CN106291529B - 一种双基地雷达目标定位装置及其定位方法 - Google Patents

一种双基地雷达目标定位装置及其定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了双基地雷达目标定位装置及其定位方法、单基距解算方法。双基地雷达目标定位装置包括信号处理模块、数据处理模块、波束调度模块、显示模块。信号处理模块接收来自所述波束调度模块的波束调度信息，处理并生成目标点迹数据。数据处理模块接收所述点迹数据，以及来自所述波束调度模块的时统信息、波束指向信息，处理并生成波束请求信息、航迹数据。波束调度模块接收所述波束请求信息，负责波束编排和调度生成波束调度信息并发送给所述信号处理模块。显示模块接收并显示所述点迹数据、所述航迹数据、所述时统信息、所述波束指向信息。本发明能够克服现有双基地雷达目标定位技术的缺点和不足，提高双基地雷达目标定位的精度。

Description

一种双基地雷达目标定位装置及其定位方法
技术领域
本发明属于双基地雷达技术领域的一种双基地雷达目标定位装置及其定位方法、单基距解算方法，特别是涉及一种基于Singer模型和牛顿迭代法的双基地雷达目标定位装置、一种基于Singer模型和牛顿迭代法的双基地雷达目标定位装置的双基地雷达目标定位方法。
背景技术
科学技术的进步推动了隐身目标、综合性电子干扰、低空/超低空突防和反辐射导弹技术的迅速发展，单基地体制雷达面临日益严峻的生存威胁。与单基地雷达相比，双基地雷达以其具有作用距离远、抗干扰能力强、抗摧毁能力好、抗低空/超低空突防能力强、具有反隐身能力等诸多优势，日益受到各国的重视。
由于双基地雷达的发射站和接收站是分置的，导致雷达参数的测量和单基地雷达相比有很大的区别。目前，椭圆法(也被称作距离和测量法、三边法或多边法)是双基地雷达中目标定位常用的典型方法，接收站可以对目标的高低角和方位角进行准确的测量，但在距离上测量的是距离和。进行目标定位，必须要解决单基距解算问题。
下面结合图1介绍目前椭圆法单基距解算流程。
基线距离L已知，距离和(R∑＝RT+RR)和双基平面上接收站目标视角θR为测量参数，目标到发射站的距离RT、目标到接收站的距离RR可以表示为：
但是，椭圆法单基距的解算没有考虑地球扁率的影响，且该定位法的量测收发距离和R∑(假设目标在球坐标系中的位置为(R,β,ε)，发射站位于坐标原点，接收站坐标为(Rr,βr,εr))的测量公式：
是真实量测距离和R∑的近似公式，会引入测量误差。
此外，为了进行深空探测，现有双基地雷达普遍采用线性调频脉冲信号解决雷达的作用距离和测距分辨率的问题。由于存在接收匹配滤波器的特性，输出信号的时延大小与信号频率有密切关系。如果目标运动，雷达的接收信号存在多普勒频率，则匹配滤波器的输出信号的时延会随多普勒频率不断变化，即由多普勒频率引入的距离误差是变化的。如果不能实时地进行时延修正，必然会产生很大的测距误差。
综上所述，目前的双基地雷达目标定位方法普遍存在一些缺点，概括如下：
(1)单基距的解算没有考虑地球扁率的影响，导致解算误差较大，不能满足跟踪雷达的精度要求；
(2)量测收发距离和R∑是距离和公式是按泰勒级数展开的近似等价，忽略了高阶项，会引入测距误差；
(3)经过脉冲压缩后的波形不仅包括目标的距离时延，还包括目标回波附加的多普勒引起的时延增量；由于雷达工作体制的限制，径向速度不能实时测量，导致不能实时地进行时延修正，会产生很大的测距误差。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于Singer模型和牛顿迭代法的双基地雷达目标定位装置、一种基于Singer模型和牛顿迭代法的双基地雷达目标定位装置的双基地雷达目标定位方法。
