CN108196224A - 一种利用位置未知的外辐射源实现双站无源定位的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用位置未知的外辐射源实现双站无源定位的方法。基于对同一个外辐射源，两个探测平台在同一时刻所探测到的外辐射源与目标之间的径向距离必定是相同的原理，先利用基于时差和方位测量的T‑R双基定位法分别获得在各站独立定位时，外辐射源与目标之间的径向距离解析方程，然后将测距方程中未知的外辐射源与探测站之间的基线距离看成是一个连续变化的参变量，通过历经所有可能的基线距离长度，并对两站各自独立测算所得到的所有的径向距离序列进行差分计算，最后通过搜寻其中的最小差值即可直接确定出目标与外辐射源之间的径向距离，同时通过序列号还能确定各探测站与外辐射源之间的基线距离。在此基础上，再次利用双基定位法即可求得目标的位置，同时也能求得两探测站之间的基线长度。

Description

一种利用位置未知的外辐射源实现双站无源定位的方法

技术领域

本发明涉及无线电定位技术，具体涉及一种基于时差和方位测量，并利用位置未知的外辐射源实现双站定位的方法。

背景技术

外辐射源定位是一种利用第三方辐射源信号(例如调频广播电台、电视台、移动通信基站和导航卫星等发出的信号)作为照射源，仅依靠被动接收目标的反射信号实现对目标探测的方法。由于自身并不向外辐射电磁波能量，所以外辐射源定位系统具有成本低、不易被发现、能抗干扰以及抗摧毁等许多性能，是目前国内外关注度非常高的一个研究方向。

至今为止，关于外辐射源定位方法，无论是单站外辐射源定位，还是多站外辐射源定位，都必须事先知道辐射源与接收站之间的基线长度，且对于多站定位还必须知道各站之间的基线长度。但在实际应用中，在许多情况下，无论是非己方的、还是己方的外辐射源与探测站之间的距离都有可能是无法实时准确的获得的，即外辐射源的位置往往是未知的。

发明内容

针对如何利用位置未知的外辐射源实现无源定位的问题，本发明的目的是基于对同一个外辐射源，两个探测平台在同一时刻所探测到的外辐射源与目标之间的径向距离必定是相同的原理，通过利用基于时差和方位测量的T-R模式的双基定位法，给出了一种既无需知道外辐射源与探测站之间的基线距离，又无需知道两探测站间基线长度的双站定位方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

基于对同一个外辐射源，两个探测平台在同一时刻所探测到的外辐射源与目标之间的径向距离必定是相同的原理，先利用基于时差和方位测量的T-R双基定位法分别获得在各探测站独立定位时，外辐射源与目标之间的径向距离解析方程，然后将测距方程中未知的基线距离看成是一个连续变化的参变量，通过历经所有可能的基线距离，并对两探测站各自独立测算所得到的所有的径向距离序列进行差分计算，最后通过搜寻其中的最小差值即可直接确定出目标与外辐射源之间的径向距离，同时通过序列号还能确定各探测站与外辐射源之间的基线距离。在此基础上，再次利用双基定位法即可求得目标的位置，同时也能求得两探测站之间的基线长度。

具体包括以下步骤：

步骤1、借助同一个外辐射源，两个探测平台在两平台之间的基线距离，以及两平台与外辐射源的基线距离都是未知的条件下对某一目标进行无源定位。在已测定时差和方位角的情况下，两个探测平台各自独立按双基T-R型定位方式测算外辐射源和目标之间的径向距离：

式中：ΔT_i、θ_i和d_i分别表示时间差、方位角和外辐射源与探测站之间的基线长度。

步骤2、将测距方程(1)中未知的基线距离看成是一个连续变化的参变量，通过历经所有可能的基线距离长度，可获得两个径向距离序列：

式中：k为序列号。

步骤3、对两站各自独立测算所得到的所有的径向距离序列进行差分计算：

δr(k₁，k₂)＝r₀₁(k₁)-r₀₂(k₂) (3)

步骤4、利用MATLAB函数求解径向距离序列差分对的最小值：

Δr_min＝min[min(δr)] (4)

