CN103412282A - 联合时差无源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辐射波到达时差/扫描时差联合的无源定位方法，属于辐射源无源定位(又称被动定位)领域。包括测量匀速扫描辐射源辐射波直达各接收站的到达时差、主瓣波束扫过各接收站的扫描时差；然后换算出辐射源到达各接收站的距离差、扫过各接收站的目标夹角，最后根据定位几何三角形进行解算，求出辐射源分别距各接收站的距离，即得出目标位置。本发明采取的无源定位方法，相较其他定位方法可以有效地提高定位精度，并可对远距离目标进行精确定位，技术实现简单，布站方式符合实际应用要求。

Description

联合时差无源定位方法

一、技术领域

本发明涉及一种利用同步时钟的辐射源无源定位(又称被动定位)领域。

二、背景技术

辐射源无源定位在军事上有着广泛用途。为了使定位结果具有实时性，一般采用双(多)接收站的布阵方案。现有的无源实时定位基本方法主要有三种：一是传统的测向交叉法，二是到达时差法，三是多普勒频差法。其中第一种定位方法需要双接收站，后二者需要三个接收站，三种基本方法的组合或变形可衍生出多种实时无源定位方法。

双接收站因观测点少、能够实时定位、成本较低而更受重视。近年来研究认为比较可用的双站定位方法主要有四种：一是传统经典的双站测向交叉法，简便易行比较常见，但定位精度低，尤其在辐射源较远即目标夹角较小时；二是时差/测向联合定位法，比测向交叉法定位精度高，但对远距离辐射源定位精度仍然很低；三是时差/频差联合定位法，具有较高的定位精度，但对时间、频率测量精度要求均很高，分别为几十纳秒、赫兹级，技术复杂，适用于具有相对运动的辐射源；四是中国国防专利“98109928.9”号公开的“利用扫描角测量的雷达侦察定位方法”(2006年登记)，适用于常见的匀速扫描辐射源(如雷达、声纳等等)，技术实现简单，远距离时具有较高的定位精度，但由于采用测向/扫描时差体制，定位精度依赖于接收设备的测向精度而难以做到很高。

三、发明内容

(一)发明目的

时差定位法在低频(如声波等)段已有成熟应用，近年来由于计算技术发展、成本可接受等原因，在高频(如微波段)段也开始步入实用，但利用到达时差的定位系统对远距离目标定位精度仍然很低，不堪使用。利用多普勒频差的定位方法，因技术要求高，仅能对具有相对运动的目际定位而实用性受到限制。为解决该问题，本发明提出了到达时差/扫描时差联合的定位方法。

(二)技术特征

1、定位原理

如附图所示，设a、b、c为接收站，o点为被定位目标，即匀速扫描辐射源，X、Y、Z分别为辐射源o点距接收站a、b、c点的距离。α、β分别为辐射源在接收站a与b、b与c之间形成的目标辐射源夹角。假如辐时源波瓣可同时覆盖a、b点或b、c点，由于a、b、c点地理位置是可知的，则其间距L₁、L₂可知。分别记录辐射波传播直达至接收站a、b、c的到达时间，则可得到a与b两点及b与c两点的到达时差；并且测量辐射源波束扫描周期，记录波束主瓣在同一扫描周期内顺次扫到接收站a、b、c的时间，即可得到主瓣扫过a与b两点及b与c两点的扫描时差。由于该扫描时差为若干毫秒，因此期间辐射源平台、接收平台的相对位移较小，可以忽略，可认为各平台均固定不动。

2、定位方程及求解

由于下列参数是可测的：

T-匀速扫描辐射源波束扫描周期

ΔT_ab-波束扫过接收站a、b点之间的扫描时差

ΔT_bc-波束扫过接收站b、c点之间的扫描时差

Δt_ab-辐射波直达至接收站a、b点之间的到达时差

Δt_bc-辐射波直达至接收站b、c点之间的到达时差

则(1)对于圆周扫描辐射源：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{ab}}}{T}360---\left(1\right)$

X=Y+cΔt_ab   (2)

由余弦定理可得定位方程组如下：

L₁ ²=X²+Y²-2XYcosα   (3)

其中c为辐射波传播速度，如光速、声速等，当X大于Y时，Δt_ab值为正，否则为负。由公式(1)、(2)、(3)便可求出X、Y，即可对辐射源定位。

(2)对于扇扫辐射源：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{ab}}}{T/2}\mathrm{\ω}---\left(4\right)$

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{bc}}}{T/2}\mathrm{\ω}---\left(5\right)$

其中ω为扇扫范围角，为未知数。

L₂ ²=Y²+Z²-2YZcosβ   (6)

Z=Y+cΔt_bc   (7)

当Z大于Y时，Δt_bc值为正，否则为负，由(2)-(7)式联立方程组，可求出X、Y、Z，即可对目标定位。

(三)有益效果

在到达时差定位系统中，辐射源位置是根据两条时差双曲线的交汇点确定的，当辐射源距离较远时，两条双曲线几近平行，交汇点定位误差大：测向定位法在远距离(即目标夹角较小)时更是如此；同理，上述二者联合的时差/测向定位法对远距目标定位误差也很大。而本发明提出的到达时差/扫描时差联合定位法，通过测量扫描时差间接精测目标夹角，测量辐射波到达时间差间接精测距离差，结合可知的基线长度等，使得几何三角形求解更加准确，从而提高了定位精度，而且克服了上述定位法对远距离目标定位精度差、不堪使用的缺点，并且具有较小的接收站间距(波束主瓣需要同时照射两个接收站)，更加符合实际应用要求。

本发明相较时差/频差定位方法而言，到达时差测量精度要求不高，达到0.1微秒即可(现有装备就能实现)，不用精测频率，扫描时差测量精度也要求不高，为毫秒级，容易实现；比已有的“利用扫描角测量的雷达侦察定位方法”，不依赖精度受限的单站测向设备，而且具有更高的定位精度。

本发明仅适用于常见的匀速扫描辐射源。技术难点是测量波束扫描时差，该时差测量与现有侦察设备的天线扫描周期测量方法相似，容易实现。

四、附图说明

附图为对匀速扫描辐射源的到达时差/扫描时差联合的定位方法原理示意图。

五、具体实施方式

本发明提出的到达时差/扫描时差联合定位方法在技术实现时，为了减少数据传输量，需要在各接收设备上附加时统信息，由于测量到达时差精度为0.1微秒、扫描时差精度为毫秒级即可，因而对时统设备的要求不高，可以选用专用的时统设备，也可以选用“北斗二号”、GPS等导航设备的授时信号统一各接收设备的时钟。

在该方法下，各接收站一个为主站，另一(两)个为从站。为保证实时定位，主从站之间需具备数据通信能力，传输接收数据，格式与测向交叉法的格式大致相同，数据量较小。移动接收平台可采用短波或超短波数据链，地面接收站可选用光缆网络。水下平台可采用拖曳方式，拖缆中有两个接收点既可。

各接收站测量辐射源的信号参数、辐射波直达到达时间、波束扫描到达时间，然后传输至主站：在主站计算各种所需时差并测量辐射源扫描周期，最后进行定位计算。

Claims (1)

1.到达时差/扫描时差联合时差无源定位方法，属于辐射源无源定位(又称被动定位)领域。其特征在于测量匀速扫描辐射源辐射波直达各接收站的到达时差、主瓣波束扫过各接收站的扫描时差；然后换算出辐射源到达各接收站的距离差、扫过各接收站的目际夹角，最后根据定位几何图形(如三角形)进行解算，求出辐射源分别距各接收站的距离，即得出目标位置。

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