CN104239678A - 一种实现干涉仪测向定位的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现干涉仪测向定位的方法和装置。所述实现干涉仪测向定位的方法包括：求解干涉仪多次测向结果，利用所述测向结果呈现的规律性时间趋势对所述测向结果进行分类，计算分类后的测向结果的定位结果，最后求解所述目标定位结果的分布概率圆。本发明的技术方案，通过在计算所述测向结果的定位结果之前，增加利用所述测向结果呈现的规律性时间趋势对所述测向结果进行分类的步骤，减少由模糊测向结果产生的虚假定位集合，能够显著的降低计算压力，提高定位结果求解的准确度以及稳定度。

Description

一种实现干涉仪测向定位的方法和装置

技术领域

本发明涉及无线电测向技术领域，特别涉及一种实现干涉仪测向定位的方法和装置。

背景技术

干涉仪测向定位系统在一段时间内不同位置对相对静止的地面的同一目标进行N次测向，计算出包括模糊结果在内的所有的测向结果在地球上的交点，其中只有一个是真实点，理论上在N次测向定位中，重合N次的交点即视为目标位置，参见图1-a；实际情况中，由于存在测向误差及干涉仪测向定位系统的姿态和位置等误差，使得本该与目标点重合的各个点散步在目标点的周围或散布在某一其他点的周围，参见图1-b，对此可以采用聚类的方法先排除所有的虚假点，然后对剩下的交点作统计处理，可以得到目标位置良好估计。

现有的实现干涉仪测向定位的方法参见图2，主要包括：对每次测向模糊结果估计，获得每次入射信号的方位角和仰角，然后通过坐标系转换，联合方程求解计算出定位结果，最后进行定位结果分布概率圆求解。

现有的实现干涉仪测向定位的方法至少具有如下缺陷：

现有方案中，为保证定位结果的可信度，需要遍历参与定位计算的所有测向结果，即对所有的测向结果的示向线进行定位计算，而对每个示向线的定位计算至少包括2-3次坐标系转换，1次联合方程求解，最后还要对所得到的定位点进行聚类计算，计算压力非常大，不利于星上硬件设计以及实现星上单次快速定位。

发明内容

本发明提供的一种实现干涉仪测向定位的方法和装置，以解决现有方案中计算压力大的问题。

为达到上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

本发明实施例提供一种实现干涉仪测向定位的方法，所述方法包括：

求解干涉仪多次测向结果；

利用所述测向结果呈现规律性时间趋势对所述测向结果进行分类；

基于分类后的测向结果计算目标定位结果；

求解所述目标定位结果的分布概率圆。

根据本发明的另一个方面，提供一种实现干涉仪测向定位的装置，该装置包括：

测向结果求解单元，适用于求解干涉仪多次测向结果；

测向结果分类单元，适用于利用所述测向结果呈现规律性时间趋势对所述测向结果进行分类；

定位结果计算单元，适用于基于分类后的测向结果计算目标定位结果；

分布概率圆求解单元，适用于求解所述目标定位结果的分布概率圆。

本发明实施例的有益效果是：本发明公开的一种实现干涉仪测向定位方法和装置，通过在计算所述测向结果的定位结果之前，增加利用所述测向结果呈现规律性时间趋势所述测向结果进行分类的步骤，减少由模糊测向结果产生的虚假定位集合，能够显著的减小运算量、提高定位结果求解准确度和稳定度。

附图说明

图1-a为干涉仪测向一种定位示意图；

图1-b为干涉仪测向另一种定位示意图；

图2为现有实现干涉仪测向定位方法流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种实现干涉仪测向定位方法流程示意图；

图4为一种二维直角测向阵示意图；

图5本发明实施例提供的一种将测向结果进行分类的流程示意图；

图6为一种定位测角示意图；

图7为本发明实施例提供的一种实现干涉仪测向定位装置结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种测向结果分类单元组成结构示意图；

图9-a为某次星载干涉仪一段时间内获得的多次测向结果的所有方位和俯仰角变化趋势示意图；

图9-b为对图9-a采用本发明提供的方法进行检测和分类后获得的多次测向结果的方位和俯仰角变化趋势示意图；

图10-a为采用现有方法对图9-a所述测向结果求解出的目标定位结果示意图；

图10-b为对图9-b的测向结果求解出的目标定位结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为本发明实施例提供的一种实现干涉仪测向定位的方法，应用于基于运动平台的干涉仪测向定位系统中，参见图3，所述实现干涉仪测向定位的方法包括以下步骤：

