本發(fā)明屬于目標(biāo)定位，涉及一種聯(lián)合站內(nèi)/間量測(cè)的三站混合目標(biāo)定位方法。

背景技術(shù)：

1、多站雷達(dá)高精度目標(biāo)定位是分布式雷達(dá)系統(tǒng)的一種獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。目標(biāo)定位能力來(lái)自于多站雷達(dá)對(duì)目標(biāo)觀(guān)測(cè)視角的差異，在雷達(dá)數(shù)給定的條件下，雷達(dá)觀(guān)測(cè)目標(biāo)的視角越分散，越能獲得高的系統(tǒng)空域分集增益，目標(biāo)定位精度也就越高；反之，若目標(biāo)位于多站雷達(dá)的同一觀(guān)測(cè)方向，則無(wú)法有效定位。目標(biāo)定位在軍用和民用領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景：在軍用方面，目標(biāo)位置的精確估計(jì)，對(duì)于戰(zhàn)時(shí)情報(bào)獲取、跟蹤乃至最后的精確打擊都提供了有力保障；而在民用方面，精確定位可為通信、救援、交通等民生服務(wù)提供可靠幫助。

2、目標(biāo)定位一般分為有源定位和無(wú)源定位兩種。有源定位指雷達(dá)主動(dòng)發(fā)射信號(hào)，經(jīng)目標(biāo)照射后返回接收端，即發(fā)射信號(hào)源可控，是一套完備的收-發(fā)系統(tǒng)，但發(fā)射源的存在，使得雷達(dá)隱蔽性差，易受敵方電子干擾；無(wú)源定位雷達(dá)不發(fā)射信號(hào)，只接收目標(biāo)輻射的信號(hào)，隱蔽性好，但目標(biāo)輻射強(qiáng)度低時(shí)卻無(wú)法定位目標(biāo)。空-天跨域雷達(dá)系統(tǒng)采用高軌衛(wèi)星照射任務(wù)區(qū)域，無(wú)人機(jī)接收的方式定位目標(biāo)，輻射源合作可控，敵方干擾我方高軌衛(wèi)星的代價(jià)很大，結(jié)合了有源定位和無(wú)源定位的各自?xún)?yōu)勢(shì)，可作為定位類(lèi)型的一種補(bǔ)充。對(duì)于一發(fā)多收的分布式雷達(dá)目標(biāo)定位而言，到達(dá)時(shí)間差(time?difference?ofarrival，tdoa)定位至少需要四部接收站，而在戰(zhàn)時(shí)環(huán)境中，接收站數(shù)是一種十分寶貴的感知資源，有必要研究給定接收站數(shù)下的目標(biāo)定位問(wèn)題。為此，本發(fā)明對(duì)三站目標(biāo)定位展開(kāi)研究，并提出一種聯(lián)合站內(nèi)/間量測(cè)的三站混合目標(biāo)定位方法。

3、不同于衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)，定位在用戶(hù)處完成位置解算。在雷達(dá)目標(biāo)定位問(wèn)題中，雷達(dá)與目標(biāo)之間的關(guān)系是一種非合作關(guān)系，定位的前提是目標(biāo)已被檢測(cè)，定位解算在接收端的中央處理中心完成。根據(jù)信號(hào)獲取階段的不同，目標(biāo)定位方法可分為直接定位方法和間接定位方法。直接定位方法指直接聯(lián)合多個(gè)接收站的目標(biāo)信號(hào)，在信號(hào)級(jí)層面直接估計(jì)目標(biāo)位置，若多雷達(dá)以近似相同的視角觀(guān)測(cè)目標(biāo)，還可以通過(guò)信號(hào)相參的方式，利用相位信息定位目標(biāo)，顯著提高定位精度。在直接定位方法中，目標(biāo)位置可以通過(guò)多維搜索或優(yōu)化松弛的方法實(shí)現(xiàn)，但多維搜索方法面臨相位模糊和計(jì)算量較大的問(wèn)題，而優(yōu)化松弛方法則需要調(diào)整參數(shù)以及在凸松弛近似和定位精度之間權(quán)衡。間接定位方法顧名思義是先從信號(hào)中提取間接量測(cè)，如距離、doppler、角度等，再根據(jù)提取的量測(cè)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行量測(cè)級(jí)定位，由于間接定位方法孤立了定位過(guò)程，且可以獲得目標(biāo)位置的閉合形式解，該類(lèi)方法已成為研究的主流方法。

