CN103064057A

CN103064057A - 一种提高多点时差定位精度的方法

Info

Publication number: CN103064057A
Application number: CN2012105936714A
Authority: CN
Inventors: 刘平原; 汪玥; 姜盛峰; 肖军鹏
Original assignee: Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co Ltd; Beijing Institute of Telemetry Technology
Current assignee: Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co Ltd; Beijing Institute of Telemetry Technology
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: CN103064057B

Abstract

一种提高多点时差定位精度的方法，方法依托的设备包括一个中心接收站、至少三个接收辅站、一台雷达或者询问机；雷达或询问机发射电磁波，照射到目标之后，目标反射电磁波或者发射应答电磁波；各个接收站不仅接收目标回波还同时接收雷达或询问机发射的同步信号，然后对回波进行预处理，并将预处理之后的数据发至中心接收站；中心接收站测得回波的到达时间相对于雷达或询问机的同步信号的延时，通过椭圆和双曲线交叉定位算法确定目标位置。在到达时差测量精度和站点的部署方式相同的情况下，本方法中使用的定位算法能够使目标的定位精度提高一个数量级之多。

Description

一种提高多点时差定位精度的方法

技术领域

本发明涉及多点相关定位和多点无源定位领域，特别是在多点无源定位系统与雷达系统的组网应用方面，提供了一种可行的、实时的和高精度的定位实现方法。

背景技术

在多点相关定位和多点无源定位中，通常使用双曲线交叉定位算法对目标进行定位。双曲线交叉定位的基本原理是：目标的发射或反射的电磁波经不同的路径到达各个接收站的时间差不为零，根据双曲线(面)上任意一点到两个焦点的距离差为一常数，所以只要测得同一电磁波到达各个接收站之间的时间差就可以确定一组双曲线(对于空间定位是确定一组双曲面)。该双曲线(面)以路程差(时间差乘以电磁波的传播速度求得)为两支双曲线(面)的顶点之距、以两个接收站为双曲线(面)焦点，而目标就位于这组双曲线(面)的交点上。

多点无源定位的定位精度与到达时差的测量精度、定位算法、站点的部署样式以及目标相对站点的距离有关。在到达时差的测量精度一定的情况下，可以使用几何精度稀释因子(GDOP)来描述其他因素对定位精度的影响程度。因此，在定位系统的部署确定之后，GDOP只与定位算法有关。对于双曲线交叉定位算法，直观上来看，由于双曲线在远端会趋于渐近线，所以极小的到达时差的误差都会造成远端的定位精度极大的误差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：在多点相关定位和多点无源定位中，实现实时的、高精度的多点相关或多点无源定位。

本发明的技术解决方案为：一种提高多点时差定位精度的方法，方法依托的设备包括一个中心接收站、至少三个接收辅站、一台雷达或者询问机；方法步骤如下：

(1)由位置确定的询问机或者雷达向目标发射询问信号或者电磁波，目标在接收到询问信号之后发射相应的应答信号或者是目标反射电磁波；中心接收站及各接收辅站接收来自目标的应答信号或者反射的电磁波，同时接收来自询问机或者雷达的同步信息；

(2)中心接收站及各接收辅站对接收的信号进行数字下变频处理，各接收辅站将处理后的数字信号发送至中心接收站；

(3)中心接收站将各路数字信号进行脉冲匹配，并以同步信号为时间基准，测得询问机发射的应答信号或者雷达发射的电磁波经目标到达中心接收站及各个接收辅站的传输延时，测得目标发射应答信号或者反射的电磁波到达中心接收站及各个接收辅站的时间差；

(4)利用询问机发射的应答信号或者雷达发射的电磁波经目标到达中心接收站及各个接收辅站的传输延时，确定一个椭球或椭圆方程组；利用目标发射应答信号或者反射的电磁波到达中心接收站及各个接收辅站的时间差确定一个双曲面或双曲线方程组；联合求解上述双曲面或双曲线和椭球或椭圆方程组，即得到目标的空间位置或平面位置坐标。

所述的中心接收站和各接收辅站部署可以在固定平台，也可以部署在移动平台上。

所述的接收辅站与中心接收站之间采用短基线部署，基线长度小于10公里。

所述的基线长度典型值为0.1km～2km。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本方法中提出了一种新的定位方法来提高多点时差定位精度，即椭圆和双曲线交叉定位方法，其原理：雷达或询问机发射电磁波，照射到目标之后，目标反射电磁波或者发射应答电磁波；各个接收站不仅接收目标回波还同时接收雷达或询问机发射的同步信号，然后对回波进行预处理，并将预处理之后的数据发至中心接收站；中心接收站测得回波的到达时间相对于雷达或询问机的同步信号的延时，确定一组以雷达(或询问机)和接收站为焦点、以电磁波的传播距离(传播延时乘以电磁波的传播速度求得)的一半为长轴的椭圆(对于空间定位是确定一组椭球)。从直观上解释，由于椭圆是一闭合曲线，在焦距不变的情况下，随着长轴的增加，椭圆逐渐趋于圆，因此采用椭圆和双曲线交叉定位算法可以改善GDOP，从而提高系统对目标的定位精度，(能够使目标的定位精度提高一个数量级之多)。

(2)接收站点的基线较短、部署方便快捷，战场环境适应性强。该方法中部署站点的基线长度(数公里之内，典型值为0.1km～2km)较一般的双曲线交叉定位系统的基线长度(10km～50km，甚至达到100km)小一个数量级，使得可以非常方便快捷地展开部署。对于山区、海岛等复杂战场环境，由于短基线系统占用面积小，站点选址相对容易，对于战场环境的适应性较强。