步骤301，求解干涉仪多次测向结果。

步骤302，利用所述测向结果呈现规律性时间趋势对所述测向结果进行分类。

步骤303，基于分类后的测向结果计算目标定位结果。

步骤304，求解所述目标定位结果的分布概率圆。

为了更加清楚的说明本发明提供的技术方案，以下结合一种具体的应用场景，对本发明提供的技术方案进行详细阐述。在本应用场景下，所述的干涉仪测向定位方法应用于低轨卫星运动系统中。

基于上述应用场景，所述步骤301具体包括：

获取干涉仪在一段时间内不同位置处对地面同一目标进行多次测向的测向结果，所述测向结果包括模糊解；

对每次测向结果进行求解，获得每次入射信号的方位角α和仰角β的估计值。

可选的，采用二维直角测向阵元求解入射信号的方位角α和仰角β，参见图4，根据入射信号的方位角α和仰角β与阵元间的理论相差关系得到如下公式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_{10}=\frac{2\mathrm{\π}\·d}{\mathrm{\λ}}\·\sin \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\β}\\ {\mathrm{\φ}}_{20}=\frac{2\mathrm{\π}\·d}{\mathrm{\λ}}\·\cos \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，d为基线长度，λ为波长，由多普勒频移引起的波长变化相对极小，λ可以视为常数。

当所述阵元基线长不满足d<λ/2的约束时，即max|φ₁₀|>π、max|φ₂₀|>π，则产生测向模糊的问题，使得存在多组整数k值，使阵元间实际相位差φ₁₀、φ₂₀与其测量值之间满足如下关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&phi;}}_{10}={\widetilde{\mathrm{\&phi;}}}_{10}+k1*2\mathrm{\&pi;}\\ {\mathrm{\&phi;}}_{20}={\widetilde{\mathrm{\&phi;}}}_{20}+k2*2\mathrm{\&pi;}\end{array}\right.---\left(2\right)$

结合正余弦取值范围以及满足得到：

$\left\{\begin{array}{c}-(\frac{d}{\mathrm{\&lambda;}}+\frac{1}{2})<k1\&le;\frac{d}{\mathrm{\&lambda;}}+\frac{1}{2}\\ -(\frac{d}{\mathrm{\&lambda;}}+\frac{1}{2})<k2\&le;\frac{d}{\mathrm{\&lambda;}}+\frac{1}{2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

综上得到入射信号的方位角α和仰角β的估计值：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\text{~}}{\mathrm{\&alpha;}}=\mathrm{arc}\tan \left(\frac{{\widetilde{\mathrm{\&phi;}}}_{10}+k1*2\mathrm{\&pi;}}{{\widetilde{\mathrm{\&phi;}}}_{20}+k2*2\mathrm{\&pi;}}\right)\\ \widetilde{\mathrm{\&beta;}}=\mathrm{arc}\cos (\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2\mathrm{\&pi;d}}\&CenterDot;\sqrt{{({\widetilde{\mathrm{\&phi;}}}_{10}+k1*2\mathrm{\&pi;})}^2+{({\widetilde{\mathrm{\&phi;}}}_{20}+k2*2\mathrm{\&pi;})}^2})\end{array}\right.---\left(4\right)$

所述步骤302利用所述测向结果呈现规律性时间趋势对所述测向结果进行分类进一步包括:

假设所述干涉仪T段时间内共进行N次测向，所述N次测向结果记为其中，i为测向序数，1≤i≤N，J_i为第i次测向模糊数，J_i≥1；

将所述N次测向结果分为两类，一类仅包含有模糊数最小的测向结果，记为另一类包含模糊数最小的测向结果以外的测向结果，记为其中，m为在N次测向结果中模糊数最小的测向结果的数量，m、p、N满足关系式m+p＝N，S为最小测向模糊数；