4、目標(biāo)定位的前提是目標(biāo)參數(shù)對(duì)于當(dāng)前雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是可識(shí)別的。對(duì)于空中(三維)目標(biāo)定位問(wèn)題而言，排除病態(tài)觀(guān)測(cè)構(gòu)型之外，tdoa定位至少需要四站，差分將額外消耗一部公共接收站。此外，目標(biāo)定位與雷達(dá)站數(shù)、雷達(dá)-目標(biāo)幾何構(gòu)型和信噪比(snr)等因素息息相關(guān)，若要達(dá)到定位精度指標(biāo)要求，還需要對(duì)上述多個(gè)因素聯(lián)合雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。chan和ho提出的橢球定位估計(jì)器是一種經(jīng)典的兩階段tdoa定位方法，該方法在第一階段將參考距離(參考雷達(dá)到目標(biāo)的距離)連同目標(biāo)位置構(gòu)成增廣參數(shù)矢量，通過(guò)將非線(xiàn)性方程組線(xiàn)性化的方式估計(jì)增廣參數(shù)矢量，第二階段則利用參考距離和目標(biāo)位置之間的關(guān)系對(duì)目標(biāo)定位結(jié)果進(jìn)行更新。進(jìn)一步地，在2004的iscas大會(huì)上，ho和parith將該方法修改為一種迭代形式，使之適用于接收站存在位置誤差的情況，在接收站位置誤差很小的條件下，該方法可以逼近參數(shù)估計(jì)的克拉美-羅下界，而當(dāng)位置誤差較大時(shí)，非線(xiàn)性的引入會(huì)導(dǎo)致定位精度下降。為此，研究人員在第二階段嘗試用一階taylor近似技術(shù)替代，取得了一定的精度改善。然而，該類(lèi)方法將參考距離引入增廣的參數(shù)矢量中，這樣一來(lái)，至少需要五部接收站才能滿(mǎn)足參數(shù)可識(shí)別的要求。為此，公開(kāi)文獻(xiàn)指出可以將參考距離的估計(jì)先代入增廣參數(shù)矢量中，來(lái)減少所需接收站數(shù)。

5、盡管上述方法可以將tdoa定位的接收站數(shù)降至最少四站。然而，對(duì)于實(shí)時(shí)偵察和監(jiān)視而言，接收站數(shù)是一種十分寶貴的資源。在允許的條件下，我們希望用盡可能少的接收站數(shù)來(lái)滿(mǎn)足定位指標(biāo)要求，甚至在滿(mǎn)足指標(biāo)要求的條件下，用一定程度的定位精度損失為代價(jià)來(lái)?yè)Q取站數(shù)減少。在這些情況下，研究三站目標(biāo)定位將顯得十分必要。若利用tdoa量測(cè)進(jìn)行多站目標(biāo)定位，至少需要四部接收站。如果只有三部接收站，則無(wú)法識(shí)別的那部分目標(biāo)參數(shù)需要通過(guò)其他額外量測(cè)進(jìn)行估計(jì)。

6、為此，本發(fā)明聯(lián)合雷達(dá)站內(nèi)/間的多量測(cè)信息，通過(guò)站內(nèi)估計(jì)參考距離和目標(biāo)x坐標(biāo)的方式，使得剩余目標(biāo)參數(shù)的估計(jì)可通過(guò)三站實(shí)現(xiàn)，提出一種聯(lián)合站內(nèi)/間量測(cè)的三站混合目標(biāo)定位方法，為戰(zhàn)略、偵察和制導(dǎo)等應(yīng)用提供較為精確的目標(biāo)位置信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種聯(lián)合站內(nèi)/間量測(cè)的三站混合目標(biāo)定位方法，為三站目標(biāo)定位問(wèn)題提供一種解決方案。