为了达到上述的目的，本发明采用以下技术方案实现：一种基于Singer模型和牛顿迭代法的双基地雷达目标定位装置，其特征在于：其包括信号处理模块、数据处理模块、波束调度模块、显示模块；其中，
所述信号处理模块，接收来自所述波束调度模块的波束调度信息，处理并生成目标点迹数据；
所述数据处理模块，接收所述点迹数据，以及来自所述波束调度模块的时统信息、波束指向信息，处理并生成波束请求信息、航迹数据；在解算点迹接收站距离，基于地球扁率数据以及点迹数据，解算点迹接收站距离，解算过程包括以下步骤，
(1)将点迹从接收站心的球坐标系Zr＝＜rr,βr,αr＞转换到接收站心东北天坐标系其中rr为量测距离和R∑除2；
(2)将点迹从接收站心东北天坐标系转换到地心地固坐标系Xecef＝＜x,y,z＞；
(3)将点迹地心地固坐标系Xecef＝＜x,y,z＞转换到发射站心东北天坐标系
(4)将点迹发射站心东北天坐标系转换到发射站心的球坐标系Zt＝＜rt,βt,αt＞；
(5)计算距离和差值dr＝2*rr-(rr+rt)，修改rr值为rr＝rr+dr，重复步骤(1)至步骤(5)，迭代解算目标接收站距离；
所述波束调度模块，接收所述波束请求信息，负责波束编排和调度生成波束调度信息并发送给所述信号处理模块；
所述显示模块，接收并显示所述点迹数据、所述航迹数据、所述时统信息、所述波束指向信息。
作为上述方案的进一步改进，所述信号处理模块的信号处理时：依据所述波束调度信息，负责完成基带I/Q回波信号的数字波束形成、脉冲压缩处理、恒虚警检测和目标距离、俯仰方位角、径向速度、RCS以及回波信噪比的测量。
作为上述方案的进一步改进，所述数据处理模块的信息处理：负责完成点迹预处理、点航迹关联、航迹起始、航迹滤波与外推。
再进一步地，在点航迹关联过程中，所述数据处理模块对目标径向速度的点迹(T,V)采用Singer模型进行滤波，依据点迹相对时间，取目标径向速度预报值对非目标径向速度点迹进行补距离多普勒耦合、解距离多普勒耦和操作，然后对点迹采用基于牛顿迭代法的单基距解算方法解算点迹接收站距离。
本发明还提供一种双基地雷达目标定位方法，其包括以下步骤，
(1)对目标径向速度的点迹(T,V)采用Singer模型进行滤波，其中T表示点迹的相对时间，V表示点迹的目标径向速度值；
(2)以波束请求控制字的方式发送波束请求信息，所述波束请求控制字包含Singer模型滤波后的在与波束请求信息对应时间上的目标径向速度的预报值v'；
(3)对波束请求信息进行波束调度编排，并写信号处理控制字，所述信号处理控制字包括步骤(2)中的目标径向速度的预报值v'；
(4)对基带I/Q回波信号进行处理，形成修正后的目标点迹；
(5)对所述修正后的目标点迹进行类型检测；
(6)对非目标径向速度点迹进行补耦合操作；
(7)以补耦合操作后点迹的相对时间为基准，获取Singer模型滤波后在此时刻上的目标径向速度的预报值v；
(8)对量测点迹进行解耦合操作；
(9)采用一种基于牛顿迭代法的双基地雷达单基距解算方法，解算目标的接收站单基距。
作为上述方案的进一步改进，步骤(4)中按照公式修正距离多普勒耦合，形成修正后的目标点迹，其中V＝v'，R'是修正距离多普勒耦合后的距离，R修正前目标距离，f0为信号频率，τ为脉冲宽度，B为信号带宽。
作为上述方案的进一步改进，步骤(5)中的目标点迹类型检测，是检测目标点迹是否是目标径向速度点迹，如果是执行步骤(1)；否则执行步骤(6)。
作为上述方案的进一步改进，步骤(6)中的补耦合操作是按照将目标点迹的速度符号取反；其中V＝v'，R'是修正距离多普勒耦合后的距离，R修正前目标距离，f0为信号频率，τ为脉冲宽度，B为信号带宽；步骤(7)中的解耦合操作按照进行。
作为上述方案的进一步改进，在步骤(9)中，所述基于牛顿迭代法的双基地雷达单基距解算方法包括以下步骤，
(1)将点迹从接收站心的球坐标系Zr＝＜rr,βr,αr＞转换到接收站心东北天坐标系其中rr为量测距离和R∑除2；