根据所述N次测向结果呈现规律性时间趋势的特性，将按照最小测向模糊数S的数量进行分类，记为

对所述分别进行曲线拟合，得到最小测向模糊数S数量的拟合曲线；

分别计算在各个拟合曲线上对应时刻的插值 ${\{{\mathrm{\&alpha;}}_{J_{i}1}^2,{\mathrm{\&beta;}}_{J_{i}1}^2\}}_p,...,{\{{\mathrm{\&alpha;}}_{J_{i}S}^2,{\mathrm{\&beta;}}_{J_{i}S}^2\}}_p;$

根据距离插值的最接近程度，将对应归入获得将所述N次测向结果分成最小模糊数S数量的最终分类结果。

优选的，参考图5，当最小测向模糊数S＝2时，所述步骤302利用所述测向结果呈现规律性时间趋势对所述多次测向结果进行分类，具体实现为：

步骤501，将所述N次测向结果进行分类，分为仅包含有模糊数最小的测向结果的第一类和包含模糊数最小的测向结果以外的测向结果的第二类。

步骤502，根据所述N次测向结果呈现规律性时间趋势的特性，对所述第一类按照最小测向模糊数的数量2进行分类，得到第三类和第四类。

步骤503，对所述第三类和所述第四类分别进行曲线拟合，得到两条拟合曲线。

步骤504，分别计算所述第二类在所述两条拟合曲线上对应时刻的插值。

步骤505，根据所述第二类距离所述插值的最接近程度，将所述第二类对应归入所述第三类或者所述第四类中，获得将所述N次测向结果分为最小模糊数数量为2的分类结果。

优选的，在实际应用中，当最小测向模糊数S>2时，结合入射信号方位角α和仰角β的合理范围，对所述测向结果进行预先剔除，减小最小测向模糊数S。

所述步骤303，基于分类后的测向结果计算目标定位结果，具体包括:

将卫星测向坐标系中的所述目标入射波上的任意一点通过卫星轨道坐标系映射到WGS-84坐标系中；

所述目标入射波上的任意一点系映射到WGS-84坐标系中后与所述卫星当前时刻在WGS-84坐标系中的位置确定一条直线，该直线与地球表面的交点为所求解的定位点。

具体的，参见图6，假设，在瞬时时刻t，卫星轨道坐标系OX、OY、OZ三轴在WGS-84坐标系中的方向余弦分别为l_x、l_y、l_z、m_x、m_y、m_z、n_x、n_y、n_z，卫星当前时刻t在WGS-84坐标系中的位置坐标为(gps_x,gps_y,gps_z)，卫星当前时刻t在WGS-84坐标系中的速度为，v_x、v_y、v_z，(x_q,y_q,z_q)为卫星轨道上一点，转换为WGS-84坐标系下(x_w,y_w,z_w)的公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_w-\mathrm{gpsx}\\ y_w-\mathrm{gpsy}\\ z_w-\mathrm{gpsz}\end{array}\right\}={\left[\begin{array}{ccc}{l}_x& l_y& l_z\\ m_x& m_y& m_z\\ n_x& n_y& n_z\end{array}\right]}^{\&prime;}\left\{\begin{array}{c}{x}_q\\ y_q\\ z_q\end{array}\right\}---\left(5\right)$

卫星测得辐射源目标方位角为α，仰角为β，入射波上的任一点，在卫星测向坐标系中的坐标为:

x_t’＝cosβcosα

y_t’＝cosβsinα   (6)

z_t’＝sinβ

上述(x_t',y_t',z_t')由结合卫星参数和公式5，转换为WGS-84坐标(x_t,y_t,z_t)后，与所述(gps_x,gps_y,gps_z)确定一条直线，表述如下：

$\frac{x-x_t}{{\mathrm{gps}}_x-x_t}=\frac{y-y_t}{{\mathrm{gps}}_y-y_t}=\frac{z-z_t}{{\mathrm{gps}}_z-x_z}---\left(7\right)$

地球面表述如下:

$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{a^2}+\frac{z^2}{b^2}=1---\left(8\right)$

