一种基于微波转发的双星海上目标定位方法

摘要

本发明公开了一种基于微波转发的双星海上目标定位方法，该方法包括：海上辐射源发出的辐射源微波信号通过两颗卫星接收并转发于N个地面雷达站；根据每个雷达站接收的辐射源微波信号分别测量得到海上辐射源到N个地面雷达站的到达时间差、到达频率差；根据地球球面模型和测量得到的到达时间差、到达频率差建立辐射源位置信息方程组；对辐射源位置信息方程组进行解析求解得到辐射源位置信息；对辐射源位置信息进行定位模糊点消除处理。本发明通过两颗卫星接收来自海上辐射源的微波信号，卫星对该辐射源微波信号不做处理，直接将辐射源微波信号转发给地面雷达站，地面雷达站对接收到的信号进行参数测量，该方法有效降低了卫星处理数据的计算量。

说明书

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于微波转发的双星海上目标定位方法。

背景技术

侦察定位根据侦察机是否发射信号可以将定位方式分为无源侦察定位和有源侦察定位。信号源的无源定位，具有作用距离远、隐蔽性高、生存能力强的特点，受到国内外广泛的研究。

多站无源定位主要通过定位参数获得辐射源的位置，其中主要有多站时差定位、多站频差定位、多站测向交叉定位以及时差频差联合定位等。卫星对海上辐射源的电子侦察定位技术对于信息对抗具有重大的意义。双星时差频差定位方法利用两颗卫星分别被动地接收海上辐射源的信号，然后根据信号到达时间差和频率差，计算出辐射源目标的位置。然而由于测量得到的到达时间差和频率差都是关于辐射源位置的非线性函数，因此也就意味着求解辐射源位置相当于求解一个三元高次非线性方程组，常用的方法是采用多维搜索的方法求解辐射源位置。

但是，多维搜索方法的计算量大，同时容易受到搜索的初始值影响而得到了局部的最优解，定位误差较大。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于微波转发的双星海上目标定位方法。

