CN105116393A - 一种基于位置指纹的高空目标飞行高度和雷达截面积估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高空监测技术领域，具体涉及一种基于位置指纹的高空目标飞行高度和雷达截面积估计方法，本发明通过位置指纹定位算法的离线阶段在四维空间不同的高度和距离上进行空间网格划分，利用双基地高频地波雷达T/R站和R站探测到的距离、方位和信号回波强度信息作为测试数据，通过位置指纹定位算法来估计出目标高度和RCS信息。
Description
技术领域
本发明涉及高空监测技术领域，具体涉及一种基于位置指纹的高空目标飞行高度和雷达截面积估计方法。
背景技术
高频地波雷达能够探测超过地平线以外的海上目标和飞行目标，但是在高度上不能形成较窄的纵向波束，因而难以在高度上分别不同目标。但是高频地波雷达发射的垂直极化电磁波传播衰减在高度方向上随着高度的变化而变化。这种特性为海上飞行目标的高度估计提供了可能。
由高频地波雷达方程可知，目标强度在dB形式下可以表示为：
Pr(dB)＝-2ζb(R,h)+Ψ+C
其中，Pr是目标信号回波强度；ζb(R,h)为距离R、高度h处的垂直极化电波传播衰减；Ψ是目标相对于观测站的RCS；C是与雷达系统工作参数相关的常数。
高频地波雷达方程中的信号回波强度是电波传播衰减和目标RCS的函数，而传播衰减ζb也是目标距离和飞行高度h的函数。在雷达工作频率为11.4MHz，发射站高10m，目标与雷达相距40～140km时，可以得到在低空区域不同高度上的传播衰减曲线如图1所示。
由图1可见，在不同距离和高度上，高频电波传播衰减呈现明显的不同。因此，垂直极化电波在高度上的变化特性为飞行目标高度估计提供了可能。
目前国内外还没有提出可以工程应用的高频地波雷达高度估计技术。在经典的高频地波雷达飞行目标高度估计模型中，目标状态向量包含目标高度和RCS及其它们的变化率，即k时刻目标状态向量Xk表示为
其中，hk和Ψk分别表示k时刻目标的高度信息和RCS信息；和分别是目标在高度和RCS上的变化率信息。
目标状态方程定义为
Xk＝FXk-1+vk
其中，F为状态转移矩阵，vk为k时刻的白高斯过程噪声。
以目标信号回波强度作为观测量，观测方程表示为
Pr(dB)＝h(x)+wk
其中，h(·)为非线性观测函数，wk为白高斯观测噪声。
因而，目前常用的高度估计模型为
高频地波雷达飞行目标高度估计现有技术的缺点主要体现在以下几个方面：
主要体现在以下两个方面：
(1)难以在微波暗室内进行测试
室内静态模型缩放测试虽然有效的减少了外部环境因素的干扰，但是飞行目标模型的缩放造成模型的RCS与目标真实RCS之间误差较大。
(2)难以在外场环境下进行测试
在外场环境下测试不仅测试难度很大、花费高昂，而且存在外部环境干扰的因素，在高频波段上进行目标测试不理想。
(3)现有估计方法效果差
现有高度估计技术都是利用单站雷达测量的数据进行高度和RCS估计，观测信息较少，在高度上是盲的，无法准确估计目标高度和RCS。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提出一种基于位置指纹的估算高空目标飞行高度和雷达截面积的方法，以解决外场动态测试干扰因素导致RCS估计不准确的问题，实现RCS信息的准确估计；解决传统高度估计方法效果差的问题。
为达上述目的，本发明提供了一种估算高空目标飞行高度和雷达截面积的方法，包括：
以高频地波雷达观测站为原点，建立三维直角坐标系，并设高空目标的位置P为(x,y,z)；
获取T/R站接收到的目标观测距离Rt和方位信息θt；获取R站接收到的目标观测距离之和ρ以及方位信息θR，其中，ρ＝Rt+Rr，Rr是R站的目标观测距离；
获取T/R站信号回波强度Ptr,dB(k)以及R站的回波强度Prr,dB(k)；
根据目标在x、y、z轴和目标RCS轴上的空间网格划分，并计算得到目标对应参考点上的数据库为：
表示观测区域内共有Num个参考定位点。
进一步的，
所述目标观测距离Rt和ρ、方位信息θR和θt，在所述三维直角坐标系中表示为：
其中，(xt,yt,zt)和(xr,yr,zr)分别是T/R站和R站的坐标位置。