联络上述方程(7)与方程(8)，即可得到定位点。

在实际应用中，方程(8)中a＝6378.145，b＝6356.755，在求解上述方程(7)与方程(8)中，与卫星距离较近的点为定位点。

基于与上述方法同样的发明构思，本发明还提供了一种实现干涉仪测向定位的装置，应用于基于运动平台的干涉仪测向定位系统中，参考图7，所述实现干涉仪测向定位的装置包括：

测向结果求解单元10，用于求解干涉仪多次测向结果。

具体的，所述测向结果求解单元10还包括：

获取模块，适用于获取干涉仪在一段时间内不同位置处对地面同一目标进行多次测向的测向结果，所述测向结果包括模糊解；

求解模块，适用于对每次测向结果进行求解，获得每次入射信号的方位角α和仰角β的估计值。

测向结果分类单元20，用于利用所述测向结果呈现规律性时间趋势对所述多次测向结果进行分类。

具体的，参考图8，测向结果分类单元20，还包括：

第一分类模201，适用于将所述N次测向结果分为两类，一类仅包含有模糊数最小的测向结果，记为另一类包含模糊数最小的测向结果以外的测向结果，记为其中，假设干涉仪T段时间内共进行N次测向，所述N次测向结果记为其中，i为测向序数，1≤i≤N，J_i为第i次测向模糊数，J_i≥1，m为在N次测向结果中模糊数最小的测向结果个数，m、p、N满足关系式m+p＝N，S为最小测向模糊数；

第二分类模块202，适用于根据所述N次测向结果呈现规律性时间趋势的特性，将按照最小测向模糊数S的数量进行分类，记为 ${\{{\mathrm{\&alpha;}}_{J_{i}1}^1,{\mathrm{\&beta;}}_{J_{i}1}^1\}}_m,...,{\{{\mathrm{\&alpha;}}_{J_{i}S}^1,{\mathrm{\&beta;}}_{J_{i}S}^1\}}_m;$

曲线拟合模块203，适用于对所述分别进行曲线拟合，得到最小测向模糊数S数量的拟合曲线；

插值模块204，适用于分别计算在各个拟合曲线上对应时刻的插值 ${\{{\mathrm{\&alpha;}}_{J_{i}1}^2,{\mathrm{\&beta;}}_{J_{i}1}^2\}}_p,...,{\{{\mathrm{\&alpha;}}_{J_{i}S}^2,{\mathrm{\&beta;}}_{J_{i}S}^2\}}_p;$

第三分类模块205，适用于根据距离插值的接近程度，将对应归入获得将所述N次测向结果分成最小模糊数S数量的最终分类结果。

优选的，所述装置还包括剔除单元，适用于当最小测向模糊数S>2时，结合入射信号方位角和仰角的合理范围，对测向结果进行预先剔除，减小最小测向模糊数S。

定位结果计算单元30，用于基于分类后的测向结果计算目标定位结果。

分布概率圆求解单元40，用于基于分类后的测向结果计算目标定位结果。

综上所述，本发明公开的一种实现干涉仪测向定位方法和装置，通过在计算所述测向结果的定位结果之前，增加利用所述测向结果呈现规律性时间趋势所述测向结果进行分类的步骤，减少由模糊测向结果产生的虚假定位集合，能够显著的减小运算量、提高定位结果求解准确度和稳定度。

下面以一个具体的示例来说明本方案的有益效果。

以某次星载干涉仪测向定位模糊结果的应用为例进行说明，获取所述星载干涉仪在一段时间内不同位置处对地面同一目标进行多次测向的测向结果，图9-a，为某次星载干涉仪获得的多次测向结果的所有方位和俯仰角变化趋势示意图，图10-a，为采用现有方法对图9-a所述测向结果求解出的目标定位结果示意图。

对所述测向结果进行求解定位结果之前，采用本发明提供的方法利用所述测向结果呈现的规律性时间趋势对所述测向结果进行分类，对分类后的测向结果进行定位结果求解，图9-b，为对图9-a采用本发明提供的方法进行分类后获得的多次测向结果的方位和俯仰角变化趋势示意图，图10-b，为对图9-b的测向结果求解出的目标定位结果示意图。

参见图10-a，虽然地面定位结果呈现较为清晰地多个定位点聚类集合，但在实际计算时还需要整个区域内进行聚类搜索计算，计算压力很大。与现有干涉仪测向定位方法相比，采用本方案提供的利用测向结果呈现规律性时间趋势对测向结果进行分类，能够显著减少由模糊测向结果产生的虚假定位集合，显著较少计算量，提高了定位结果求解的准确度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种实现干涉仪测向定位的方法，其特征在于，所述方法包括：

求解干涉仪多次测向结果；

利用所述测向结果呈现规律性时间趋势对所述测向结果进行分类；

基于分类后的测向结果计算目标定位结果；

求解所述目标定位结果的分布概率圆。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述求解干涉仪多次测向结果包括：