步骤5、同时利用MATLAB函数获得对应于最小值的序列号：

[k₁，k₂]＝find(Δr_min＝min[min(δr)]) (5)

根据序列号即可查询出所对应的径向距离值，同时亦能查询得到外辐射源与各个探测站之间的基线长度。

步骤6、利用平面几何关系即可求得各个探测站与目标之间的径向距离：

步骤7、利用平面几何关系还能求得两站之间的基线距离d₀：

其中：β_i分别是在辐射源到目标的径向距离和各个探测站到辐射源的基线距离之间的夹角。

发明的特性：

1.能在外辐射源与探测站之间的基线距离，以及双站之间的基线距离都完全未知的情况下，仅基于时差和方位测量，探测得到目标的位置。

2.在求得目标位置的同时，利用平面几何关系即能求得两站之间的基线距离d₀，这为在实际的随机布站的初始过程中，准确的获知双站之间的相互位置提供了有效的方法。

3.与此同时，利用平面几何关系亦能得到外辐射源的位置，这为更好的利用外辐射源，或者必要的时候摧毁外辐射源提供了直接的技术支持。

4.测算方法简单。

附图说明

图1：T-R双基定位的几何模型

图2：利用位置未知的外辐射源实现双站无源定位的几何模型

具体实施方式

下面结合附图1-图2进一步说明本发明是如何实现的。

实施例

一种利用位置未知的外辐射源实现双站无源定位的方法。附图1是T-R双基定位的几何模型；附图2给出了利用位置未知的外辐射源实现双站无源定位的几何模型。

至今为止，借助外辐射源的无源定位法，无论是单站外辐射源定位，还是多站外辐射源定位，都必须事先知道辐射源与接收站之间的基线长度，且对于多站无源定位还必须知道各站之间的基线长度。但在实际应用中，在许多情况下，外辐射源与探测站之间的距离往往是无法实时准确的获得的，例如外辐射源是位置不明的非己方合作源。显然，如能利用非己方的外辐射源，则无源定位系统将具有更强的抗摧毁能力。

本专利基于对同一个外辐射源，两个探测平台在相同时刻所探测到的外辐射源与目标之间的径向距离必定是相同的原理，先利用基于时差和方位测量的双基定位法分别获得在各站独立定位时，外辐射源与目标之间的径向距离解析方程，然后将测距方程中未知的基线距离看成是一个连续变化的参变量，通过历经所有可能的基线长度，并对两站各自独立测算所得到的所有的径向距离序列进行差分计算，最后通过搜寻其中的最小径向距离的差值即可直接确定出目标与外辐射源之间的径向距离，同时通过序列号还能确定各站与外辐射源之间的基线距离。在此基础上，再次利用现有的双基定位法即可求得目标的位置。此外利用平面几何关系还能求得在双站之间的基线距离。

一、T-R双基站定位算法

根据附图1所示的模型，由T-R双基站在接收站点处所测得的时差，可列出时差关系式：

ΔT＝ΔT_r0+ΔT_r1-ΔT_d (1)

式中：ΔT_r0，ΔT_r1和ΔT_d分别是对应于距离r₀，r₁和d的时间差。

通过在方程两边同乘光速c可得到距离和方程：

cΔT+d＝r₀+r₁ (2)

又根据附图1所示的几何关系，利用接收站点处的测向结果，由余弦定理可得：

将距离和方程代入，消去发射站到目标的径向距离r₀：

展开简化后有接收站到目标的径向距离解析解：

如将目标与接收站点之间的径向距离消去，则有外辐射源与目标之间的径向距离解析解：

二、最小差值法

1、定位模型

对于附图2所示的双站无源定位模型，T表示外辐射源，R_i表示探测站，P 表示目标。将每个探测站分别与外辐射源构成一个双基T-R双基定位系统，在已测定时差和方位角的情况下，根据上一节的分析结果可分别给出外辐射源与目标之间的径向距离分别为：