进一步的，
所述回波强度Ptr,dB(k)和Prr,dB(k)可表示为：
Ptr,dB(k)＝-2ζb(Rt(k),z(k))+Ψt(k)+C；
Prr,dB(k)＝＝-ζb(Rt(k),z(k))-ζb(ρ(k)-Rt(k),z(k))+Ψr(k)+C；
其中，Pr,dB(k)是目标信号回波强度，ζb(x)表示高频地波传播衰减，ψt(k)为K时刻目标相对于T/R站的RCS，Ψr(k)为目标相对于R站的RCS；C是一个与雷达工作参数相关的参量，当雷达系统参数确定时，C为常数。
进一步的，根据两个站的所述目标观测距离、方位信息以及回波强度，可以得到测试数据为
S＝(s1,s2,s3,…,sm)
这里m表示观测站测试目标信息的维度，这里m＝3。s1，s2，s3分表表示目标的斜距、方位和信号回波强度测试值。
进一步的，利用参考数据Ri和测试数据S计算欧式距离：
其中i＝1,2,…,Num，Num为参考点总数。
从所有Di中找出最小的K个点，利用K均值法计算出目标高度和RCS信息。
本发明能够达到以下有益效果：
本发明充分利用双基地高频地波雷达探测到的目标位置和信号回波强度信息，有效地消除了目标观测噪声和外部干扰对目标高度和RCS估计精度的影响提高了目标高度和RCS的估计精度；采用位置指纹定位算法实现了目标高度和RCS信息的准确估计，降低了计算量，便于工程实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是低空域地波传播衰减图；
图2是本发明一种估算高空目标飞行高度和雷达截面积的方法的流程示意图；
图3是本发明T/R-R双基地高频地波雷达与目标之间的位置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明主要解决了以下几个方面的问题：
(1).实现RCS信息的准确估计的问题
本发明利用信号回波强度信息构建RCS估计模型，可以实时准确的估计出目标RCS信息，解决室内暗室测试难于建立准确飞机模型而导致的RCS测试误差很大的问题。
(2).解决外场环境下测试时无法减少有源和无源干扰因素的问题
在外场对飞行目标RCS测试虽然可以避免缩比建模测试导致的模型误差，但是外部环境中的各种干扰因素会影响RCS的测试精度。本发明的RCS估计技术采用位置指纹定位算法，实时消除外部干扰影响，提高RCS估计精度。
(3).解决传统高度估计方法的效果差的问题
本发明充分不仅利用了高空飞行目标的RCS信息，而且利用目标距离与目标飞行高度之间的关系来实现目标飞行高度和RCS的估计。本发明利用了目标更多的观测信息，解决了传统方法的多解问题。
以下通过具体实例来对本发明进行进一步说明：
图2是本发明一种估算高空目标飞行高度和雷达截面积的方法的流程示意图，如图所示，包括：
步骤201，以高频地波雷达观测站为原点，建立三维直角坐标系，并设高空目标的位置P为(x,y,z)；
步骤202，根据目标在x、y、z轴和目标RCS轴上的空间网格划分，并计算得到目标对应参考点上的数据库为：
表示观测区域内共有Num个参考定位点；
图3是本发明T/R-R双基地高频地波雷达与目标之间的位置示意图，如图所示，其上给出了三维直角坐标系以及上述各参数。
步骤203，获取T/R站接收到的目标观测距离Rt和方位信息θt；获取R站接收到的目标观测距离之和ρ以及方位信息θR，其中，ρ＝Rt+Rr，Rr是R站的目标观测距离；获取T/R站信号回波强度Ptr,dB(k)以及R站的回波强度Prr,dB(k)；可以得到测试数据为
S＝(s1,s2,s3,…,sm)
这里m表示观测站测试目标信息的维度，这里m＝3。s1，s2，s3分表表示目标的斜距、方位和信号回波强度测试值。
进一步的，
所述目标观测距离Rt和ρ、方位信息θR和θt，在所述三维直角坐标系中表示为：
其中，(xt,yt,zt)和(xr,yr,zr)分别是T/R站和R站的坐标位置。
进一步的，
所述回波强度Ptr,dB(k)和Prr,dB(k)可表示为：
Ptr,dB(k)＝-2ζb(Rt(k),z(k))+Ψt(k)+C；