2、本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

3、第一方面，一種聯(lián)合站內(nèi)/間量測(cè)的三站混合目標(biāo)定位方法，包括：

4、獲取各雷達(dá)站內(nèi)doa量測(cè)，將雷達(dá)劃分為一臺(tái)參考站和兩臺(tái)接收站，獲取接收站-參考站的站間tdoa量測(cè)、fdoa量測(cè)；

5、利用doa量測(cè)和tdoa量測(cè)估計(jì)目標(biāo)x軸坐標(biāo)和目標(biāo)到參考站的距離；

6、利用fdoa量測(cè)對(duì)目標(biāo)x軸坐標(biāo)和目標(biāo)到參考站的距離進(jìn)行修正；

7、利用tdoa量測(cè)及修正后x軸坐標(biāo)和目標(biāo)到參考站的距離，確定目標(biāo)y軸和z軸坐標(biāo)，完成三站目標(biāo)定位。

8、結(jié)合第一方面，所述獲取各雷達(dá)站內(nèi)doa量測(cè)，包括：

9、假設(shè)空-天分布式雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)由單部高軌星載雷達(dá)和k部無(wú)人機(jī)載雷達(dá)構(gòu)成，高軌星載雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，無(wú)人機(jī)載雷達(dá)僅接收信號(hào)，接收雷達(dá)數(shù)k＝3；衛(wèi)星導(dǎo)航位置位于考慮到gnss的定位精度有限，衛(wèi)星真實(shí)位置a和導(dǎo)航位置ao之間的關(guān)系描述為a＝ao+δa＝[xa,ya,za]t，式中δa為衛(wèi)星導(dǎo)航位置誤差，衛(wèi)星速度為va；第i部無(wú)人機(jī)導(dǎo)航位置位于真實(shí)位置si和導(dǎo)航位置的關(guān)系為式中δsi為第i部無(wú)人機(jī)位置誤差，無(wú)人機(jī)速度均為vs；

10、假設(shè)場(chǎng)景中的空中目標(biāo)位于u＝[x,y,z]t，第i部無(wú)人機(jī)觀(guān)測(cè)目標(biāo)的真實(shí)接收錐角為：

11、

12、式中e1＝[1,0,0]t；doa量測(cè)表示為：

13、

14、其中表示doa量測(cè)噪聲。

15、結(jié)合第一方面，所述將雷達(dá)劃分為一臺(tái)參考站和兩臺(tái)接收站，獲取接收站-參考站站間tdoa量測(cè)、fdoa量測(cè)，包括：

16、從高軌衛(wèi)星發(fā)射，經(jīng)過(guò)目標(biāo)后，由第i部無(wú)人機(jī)接收的真實(shí)雙基距離表示為：

17、bi＝||u-a||2+||u-si||2

18、距離差分后，

19、ri1＝bi-b1＝ri-r1

20、式中ri＝||u-si||2表示目標(biāo)到第i部無(wú)人機(jī)的距離，則tdoa量測(cè)寫(xiě)成：

21、

22、其中c表示光速，δti1表示差分時(shí)延量測(cè)噪聲；

23、真實(shí)雙基doppler為：

24、

25、式中vt為目標(biāo)瞬時(shí)速度，λ為波長(zhǎng)，

26、

27、ψt和分別為發(fā)射和接收速度錐角，多普勒差分后，

28、

29、fdoa量測(cè)為：

30、

31、其中表示fdoa量測(cè)噪聲。

32、結(jié)合第一方面，所述利用doa量測(cè)和tdoa量測(cè)估計(jì)目標(biāo)x軸坐標(biāo)和目標(biāo)到參考站的距離步驟，包括：考慮到雷達(dá)位置誤差對(duì)觀(guān)測(cè)視角的影響很小，即：