式中：ΔT_i、d_i和θ_i分别是时间差、基线长度和方位角。

2、距离序列

根据所要研究的内容，已设各探测站与外辐射源的基线距离都是未知的，并且两探测站之间的基线距离也是未知的。将测距方程中未知的基线长度看成是一个连续变化的参变量，通过历经所有可能的基线长度，可获得两个径向距离序列：

式中：k为序列号。

3、最小差值

对两站各自独立测算所得到的所有的径向距离序列利用MATLAB函数进行差分计算：

δr(k₁，k₂)＝r₀₁(k₁)-r₀₂(k₂) (10)

利用MATLAB函数求解径向距离序列差分对的最小值：

Δr_min＝min[min(δr)] (11)

并同时利用MATLAB函数获得对应于最小值的序列号：

[k₁，k₂]＝find(Δr_min＝min[min(δr)]) (12)

根据序列号即可查询出所对应的径向距离值r_0i，同时亦能查询得到外辐射源与各个探测站之间的基线长度d_i。

三、目标定位

根据T-R双基站定位算法，可求得各个探测站与目标之间的径向距离：

进一步利用平面几何关系还能求得两站之间的基线距离d₀：

其中：β_i分别是在辐射源到目标的径向距离和各个探测站到辐射源的基线距离之间的夹角。

因算法极为简单，故本专利没有给出更为具体的计算实例，并且T-R双基站定位是一种已经很成熟的方法。模拟研究结果表明，只要基线长度的取值间隔足够小，例如间隔1公里，则就能找到准确度足够好的径向距离值。

Claims (7)

1.一种能利用位置未知的外辐射源实现双站无源定位的方法，其特征是在外辐射源与探测站之间的基线距离，以及两探测站之间的基线距离都是未知的情况下，基于对同一个外辐射源，两探测平台在同一时刻所探测到的外辐射源与目标之间的径向距离必定是相同的条件，先利用基于时差和方位测量的T-R双基定位法分别获得在各探测站独立定位时，外辐射源与目标之间的径向距离解析方程，然后将双基测距方程中未知的外辐射源与探测站之间的基线距离看成是一个连续变化的参变量，通过历经所有可能的基线距离对两站各自独立测算所得到的所有的径向距离序列进行差分计算，并通过搜寻其中的最小差值直接确定出目标与外辐射源之间的径向距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是基于时差和方位测量，两个探测平台各自独立按双基T-R型定位方式测算外辐射源和目标之间的径向距离，并将双基测距方程中辐射源与探测站之间未知的基线距离看成是一个连续变化的参变量，通过历经所有可能的基线距离长度，可获得两个径向距离序列：

式中：ΔT_i、θ_i和d_i分别表示时间差、方位角和外辐射源与探测站之间的基线距离，k为序列号；c表示光速。

3.根据权利要求1和2所述的方法，其特征是对两探测站各自独立测算所得到的所有的径向距离序列利用MATLAB函数进行差分计算：

δr(k₁，k₂)＝r₀₁(k₁)-r₀₂(k₂) (2)

并通过利用MATLAB函数求解径向距离序列差分对的最小值判别两独立测算的径向距离是否接近相同：

Δr_min＝min[min(δr)] (3)

随后利用MATLAB函数获得对应于最小值的序列号：

[k₁，k₂＝find(Δr_min＝min[min(δr)]) (4) 。

4.根据权利要求1和3所描述的方法，其特征是根据序列号即可查询出辐射源与目标之间的径向距离值，以及外辐射源与各个探测站之间的基线距离，即亦能得到外辐射源的几何位置。

5.根据权利要求1、2和4所述的方法，其特征是利用平面几何关系，可求得各个探测站与目标之间的径向距离：

6.根据权利要求1、2、3和4所述的方法，其特征是利用平面几何关系还能求得两站之间的基线距离d₀

其中：β_i分别是在辐射源到目标的径向距离和各个探测站到辐射源的基线距离之间的夹角。

7.根据权利要求1所述的方法，以及2、3、4、5、6和7所描述的方法，其特征是外辐射源既可以是合作的，也可以是非合作的。