CN102540177A - 一种基于三维射线追踪算法的目标定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于三维射线追踪算法的目标定位方法，它有六大步骤：步骤一：根据国际参考电离层模型构建电离层电子浓度分布；步骤二：确定折射指数空间分布；步骤三：根据雷达接收信号参数对三维射线追踪算法的参数进行设置；步骤四：根据步骤三中的设置进行三维射线追踪计算，得到射线群路径值与地理位置的关系；步骤五：对步骤四得到的数据进行处理得到时延与地理位置的对应关系；步骤六：接收信号时延与步骤五中计算得到的时延进行对比，得到接收信号时延对应的地理位置，此即目标位置。本发明采用国际参考电离层(IRI)模型构建传播环境，利用三维射线追踪技术对电波传播进行仿真，得到更加符合实际情况的数据，能够对短波探测的应用进行指导。

Description

一种基于三维射线追踪算法的目标定位方法

(一)技术领域

本发明一种基于三维射线追踪算法的目标定位方法，属于短波探测技术领域。

(二)背景技术

在短波探测的应用中，由于受到电离层电子密度分布的随机变化的影响，使得电波的反射高度和轨迹也随之变化，因此目前在目标定位中没有比较有效的算法。

利用射线追踪技术来计算目标位置，只要利用的模型能够最大程度的贴近实际，便可以与实际情况吻合到一个比较精确的程度。射线追踪技术，是指在高频的情况下，将电磁波近似为射线，根据射线传播所在的环境条件，对电磁波轨迹进行计算。因此利用这项技术就可以计算出发射点到接收点的所有射线。并且，根据射线轨迹我们可以计算每条射线的所有基本特性(如接收点场强、多径时延、到达角等参量)，从中便可得出群路径的精确解。通常在射线追踪的应用中采用的主要是准抛物模型(QPS)，该模型介绍如下：

一般采用形式简单的抛物曲线来近似该层内电子浓度随高度的变化的层称之为抛物层，其数学表达式为：

$N_e=\left\{\begin{array}{cc}{N}_{\mathrm{em}}[1-{\left(\frac{h-h_m}{Y_m}\right)}^2]& \left(\right|h-h_m|\≤Y_m)\\ 0& \left(\right|h-h_m|\≥Y_m)\end{array}\right.$

式中N_em为电子浓度最大值，h_m为电子浓度取最大值时所在的高度，Y_m为抛物层的半厚度。由于该数学表达式比较简单，故常被采用。

对于射线追踪技术，一般都采用二维的计算形式，显示的情况一般只有通信两地的大圆距离，因此，在电离层模型的引入以及地磁场的引入大多数是简单的近似模型，另外在模型的使用上只能是采用平均形式，不能够采用步步重构环境模型，这样在使用的精度上存在的误差较大。在通常情况下一般不考虑地磁场的影响，但实际情况下地磁场对射线的影响较大。采用准抛物电离层模型作为射线追踪技术的基础并不被广泛认可，另外，在模型使用过程中，模型的外形参数获取存在问题，并且电离层是根据时间地点不断变化的，并且根据当地地方时间会出现分层的情况，这种情况在利用准抛物模型时很难体现，模型的可信性以及切合实际的情况大大降低。在一般的应用中很少引入地磁场模型，并对地磁场模型的引入很少做出说明。另外，采用二维的显示及计算方式，对计算出的参数的可利用性不高(如射线的到达角等)。所以现有的技术在计算准确性以及符合实际的情况都不高，对计算的参数进一步应用也很难做到。

(三)发明内容

(1)发明目的：本发明的目的是提供一种基于三维射线追踪算法的目标定位方法，该方法克服了现有技术的不足，采用国际参考电离层(IRI)模型构建传播环境，利用三维射线追踪技术对电波传播进行仿真，得到更加符合实际情况的数据。在仿真数据的基础上，通过与接收数据对比来得到目标位置。因此，基于三维射线追踪技术来对目标进行定位，能够对短波探测的应用进行指导。

(2)技术方案：

如图1所示，本发明一种基于三维射线追踪算法的目标定位方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：根据国际参考电离层(IRI)模型构建电离层电子浓度分布。