33、

34、和ri＝ri1+r1，得：

35、

36、定義參數(shù)矢量將所有接收雷達(dá)的量測(cè)整理為矩陣形式，寫(xiě)成：

37、ha＝gav1

38、式中：

39、

40、和

41、

42、用含噪量測(cè)矢量和分別替代無(wú)噪量測(cè)矢量和r1＝[r21,r31]t，則最小二乘問(wèn)題建立為：

43、

44、部分目標(biāo)參數(shù)v1的ls解為：

45、

46、結(jié)合第一方面，所述利用fdoa量測(cè)對(duì)目標(biāo)x軸坐標(biāo)和目標(biāo)到參考站的距離進(jìn)行修正的步驟，包括：第i部接收雷達(dá)和參考雷達(dá)的fdoa量測(cè)，寫(xiě)成：

47、

48、正側(cè)視陣的速度錐角和陣面錐角相等，有則由于公共項(xiàng)(vs+vt)/λ的存在，fdoa量測(cè)之間約束為：

49、

50、將代入上述fdoa量測(cè)之間約束表達(dá)式，得：

51、

52、即：

53、

54、將和整理為矩陣形式，得：

55、ha＝gav1

56、式中g(shù)a修正為：

57、

58、和

59、

60、結(jié)合第一方面，所述利用tdoa量測(cè)及修正后x軸坐標(biāo)和目標(biāo)到參考站的距離，確定目標(biāo)y軸和z軸坐標(biāo)，完成三站目標(biāo)定位的步驟，包括：

61、將tdoa量測(cè)ri1＝ri-r1整理為ri1+r1＝ri，并兩邊平方，得：

62、

63、將和代入，得：

64、

65、其中和將來(lái)自所有接收站的tdoa量測(cè)整理為矩陣形式：

66、

67、式中v2＝[y,z]t，

68、

69、和

70、

71、則根據(jù)gauss-markov定理，最小化其中剩余參數(shù)v2的加權(quán)最小二乘(wls)估計(jì)為：

72、

73、式中為tdoa矢量，加權(quán)矩陣w為

74、w＝(aqtat+bqsbt)-1

75、式中qt＝c2e[δtδtt]和qs＝e[δsδst]，其中δt＝[δt21,…,δtk1]t和

76、a≈ik-1

77、

78、最終，三站目標(biāo)定位結(jié)果表示為

79、第二方面，一種聯(lián)合站內(nèi)/間量測(cè)的三站混合目標(biāo)定位裝置，包括：

80、一個(gè)或多個(gè)處理器；

81、存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)程序，

82、當(dāng)所述一個(gè)或多個(gè)程序被所述一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行，使得所述一個(gè)或多個(gè)處理器實(shí)施第一方面所述的聯(lián)合站內(nèi)/間量測(cè)的三站混合目標(biāo)定位方法。

83、第三方面，一種可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)施第一方面所述的聯(lián)合站內(nèi)/間量測(cè)的三站混合目標(biāo)定位方法。

84、第四方面，一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括：計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序被運(yùn)行時(shí)，執(zhí)行第一方面所述的聯(lián)合站內(nèi)/間量測(cè)的三站混合目標(biāo)定位方法。

85、根據(jù)本發(fā)明提供的一種聯(lián)合站內(nèi)/間量測(cè)的三站混合目標(biāo)定位方法，具有以下有益效果：

86、(1)本發(fā)明提供的一種聯(lián)合站內(nèi)/間量測(cè)的三站混合目標(biāo)定位方法，創(chuàng)新地提出利用doa量測(cè)和tdoa量測(cè)估計(jì)參考距離和目標(biāo)x坐標(biāo)，并利用fdoa量測(cè)輔助提升參數(shù)估計(jì)精度，該方法減少了所需doa量測(cè)數(shù)，能夠降低系統(tǒng)成本，且便于工程實(shí)現(xiàn)。

87、(2)本發(fā)明提供的一種聯(lián)合站內(nèi)/間量測(cè)的三站混合目標(biāo)定位方法，為三站位置不確定下的目標(biāo)定位方法，該方法通過(guò)“壓縮”參數(shù)的方式在接收站位置未知的條件下，構(gòu)造偽線(xiàn)性方程組估計(jì)目標(biāo)y和z坐標(biāo)，該方法僅需三部接收站即可完成目標(biāo)定位，穩(wěn)健性好，具有良好的工程應(yīng)用前景。