(2)将点迹从接收站心东北天坐标系转换到地心地固坐标系Xecef＝＜x,y,z＞；
(3)将点迹地心地固坐标系Xecef＝＜x,y,z＞转换到发射站心东北天坐标系
(4)将点迹发射站心东北天坐标系转换到发射站心的球坐标系Zt＝＜rt,βt,αt＞；
(5)计算距离和差值dr＝2*rr-(rr+rt)，修改rr值为rr＝rr+dr，重复步骤(1)至步骤(5)，迭代解算目标接收站距离。
再进一步地，如果迭代次数达到5次或dr<1米，则结束迭代。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明采用的一种基于Singer模型和牛顿迭代法的双基地雷达目标定位方法，由于Singer模型的预报精度较高，数据处理模块经补耦和解耦操作后，修正后的距离精度较传统定位方法精度更高；
(2)本发明采用牛顿迭代法进行双基地雷达单基距的解算，相对于传统的公式解算法，由于考虑了地球扁率对距离解算的影响，本发明单基距的解算可以得到确切解，解算精度更高。
附图说明
图1是现有的双基地雷达椭圆定位法示意图；
图2是本发明基于Singer模型和牛顿迭代法的双基地雷达目标定位装置图；
图3是本发明基于Singer模型和牛顿迭代法的双基地雷达目标定位方法流程图；
图4是本发明基于牛顿迭代法的双基地雷达单基距的解算流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，本发明公开了一种基于Singer模型和牛顿迭代法的双基地雷达目标定位装置及方法，包括信号处理模块、数据处理模块、波束调度模块、显示模块。信号处理模块进行雷达参数的测量，生成目标点迹数据。数据处理模块对目标径向速度量测值采用Singer模型进行滤波，采用基于牛顿迭代法的单基距解算方法。波束调度模块负责波束编排和调度以及内部通信链路的维护。显示模块负责点航迹数据的显示。
根据本发明公开的方法，采用Singer模型对目标径向速度量测值进行滤波，由于径向速度预报精度较高，修正距离多普勒耦合后的点迹距离精度较传统定位方法精度要高；采用牛顿迭代法进行双基地雷达单基距的解算，相对于传统的公式解算法，由于考虑了地球扁率对距离解算的影响，单基距的解算可以得到确切解，解算精度更高。点迹分为径向速度点迹和非径向速度点迹。
信号处理模块，可接收来自波束调度模块的波束调度信息，负责完成基带I/Q回波信号的数字波束形成(DBF)脉冲压缩处理、恒虚警(CFAR)检测和目标距离、俯仰方位角、径向速度、RCS以及回波信噪比等参数的测量，生成目标点迹数据，并将点迹数据发送给数据处理模块。
数据处理模块，可接收来自信号处理模块的点迹数据，以及来自波束调度模块时统信息、波束指向信息，负责完成点迹预处理、点航迹关联、航迹起始、航迹滤波与外推等功能，并将波束请求信息发送给波束调度模块，将点迹数据和航迹数据发送给显示模块。数据处理模块在点航迹关联过程中，对目标径向速度量测值(T,V)采用Singer模型进行滤波，依据点迹相对时间，取目标径向速度预报值对非目标径向速度量测进行补距离多普勒耦合、解距离多普勒耦和操作，然后对点迹采用基于牛顿迭代法的单基距解算方法解算点迹接收站距离。
波束调度模块，可接收来自数据处理的波束请求信息，负责波束编排和调度，并将波束调度信息发送给信号处理模块。
显示模块，可接收来自数据处理模块的点迹数据和航迹数据以及来自波束调度模块的时统信息、波束指向信息，并进行显示。
如图3所示，本发明实施例的一种基于Singer模型和牛顿迭代法的双基地雷达目标定位方法包括以下步骤：
步骤1：数据处理模块对目标径向速度量测值(T,V)采用Singer模型进行滤波；
步骤2：数据处理模块以目标调度时间间隔为基准，以波束请求控制字的方式将目标速度的预报值v'发送给波束调度模块；