本发明的一个实施例提供了一种基于微波转发的双星海上目标定位方法，包括以下步骤：

步骤1、N个地面雷达站接收辐射源微波信号，其中，海上辐射源发出的辐射源微波信号通过两颗卫星接收并转发于N个地面雷达站，N为大于0的整数；

步骤2、根据N个地面雷达站接收的辐射源微波信号分别测量得到海上辐射源到N个地面雷达站的到达时间差、到达频率差；

步骤3、根据地球球面模型和测量得到的所述到达时间差、所述到达频率差建立辐射源位置信息方程组；

步骤4、对所述辐射源位置信息方程组进行解析求解得到辐射源位置信息；

步骤5、对所述辐射源位置信息进行定位模糊点消除处理。

在本发明的一个实施例中，步骤1中每个地面雷达站接收的辐射源微波信号表示为：

其中，

在本发明的一个实施例中，步骤2包括：

步骤2.1、根据所述N个地面雷达站接收的辐射源微波信号测量得到所述海上辐射源到N个地面雷达站的到达时间差；

步骤2.2、根据所述N个地面雷达站接收的辐射源微波信号测量得到所述海上辐射源到N个地面雷达站的到达频率差。

在本发明的一个实施例中，步骤2.1包括：

步骤2.1.1、根据两颗卫星的位置参数以及每个地面雷达站的位置，建立每个地面雷达站的辐射源位置的时差方程；

步骤2.1.2、对每个地面雷达站接收的辐射源微波信号进行频域相关处理得到若干有效地面雷达站接收的辐射源微波信号；

步骤2.1.3、根据所述地面雷达站的辐射源位置的时差方程对若干有效地面雷达站接收的辐射源微波信号进行加权平均得到所述海上辐射源到N个地面雷达站的到达时间差。

在本发明的一个实施例中，步骤2.1.1中每个地面雷达站的辐射源位置的时差方程表示为：

其中，

在本发明的一个实施例中，步骤2.2包括：

步骤2.2.1、根据两颗卫星的速度参数以及每个地面雷达站的位置，建立每个地面雷达站的辐射源位置的频差方程；

步骤2.2.2、对每个地面雷达站接收的辐射源微波信号进行频域相关处理得到若干有效地面雷达站接收的辐射源微波信号；

步骤2.2.3、根据所述地面雷达站的辐射源位置的频差方程对若干有效地面雷达站接收的辐射源微波信号进行加权平均得到所述海上辐射源到N个地面雷达站的到达频率差。

在本发明的一个实施例中，步骤2.2.1中每个地面雷达站的辐射源位置的频差方程表示为：

其中，

在本发明的一个实施例中，步骤3中建立的辐射源位置信息方程组表示为：

其中，(x,y,z)表示海上辐射源的位置坐标，(x

在本发明的一个实施例中，步骤4包括：

步骤4.1、根据所述辐射源位置信息方程组构建海上辐射源到卫星S

步骤4.2、根据所述辐射源位置信息方程组、所述一元六次方程构建辐射源位置信息估计方程；

步骤4.3、求解所述辐射源位置信息估计方程估计辐射源位置信息。

在本发明的一个实施例中，步骤4.2中构建的辐射源位置信息估计方程表示为：

其中，

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供的基于微波转发的双星海上目标定位方法，通过两颗卫星接收来自海上辐射源的微波信号，卫星对该辐射源微波信号不做处理，直接将辐射源微波信号转发给地面雷达站，地面雷达站对接收到的信号进行参数测量，该方法有效降低了卫星处理数据的计算量。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于微波转发的双星海上目标定位方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的卫星定位模型示意图；

图3是本发明实施例提供的仿真场景示意图；

图4是本发明实施例提供的辐射源位置信息方程组求解结果示意图；

图5是本发明实施例提供的基于微波转发的双星海上目标定位方法下不同时差误差和频差误差的定位误差分析示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于微波转发的双星海上目标定位方法的流程示意图。本实施例提出了一种基于微波转发的双星海上目标定位方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、N个地面雷达站接收辐射源微波信号，其中，海上辐射源发出的辐射源微波信号通过两颗卫星接收并转发于N个地面雷达站，N为大于0的整数。

具体而言，假设海上辐射源P，发射信号为m(t)，两颗卫星接收到辐射源微波信号不做处理只负责转发，将接收到的辐射源微波信号转发给位于地面的N个雷达站，N为大于0的整数，N个雷达站接收到的辐射源微波信号表示为：

其中，

请参见图2，图2是本发明实施例提供的卫星定位模型示意图，以N＝3个雷达站为例，图2中两颗卫星分别为第1颗卫星S1、第2颗卫星S2，3个雷达站A、雷达站B、雷达站C接收到的辐射源微波信号分别表示为：

