差都得到了降低，比他们两个任何方向上的定位误差都小。其余条件保持不变，图5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，由于本发明公开的定位方法是将短波多站交汇定位和卫星时频差定位进行了有效协同，产生了协同增益，因此相比于短波多站交汇定位方法和卫星时频差定位方法，本发明公开的定位方法在整个信噪比区间均具有更高的定位精度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。