步骤二：根据步骤一中得到的电离层电子浓度分布确定折射指数空间分布。

步骤三：根据雷达接收信号参数对三维射线追踪算法的参数进行设置。

这里接收到信号的参数主要是指信号频率，信号方向(仰角和方位角)以及信号的时延。

步骤四：根据步骤三中的设置进行三维射线追踪计算，也即求解球坐标系(r、θ、

)下的射线方程，得到射线群路径值与地理位置的关系。

在球坐标系中，射线方程可写成分量的形式：

其中，P为群路径，k_r、k_θ、

为波矢量在球坐标系中的三个分量，c为光速，H为哈密尔顿算符。H与波矢量k、相折射指数n的关系为：

其中，Re代表取实部；w为角频率。

步骤五：对步骤四得到的数据进行处理得到时延与地理位置的对应关系。假设电波以光速传播，群路径与时延对应的关系为：τ＝P/c。式中τ为时延，P为群路径，c为光在真空中的传播速度。

步骤六：将接收信号时延与步骤五中计算得到的时延进行对比，得到接收信号时延对应的地理位置，此即目标位置。

(3)优点及功效：

本发明以国际电离层参考IRI为基础建立射线传播环境，在准确性以及可信度上都有较大的提高。利用三维射线追踪算法来进行目标定位弥补了当前的不足，可以指导短波探测的应用。

在使用上，对于用户来讲只需要根据接收信号的时间、地理位置、仰角以及方位角就可以对目标位置进行定位，在实用性上有较大的突破。另外作为三维的射线追踪技术，在可视化方面有较大的优势，更直观的来使用该方法。

(四)附图说明

图1本发明一种基于三维射线追踪算法的目标定位方法流程框图

图2一定条件下电离层电子密度分布示意图

图3目标所在空间位置示意图

(五)具体实施方式

见图1，本发明一种基于三维射线追踪算法的目标定位方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：根据国际参考电离层(IRI)模型构建电离层电子浓度分布。

IRI模型预测的电离层电子浓度值随时间、地理位置以及海拔高度变化，在使用时需要输入预测时间，预测的地理位置以及高度值就会得到对应高度上的电子浓度值，也可以指输入预测时间和地理位置得到该地理位置处上空电子浓度随海拔高度的变化，如地理位置选在北京(39.9°N，116.3°E)，预测时间为2011年8月1日中午12:00，则可以得到该情况下电离层电子浓度随海拔高度的分布，如图2所示。

步骤二：根据步骤一中得到的电离层电子浓度分布确定折射指数空间分布。

在忽略地磁场的条件下，由Appleton-Hatree公式可知：n²＝1-X，其中n为折射指数X由电子浓度确定：X＝Ne²/mε₀ω²，式中Ne为电子浓度值，m为电子质量，ε₀为真空中的介电常数，ω磁旋转角频率。

步骤三：根据雷达接收信号参数对三维射线追踪算法的参数进行设置。

这里接收到信号的参数主要是指信号频率，信号方向(仰角和方位角)以及信号的时延。这里假设雷达位于青岛(36.1°N，120.3°E)，接收信号的仰角为10°，方位角为北偏东25°，信号延迟为2毫秒。

步骤四：根据步骤三中的设置进行三维射线追踪计算，也即求解球坐标系(r、θ、

)下的射线方程，得到射线群路径值与地理位置的关系。

在球坐标系中，射线方程可写成分量的形式：

其中，P为群路径，k_r、k_θ、

为波矢量在球坐标系中的三个分量，c为光速，H为哈密尔顿算符。H与波矢量k、相折射指数n的关系为：

其中，Re代表取实部；w为角频率。

在步骤三的条件下，可以得到群路径值与地理位置之间的关系如下列表1所示。

表1群路径与地理位置对应关系(部分)