其中，

步骤2、根据N个地面雷达站接收的辐射源微波信号分别测量得到海上辐射源到N个地面雷达站的到达时间差、到达频率差。

具体而言，本实施例步骤2包括步骤2.1、步骤2.2：

步骤2.1、根据N个地面雷达站接收的辐射源微波信号测量得到海上辐射源到N个地面雷达站的到达时间差。

具体而言，本实施例步骤2.1包括步骤2.1.1、步骤2.1.2、步骤2.1.3：

步骤2.1.1、根据两颗卫星的位置参数以及每个地面雷达站的位置，建立每个地面雷达站的辐射源位置的时差方程。

具体而言，本实施例根据两颗卫星的位置参数以及每个地面雷达站的位置建立的每个地面雷达站的辐射源位置的时差方程表示为：

其中，

请再参见图2，图2中3个雷达站A、雷达站B、雷达站C的辐射源位置的时差方程分别表示为：

其中，

步骤2.1.2、对每个地面雷达站接收的辐射源微波信号进行频域相关处理得到若干有效地面雷达站接收的辐射源微波信号。

具体而言，由于卫星的位置和地面雷达站的位置为已知量，因此公式(3)的时差方程的前半部分是已知的，包含未知参量的方程表示为：

根据公式(1)每个地面雷达站接收到的辐射源微波信号，通过对辐射源微波信号进行频域相关处理，从而判断第j个地面雷达站是否接收到了卫星转发的辐射源微波信号，如果相关峰值检测大于或等于预设阈值，预设阈值根据实际情况设置，则认为第j个地面雷达站接收到了卫星转发的辐射源微波信号，该第j个地面雷达站接收到的卫星转发的辐射源微波信号为有效信号，如果相关峰值检测小于预设阈值，则舍弃掉第j个地面雷达站接收到了卫星转发的辐射源微波信号，N个地面雷达站分别进行频域相关处理得到若干有效地面雷达站接收的辐射源微波信号。

步骤2.1.3、根据地面雷达站的辐射源位置的时差方程对若干有效地面雷达站接收的辐射源微波信号进行加权平均得到海上辐射源到N个地面雷达站的到达时间差。

具体而言，本实施例步骤2.1.2得到若干个有效地面雷达站接收的辐射源微波信号，本实施例有效个数记为M，具体根据地面雷达站的辐射源位置的时差方程对若干有效地面雷达站接收的辐射源微波信号进行加权平均，则海上辐射源到N个地面雷达站的到达时间差表示为：

步骤2.2、根据N个地面雷达站接收的辐射源微波信号测量得到海上辐射源到N个地面雷达站的到达频率差。

具体而言，步骤2.2包括步骤2.2.1、步骤2.2.2、步骤2.2.3：

步骤2.2.1、根据两颗卫星的速度参数以及每个地面雷达站的位置，建立每个地面雷达站的辐射源位置的频差方程。

具体而言，本实施例根据两颗卫星的速度参数以及每个地面雷达站的位置建立的每个地面雷达站的辐射源位置的频差方程表示为：

其中，

请再参见图2，图2中3个雷达站A、雷达站B、雷达站C的辐射源位置的频差方程分别表示为：

其中，λ表示信号的波长，

步骤2.2.2、对每个地面雷达站接收的辐射源微波信号进行频域相关处理得到若干有效地面雷达站接收的辐射源微波信号。

具体而言，由于卫星的速度和地面雷达站的位置为已知量，因此公式(7)的频差方程的前半部分是已知的，包含未知参量的方程表示为：

根据公式(1)每个地面雷达站接收到的辐射源微波信号，通过对辐射源微波信号进行频域相关处理，从而判断第j个地面雷达站是否接收到了卫星转发的辐射源微波信号，如果相关峰值检测大于或等于预设阈值，预设阈值根据实际情况设置，则认为第j个地面雷达站接收到了卫星转发的辐射源微波信号，该第j个地面雷达站接收到的卫星转发的辐射源微波信号为有效信号，如果相关峰值检测小于预设阈值，则舍弃掉第j个地面雷达站接收到了卫星转发的辐射源微波信号，N个地面雷达站分别进行频域相关处理得到若干有效地面雷达站接收的辐射源微波信号。

步骤2.2.3、根据地面雷达站的辐射源位置的频差方程对若干有效地面雷达站接收的辐射源微波信号进行加权平均得到海上辐射源到N个地面雷达站的到达频率差。

具体而言，本实施例步骤2.2.2得到若干个有效地面雷达站接收的辐射源微波信号，本实施例有效个数记为M，具体根据地面雷达站的辐射源位置的频差方程对若干有效地面雷达站接收的辐射源微波信号进行加权平均，则海上辐射源到N个地面雷达站的到达频率差表示为：