步骤3：波束调度模块对接收到的波束请求进行波束调度编排，并向信号处理模块写信号处理控制字，信号处理控制字包括步骤(2)中的目标速度的预报值v'；
步骤4：信号处理模块对目标回波信号进行脉冲压缩，按照公式(5)修正距离多普勒耦合，并将修正后的目标点迹发送给数据处理模块；其中，V＝v'，R'是修正距离多普勒耦合后的距离，R修正前目标距离，f0为信号频率，τ为脉冲宽度，B为信号带宽；
步骤5：数据处理模块对信号处理模块发送过来的目标点迹进行类型检测，判断目标点迹是否是目标径向速度量测，如果是执行步骤(1)；否则执行步骤(6)；
步骤6：数据处理模块对非目标径向速度量测点迹进行补距离多普勒耦合操作(按照公式(5)，将目标点迹的速度符号取反)；
步骤7：数据处理模块依据补耦合操作后点迹的相对时间为基准，获取Singer模型该时刻的目标速度预报值v；
步骤8：按照公式(5)，对量测点迹进行解距离多普勒耦合操作(V＝v)；
步骤9：采用一种基于牛顿迭代法的双基地雷达单基距解算方法，解算目标的接收站单基距。
如图4所示，本发明实施例的一种基于牛顿迭代法的双基地雷达单基距解算方法包括以下步骤：
步骤1：将点迹从接收站心的球坐标系Zr＝＜rr,βr,αr＞转换到接收站心东北天坐标系其中rr为量测距离和R∑除2；
接收站心的球坐标系到接收站心东北天坐标系的转换矩阵如下：
步骤2：将点迹从接收站心东北天坐标系转换到地心地固坐标系Xecef＝＜x,y,z＞；
假设接收站心的经度、纬度和高度为＜Lr,Br,Hr＞，则雷达站心东北天坐标系到地心地固坐标系的转换矩阵如下：
计算接收站心在地心地固坐标系的位置Xr＝＜x,y,z＞：
其中
且a＝6378137m为地球长半轴，b＝6356752.3142m为地球短半轴，为地球第一偏心率。
将点迹转换到地心地固坐标系Xecef＝＜x,y,z＞：
步骤3：将点迹地心地固坐标系Xecef＝＜x,y,z＞转换到发射站心东北天坐标系
假设发射站心的经度、纬度和高度为＜Lt,Bt,Ht＞，则地心地固坐标系转换到发射站心东北天坐标系的转换矩阵如下：
其中的[xt,yt,zt]为发射站＜Lt,Bt,Ht＞通过公式(7)转换到地心地固坐标系下的坐标。
步骤4：将点迹发射站心东北天坐标系转换到发射站心的球坐标系Zt＝＜rt,βt,αt＞；
步骤5：计算距离和差值dr＝2*rr-(rr+rt)，修改rr值为rr＝rr+dr，重复步骤(1)至步骤(5)，迭代解算目标接收站距离。如果迭代次数达到5次或dr<1米结束迭代。
实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于Singer模型和牛顿迭代法的双基地雷达目标定位装置，其特征在于：其包括信号处理模块、数据处理模块、波束调度模块、显示模块；其中，
所述信号处理模块，接收来自所述波束调度模块的波束调度信息，处理并生成目标点迹数据；
所述数据处理模块，接收所述点迹数据、以及来自所述波束调度模块的时统信息、波束指向信息，处理并生成波束请求信息、航迹数据；在解算点迹接收站距离，基于地球扁率数据以及点迹数据，解算点迹接收站距离，解算过程包括以下步骤，
(1)将点迹从接收站心的球坐标系Zr＝＜rr,βr,αr＞转换到接收站心东北天坐标系其中rr为量测距离和R∑除2；
(2)将点迹从接收站心东北天坐标系转换到地心地固坐标系Xecef＝＜x,y,z＞；
(3)将点迹地心地固坐标系Xecef＝＜x,y,z＞转换到发射站心东北天坐标系
(4)将点迹发射站心东北天坐标系转换到发射站心的球坐标系Zt＝＜rt,βt,αt＞；
(5)计算距离和差值dr＝2*rr-(rr+rt)，修改rr值为rr＝rr+dr，重复步骤(1)至步骤(5)，迭代解算目标接收站距离；
所述波束调度模块，接收所述波束请求信息，负责波束编排和调度生成波束调度信息并发送给所述信号处理模块；