序号	高度(公里)	经度(度)	纬度(度)	群路径(公里)
					1	83.756	40.804	123.192	599.000
2	83.732	40.805	123.193	599.100
					3	83.709	40.806	123.193	599.200
4	83.686	40.807	123.194	599.300
					5	83.662	40.807	123.194	599.400
6	83.639	40.808	123.195	599.500
					7	83.615	40.809	123.195	599.600
8	83.592	40.810	123.196	599.700
					9	83.568	40.810	123.196	599.800
10	83.545	40.811	123.197	599.900
					11	83.522	40.812	123.197	600.000
12	83.498	40.813	123.198	600.100
					13	83.475	40.814	123.198	600.200
14	83.451	40.814	123.199	600.300
					15	83.428	40.815	123.199	600.400
16	83.404	40.816	123.200	600.500
					17	83.381	40.817	123.200	600.600
18	83.357	40.817	123.201	600.700
					19	83.334	40.818	123.201	600.800
20	83.311	40.819	123.202	600.900
					21	83.287	40.820	123.202	601.000
22	83.264	40.820	123.203	601.100
					23	83.240	40.821	123.203	601.200
24	83.217	40.822	123.204	601.300
					25	83.193	40.823	123.204	601.400
26	83.170	40.824	123.205	601.500

27	83.147	40.824	123.205	601.600
					28	83.123	40.825	123.206	601.700
29	83.100	40.826	123.206	601.800
					30	83.076	40.827	123.207	601.900

步骤五：对步骤四得到的数据进行处理得到时延与地理位置的对应关系。假设电波以光速传播，群路径与时延对应的关系为：τ＝P/c。式中τ为时延，P为群路径，c为光在真空中的传播速度。

表2时延与地理位置对应关系(部分)

序号	高度(公里)	经度(度)	纬度(度)	时延(毫秒)
					1	83.756	40.804	123.192	1.9967
2	83.732	40.805	123.193	1.9970
					3	83.709	40.806	123.193	1.9973
4	83.686	40.807	123.194	1.9977
					5	83.662	40.807	123.194	1.9980
6	83.639	40.808	123.195	1.9983
					7	83.615	40.809	123.195	1.9987
8	83.592	40.810	123.196	1.9990
					9	83.568	40.810	123.196	1.9993
10	83.545	40.811	123.197	1.9997
					11	83.522	40.812	123.197	2.0000
12	83.498	40.813	123.198	2.0003
					13	83.475	40.814	123.198	2.0007
14	83.451	40.814	123.199	2.0010
					15	83.428	40.815	123.199	2.0013
16	83.404	40.816	123.200	2.0017
					17	83.381	40.817	123.200	2.0020
18	83.357	40.817	123.201	2.0023
					19	83.334	40.818	123.201	2.0027
20	83.311	40.819	123.202	2.0030
					21	83.287	40.820	123.202	2.0033
22	83.264	40.820	123.203	2.0037
					23	83.240	40.821	123.203	2.0040
24	83.217	40.822	123.204	2.0043
					25	83.193	40.823	123.204	2.0047
26	83.170	40.824	123.205	2.0050
					27	83.147	40.824	123.205	2.0053
28	83.123	40.825	123.206	2.0057
					29	83.100	40.826	123.206	2.0060
30	83.076	40.827	123.207	2.0063

步骤六：将接收信号时延与步骤五中计算得到的时延进行对比，得到接收信号时延对应的地理位置，此即目标位置，如图3所示。

由表2可知，当时延为2ms时，对应地理位置为：40.812°N纬度经度：123.197°E高度：83.522km，此即为目标所在位置。

Claims (1)

1.一种基于三维射线追踪算法的目标定位方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：根据国际参考电离层IRI模型构建电离层电子浓度分布；

步骤二：根据步骤一中得到的电离层电子浓度分布确定折射指数空间分布；

步骤三：根据雷达接收信号参数对三维射线追踪算法的参数进行设置；

这里接收到信号的参数是指信号频率，信号方向即仰角和方位角以及信号的时延；

步骤四：根据步骤三中的设置进行三维射线追踪计算，也即求解球坐标系(r、θ、

)下的射线方程，得到射线群路径值与地理位置的关系；

在球坐标系中，射线方程写成分量的形式：

其中，P为群路径，k_r、k_θ、

为波矢量在球坐标系中的三个分量，c为光速，H为哈密尔顿算符；H与波矢量k、相折射指数n的关系为：

其中，Re代表取实部；w为角频率；

步骤五：对步骤四得到的数据进行处理得到时延与地理位置的对应关系；假设电波以光速传播，群路径与时延对应的关系为：τ＝P/c；式中τ为时延，P为群路径，c为光在真空中的传播速度；

步骤六：将接收信号时延与步骤五中计算得到的时延进行对比，得到接收信号时延对应的地理位置，此即目标位置。

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