步骤3、根据地球球面模型和测量得到的到达时间差、到达频率差建立辐射源位置信息方程组。

具体而言，本实施例根据地球球面模型和测量得到的到达时间差、到达频率差建立辐射源位置信息方程组，建立的辐射源位置信息方程组表示为：

其中，(x,y,z)表示海上辐射源位置坐标，(x

步骤4、对辐射源位置信息方程组进行解析求解得到辐射源位置信息。

具体而言，求解辐射源位置信息方程组，本实施例步骤4包括步骤4.1、步骤4.2：

步骤4.1、根据辐射源位置信息方程组构建海上辐射源到卫星S

具体而言，本实施例将公式(11)中地球球面模型x

λ

其中，r

本实施例设置一距离r

步骤4.2、根据辐射源位置信息方程组、一元六次方程构建辐射源位置信息估计方程。

具体而言，本实施例根据公式(11)，通过两颗卫星的位置信息和速度信息得构建了位置速度矩阵A，位置速度矩阵A表示为：

其中，(x

同时构建了卫星的高度矩阵h，高度矩阵h表示为：

其中，H表示高程观测值，H

并利用两颗卫星转发测量得到的海上辐射源到N个地面雷达站的到达时间差和到达频率差，构建了时差矩阵n，时差矩阵n表示为：

同时构建了时差频差矩阵M，时差频差矩阵M表示为：

根据公式(13)、公式(14)、公式(15)、公式(16)、公式(12)将公式(11)重新化简，最终得到辐射源位置信息估计方程，辐射源位置信息估计方程表示为：

其中，

步骤4.3、求解辐射源位置信息估计方程估计辐射源位置信息。

具体而言，求解公式(17)化简得到的辐射源位置信息估计方程，从而估计得到辐射源位置信息

步骤5、对辐射源位置信息进行定位模糊点消除处理。

具体而言，本实施例在对辐射源位置信息估计求解时会产生模糊解，产生模糊解主要有两个原因：一是由于解辐射源位置信息估计方程过程中引入的增根，这种模糊解可以通过对方程组验根的方法去除；另一是由于两颗卫星的定位曲面存在多个交点引入，这种模糊解必须引入其他信息来分辨，比如增加测向信息或者利用多个轨道面观测的结果来解模糊。

为了验证本实施例提出的基于微波转发的双星海上目标定位方法的有效性，通过以下仿真实验以进一步证明。

1、仿真数据参数

请再参见图2，以及请参见图3，图3是本发明实施例提供的仿真场景示意图，具体参数包括：

卫星位置：

卫星S

卫星S

卫星速度：

卫星S

卫星S

海上发射源目标P的位置：东经92°北纬15°

2、仿真数据处理内容及结果

请参见图4，图4是本发明实施例提供的辐射源位置信息方程组求解结果示意图，由图4可以得知辐射源位置信息方程组有两个实根，需要根据其他信息判断，去掉一个虚根，即对辐射源位置信息进行定位模糊点消除。最终，请参见图5，图5是本发明实施例提供的基于微波转发的双星海上目标定位方法下不同时差误差和频差误差的定位误差分析示意图，由图5可以得知，在时差误差1ns，频差误差1Hz的情况下，距离r

综上所述，本实施例提出的基于微波转发的双星海上目标定位方法，通过两颗卫星接收来自海上辐射源的微波信号，卫星对该辐射源微波信号不做处理，直接将辐射源微波信号转发给地面雷达站，地面雷达站对接收到的信号进行参数测量，如时差、频差等，本实施例提出的方法有效降低了卫星处理数据的计算量，对各个地面雷达站接收的信号进行时差、频差参数估计，通过加权平均的方式有效提高了时差、频差的估计误差，得到了时差频差参数后，针对三元高次非线性方程组的求解，提出了一种将该非线性方程组简化为解一元六次方程的方法，解决了多维搜索带来的计算量大、容易陷入局部最优解的问题，通过解一元六次方程得到辐射源位置的解析解，并通过验根和解模糊判断从而得到辐射源目标的估计值，提高了目标定位的精确度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。