Prr,dB(k)＝＝-ζb(Rt(k),z(k))-ζb(ρ(k)-Rt(k),z(k))+Ψr(k)+C；
其中，Pr,dB(k)是目标信号回波强度，ζb(x)表示高频地波传播衰减，ψt(k)为K时刻目标相对于T/R站的RCS，Ψr(k)为目标相对于R站的RCS；C是一个与雷达工作参数相关的参量，当雷达系统参数确定时，C为常数。
步骤204，利用参考数据Ri和测试数据S计算欧式距离：
其中i＝1,2,…,Num，Num为参考点总数。
从所有Di中找出最小的K个点，利用K均值法计算出目标高度和RCS信息：
本发明能够达到以下有益效果：
本发明有效地消除了目标观测噪声和外部干扰对目标高度和RCS估计精度的影响，提高了目标高度和RCS的估计精度；采用位置指纹定位技术，实现了目标高度和RCS信息的实时估计，降低了计算量，便于工程实现。
本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrativelogicalblock)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrativecomponents)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于位置指纹的高空目标飞行高度和雷达截面积估计方法，其特征在于，包括：
以高频地波雷达观测站为原点，建立三维直角坐标系，并设高空目标的位置P为(x,y,z)；
获取T/R站接收到的目标观测距离Rt和方位信息θt；获取R站接收到的目标观测距离之和ρ以及方位信息θR，其中，ρ＝Rt+Rr，Rr是R站的目标观测距离；
获取T/R站信号回波强度Ptr,dB(k)以及R站的回波强度Prr,dB(k)；
根据两个站的所述目标观测距离、方位信息以及回波强度来构造测试数据向量S。
在x，y，z和目标RCS四个维度上进行空间网格划分，并以每个网格的中心点数据为参考点，以每个参考点上对应的目标斜距、方位和信号回波强度信息作为参考信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述目标观测距离Rt和ρ、方位信息θR和θt，在所述三维直角坐标系中表示为：
其中，(xt,yt,zt)和(xr,yr,zr)分别是T/R站和R站的坐标位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述回波强度Ptr,dB(k)和Prr,dB(k)可表示为：
Ptr,dB(k)＝-2ζb(Rt(k),z(k))+Ψt(k)+C；
Prr,dB(k)＝＝-ζb(Rt(k),z(k))-ζb(ρ(k)-Rt(k),z(k))+Ψr(k)+C；
其中，Pr,dB(k)是目标信号回波强度，ζb(x)表示高频地波传播衰减，ψt(k)为K时刻目标相对于T/R站的RCS，Ψr(k)为目标相对于R站的RCS；C是一个与雷达工作参数相关的参量，当雷达系统参数确定时，C为常数。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据目标在x、y、z轴和目标RCS轴上的空间网格划分，并计算得到目标对应参考点上的数据库为：
Ri＝(ri 1,ri 2,ri 3,…,ri m)i＝1,2,…,Num，其中，Num为参考点的数量。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据两个站的所述目标观测距离、方位信息以及回波强度，可以得到测试数据为
S＝(s1,s2,s3,…,sm)
这里m表示观测站测试目标信息的维度，这里m＝3。s1，s2，s3分表表示目标的斜距、方位和信号回波强度测试值。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，利用参考数据Ri和测试数据S计算欧式距离：
其中i＝1,2,…,Num，Num为参考点的数量；
从所有Di中找出最小的K个点，利用K均值法计算出目标高度和RCS信息；
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