(3)系统的作用距离远、视野大。由于短基线系统站点部署集中，使得所有站点都能够“看到”同一目标(在长基线系统中，由于站点相距较远，有些低空近距离目标不能被所有站点同时“看到”，使得系统的定位性能大打折扣)，所以系统的视野较大；由于远距离的定位精度相对较高，在满足定位精度的情况下，系统的作用距离较远。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2多点时差定位系统的站点部署样式；

图3为双曲线交叉定位的GDOP分布；

图4为椭圆和双曲线交叉定位的GDOP分布。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明，如图1所示，具体如下：

1、如图2所示部署系统设备(以地面部署为例)。将接收辅站L120、接收辅站R130、接收辅站H140三个接收辅站围绕中心接收站C110按照一定的方式部署(星型、T型等)，将中心站部署在雷达(或询问机)100附近，基线长度210控制在数公里以内。根据实际情况选择站点之间的连接方式，如光纤或无线。上述各个接收站(中心接收站和接收辅站)不仅可以利用目标的辐射信号也可以利用其反射信号对目标定位；各个接收站采用短基线(基线长度在数公里以内，典型值为0.1km～2km)部署；各个接收站可以部署在地面、岛礁等固定平台，以及舰艇、飞机和卫星等移动平台上；各个接收站通过有线或无线的方式接收雷达(或询问机)的同步信息。

2、雷达(或询问机)发射电磁波的同时，也将同步信号送至中心接收站。各个接收站接收目标辐射或反射的电磁波，进行预处理(数字下变频)之后送至中心接收站进行到达时间测量、脉冲匹配和时差测量：中心站接收来自雷达(或询问机)的同步信号S₀、目标辐射或反射的脉冲信号S₁以及各辅站送来的数字脉冲信号S_i(i＝2，3，4)；首先利用“波形分段分析”的脉冲参数测量技术测得S₀到达中心站的时间t₁₀、S₁到达中心站的时间t₁₁以及S_i(i＝2，3，4)到达中心站的时间t_1i(i＝2，3，4)；然后利用“参数相关统计直方图方法”进行脉冲匹配处理以分辨不同目标的脉冲信号；最后，根据脉冲匹配结果，将t_1i(i＝2，3，4)与同一脉冲信号到达中心站的时间t₁₁相减之后再扣除电磁波从辅站到中心站的传输时延(由系统自校准获得该时延)，测得同一脉冲信号到达各辅站和中心站的时间差为Δt_1i(i＝2，3，4)；同样，将t₁₁、t_1i(i＝2，3，4)与t₁₀相减测得各脉冲信号相对于同步信号的传输时延∑t_0i(i＝1，2，3，4)。

3、根据测得的到达时间差Δt_1i(i＝2，3，4)和传输延时∑t_0i(i＝1，2，3，4)，得到以下多曲面簇方程：

\{\begin{matrix} cΔ t_{1 i} = \sqrt{{(x - x_{i})}^{2} + {(y - y_{i})}^{2} + {(z - z_{i})}^{2}} - \sqrt{{(x - x_{1})}^{2} + {(y - y_{1})}^{2} + {(z - z_{1})}^{2}} (i = 2,3,4) \\ cΣ t_{0 i} = \sqrt{{(x - x_{i})}^{2} + {(y - y_{i})}^{2} + {(z - z_{i})}^{2}} = \sqrt{{(x - x_{0})}^{2} + {(y - y_{0})}^{2} + {(z - z_{0})}^{2}} (i = 1,2,3,4) \end{matrix}

上式中c代表电磁波在空气中的传播速度；

(x，y，z)目标位置坐标；

(x₀，y₀，z₀)雷达或者询问机位置坐标；

i＝1代表中心接收站；

i＝2，3，4代表各接收辅站；

通常为了简化求解，雷达或者询问机与中心站部署在同一位置上(即x₁＝x₀，y₁＝y₀，z₁＝z₀)，因此i＝1时得到如下一个圆：

c / 2 \cdot Σ t_{01} = \sqrt{{(x - x_{0})}^{2} + {(y - y_{0})}^{2} + {(z - z_{0})}^{2}}

另，对于i＝2，3，4的方程组可以写成如下形式：

\{\begin{matrix} cΔ t_{1 i} = \sqrt{{(x - x_{i})}^{2} + {(y - y_{i})}^{2} + {(z - z_{i})}^{2}} - c / 2 \cdot Σ t_{01} (i = 2,3,4) \\ cΣ t_{0 i} = \sqrt{{(x - x_{i})}^{2} + {(y - y_{i})}^{2} + {(z - z_{i})}^{2}} + c / 2 \cdot Σ t_{01} (i = 2,3,4) \end{matrix}

然后基于松弛(RELAX)算法求解上述方程组，从而去除目标虚假位置、得到精确的目标位置坐标。

4、利用常规求偏导方法求得系统的GDOP分布图，将图4(椭圆和双曲线交叉定位的GDOP分布图)和图3(双曲线交叉定位的GDOP分布图)进行对比，可以明显的看出：在基本条件相同的情况下(时差精度1ns、基线长度2km、目标高度10km、星型布站)，图4中阵地正前方150km处的目标定位精度0.3km大大高于图3中的5km。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims

1.一种提高多点时差定位精度的方法，其特征在于：方法依托的设备包括一个中心接收站、至少三个接收辅站、一台雷达或者询问机；方法步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种提高多点时差定位精度的方法，其特征在于：所述的中心接收站和各接收辅站部署可以在固定平台，也可以部署在移动平台上。

3.根据权利要求1所述的一种提高多点时差定位精度的方法，其特征在于：所述的接收辅站与中心接收站之间采用短基线部署，基线长度小于10公里。

4.根据权利要求3所述的一种提高多点时差定位精度的方法，其特征在于：所述的基线长度典型值为0.1km～2km。