获取干涉仪在一段时间内不同位置处对地面同一目标进行多次测向的测向结果，所述测向结果包括模糊解；

对每次测向结果进行求解，获得每次入射信号的方位角α和仰角β的估计值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述测向结果呈现规律性时间趋势对所述测向结果进行分类包括：

假设干涉仪T段时间内共进行N次测向，所述N次测向结果记为其中，i为测向序数，1≤i≤N，J_i为第i次测向模糊数，J_i≥1；

将所述N次测向结果分为两类，一类仅包含有模糊数最小的测向结果，记为另一类包含模糊数最小的测向结果以外的测向结果，记为其中，m为在N次测向结果中模糊数最小的测向结果个数，m、p、N满足关系式m+p＝N，S为最小测向模糊数；

根据所述N次测向结果呈现规律性时间趋势的特性，将按照最小测向模糊数S的数量进行分类，记为

对所述分别进行曲线拟合，得到最小测向模糊数S数量的拟合曲线；

分别计算在各个拟合曲线上对应时刻的插值 ${\{{\mathrm{\&alpha;}}_{J_{i}1}^2,{\mathrm{\&beta;}}_{J_{i}1}^2\}}_p,...,{\{{\mathrm{\&alpha;}}_{J_{i}S}^2,{\mathrm{\&beta;}}_{J_{i}S}^2\}}_p;$

根据距离插值的最接近程度，将对应归入获得将所述N次测向结果分成最小模糊数S数量的最终分类结果。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当最小测向模糊数S>2时，所述方法还包括：

结合入射信号方位角和仰角的合理范围，对测向结果进行预先剔除，减小最小测向模糊数S。

5.一种实现干涉仪测向定位的装置，其特征在于，包括：测向结果求解单元，适用于求解干涉仪多次测向结果；

测向结果分类单元，适用于利用所述测向结果呈现规律性时间趋势对所述测向结果进行分类；

定位结果计算单元，适用于基于分类后的测向结果计算目标定位结果；

分布概率圆求解单元，适用于求解所述目标定位结果的分布概率圆。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述测向结果求解单元包括：

获取模块，适用于获取干涉仪在一段时间内不同位置处对地面同一目标进行多次测向的测向结果，所述测向结果包括模糊解；

求解模块，适用于对每次测向结果进行求解，获得每次入射信号的方位角α和仰角β的估计值。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述测向结果分类单元，包括：

第一分类模块，适用于将所述N次测向结果分为两类，一类仅包含有模糊数最小的测向结果，记为另一类包含模糊数最小的测向结果以外的测向结果，记为其中，假设干涉仪T段时间内共进行N次测向，所述N次测向结果记为其中，i为测向序数，1≤i≤N，J_i为第i次测向模糊数，J_i≥1，m为在N次测向结果中模糊数最小的测向结果个数，m、p、N满足关系式m+p＝N，S为最小测向模糊数；

第二分类模块，适用于根据所述N次测向结果呈现规律性时间趋势的特性，将按照最小测向模糊数S的数量进行分类，记为 ${\{{\mathrm{\&alpha;}}_{J_{i}1}^1,{\mathrm{\&beta;}}_{J_{i}1}^1\}}_m,...,{\{{\mathrm{\&alpha;}}_{J_{i}S}^1,{\mathrm{\&beta;}}_{J_{i}S}^1\}}_m;$

曲线拟合模块，适用于对所述分别进行曲线拟合，得到最小测向模糊数S数量的拟合曲线；

插值模块，适用于分别计算在各个拟合曲线上对应时刻的插值 ${\{{\mathrm{\&alpha;}}_{J_{i}1}^2,{\mathrm{\&beta;}}_{J_{i}1}^2\}}_p,...,{\{{\mathrm{\&alpha;}}_{J_{i}S}^2,{\mathrm{\&beta;}}_{J_{i}S}^2\}}_p;$

第三分类模块，适用于根据距离插值的最接近程度，将对应归入获得将所述N次测向结果分成最小模糊数S数量的最终分类结果。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括剔除单元，适用于当最小测向模糊数S>2时，结合入射信号方位角和仰角的合理范围，对测向结果进行预先剔除，减小最小测向模糊数S。