所述显示模块，接收并显示所述点迹数据、所述航迹数据、所述时统信息、所述波束指向信息。
2.根据权利要求1所述的基于Singer模型和牛顿迭代法的双基地雷达目标定位装置，其特征在于：所述信号处理模块的信号处理时：依据所述波束调度信息，负责完成基带I/Q回波信号的数字波束形成、脉冲压缩处理、恒虚警检测和目标距离、俯仰方位角、径向速度、RCS以及回波信噪比的测量。
3.根据权利要求1所述的基于Singer模型和牛顿迭代法的双基地雷达目标定位装置，其特征在于：所述数据处理模块的信息处理：负责完成点迹预处理、点航迹关联、航迹起始、航迹滤波与外推。
4.根据权利要求3所述的基于Singer模型和牛顿迭代法的双基地雷达目标定位装置，其特征在于：在点航迹关联过程中，所述数据处理模块对目标径向速度的点迹(T,V)采用Singer模型进行滤波，依据点迹相对时间，取目标径向速度预报值对非目标径向速度点迹进行补距离多普勒耦合、解距离多普勒耦和操作，然后对点迹采用基于牛顿迭代法的单基距解算方法解算点迹接收站距离。
5.一种双基地雷达目标定位方法，其特征在于：其包括以下步骤，
(1)对目标径向速度的点迹(T,V)采用Singer模型进行滤波，其中T表示点迹的相对时间，V表示点迹的目标径向速度值；
(2)以波束请求控制字的方式发送波束请求信息，所述波束请求控制字包含Singer模型滤波后的在与波束请求信息对应时间上的目标径向速度的预报值v'；
(3)对波束请求信息进行波束调度编排，并写信号处理控制字，所述信号处理控制字包括步骤(2)中的目标径向速度的预报值v'；
(4)对基带I/Q回波信号进行处理，形成修正后的目标点迹；
(5)对所述修正后的目标点迹进行类型检测；
(6)对非目标径向速度点迹进行补耦合操作；
(7)以补耦合操作后点迹的相对时间为基准，获取Singer模型滤波后在此时刻上的目标径向速度的预报值v；
(8)对量测点迹进行解耦合操作；
(9)采用一种基于牛顿迭代法的双基地雷达单基距解算方法，解算目标的接收站单基距。
6.根据权利要求5所述的基地雷达目标定位方法，其特征在于：步骤(4)中按照公式修正距离多普勒耦合，形成修正后的目标点迹，其中V＝v'，R'是修正距离多普勒耦合后的距离，R修正前目标距离，f0为信号频率，τ为脉冲宽度，B为信号带宽。
7.根据权利要求5所述的基地雷达目标定位方法，其特征在于：步骤(5)中的目标点迹类型检测，是检测目标点迹是否是目标径向速度点迹，如果是执行步骤(1)；否则执行步骤(6)。
8.根据权利要求5所述的基地雷达目标定位方法，其特征在于：步骤(6)中的补耦合操作是按照将目标点迹的速度符号取反；其中V＝v'，R'是修正距离多普勒耦合后的距离，R修正前目标距离，f0为信号频率，τ为脉冲宽度，B为信号带宽；步骤(7)中的解耦合操作按照进行。
9.根据权利要求5所述的双基地雷达目标定位方法，其特征在于：在步骤(9)中，所述基于牛顿迭代法的双基地雷达单基距解算方法包括以下步骤，
(1)将点迹从接收站心的球坐标系Zr＝＜rr,βr,αr＞转换到接收站心东北天坐标系其中rr为量测距离和R∑除2；
(2)将点迹从接收站心东北天坐标系转换到地心地固坐标系Xecef＝＜x,y,z＞；
(3)将点迹地心地固坐标系Xecef＝＜x,y,z＞转换到发射站心东北天坐标系
(4)将点迹发射站心东北天坐标系转换到发射站心的球坐标系Zt＝＜rt,βt,αt＞；
(5)计算距离和差值dr＝2*rr-(rr+rt)，修改rr值为rr＝rr+dr，重复步骤(1)至步骤(5)，迭代解算目标接收站距离。
10.根据权利要求9所述的基地雷达目标定位方法，其特征在于：如果迭代次数达到5次或dr<1米，则结束迭代。
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