CN109856597A - 一种新体制超视距短波定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种新体制超视距短波定位系统及定位方法，包括短波发射部分和接收站；短波发射部分包含至少三个短波发射站，用于发射具有相互正交特性的短波信号，通过电离层传播；接收站包括接收部分与修正部分；接收部分采用多通道接收机与阵列天线，用于对天波信号进行DOA估计，并结合已知的短波发射站地理坐标实现自定位；修正部分用于依据电离层模型对DOA估计结果进行修正。该定位系统成本低廉，结构简单，定位服务范围广，少量发射站即可为大量的接收设备提供服务，具有冗余性，同时还具有极强扩展性与可靠性。

Description

一种新体制超视距短波定位系统及定位方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种新体制超视距短波定位系统及定位方法。

背景技术

现有的定位系统多依赖于GNSS信号和甚低频导航信号。GNSS定位导航系统需进行卫星组网，系统复杂，实现困难，成本高昂，维护不易。而甚低频导航台站这类系统成本高昂且信号频率长期固定，站点位置不易变更，容易受到干扰和摧毁。因此，现有导航系统存在依赖GNSS信号和甚低频导航信号、系统成本高昂、易受干扰和摧毁等问题。相较而言，短波信号可以通过电离层反射传播，具有较大的覆盖范围，对于超视距定位具有极高的应用潜力。而且，随着针对电离层的科学研究的不断进步以及阵列天线测向技术的不断发展，高精度的超视距短波定位系统的可实现性也大大增强。采用这种方式进行超视距定位具有高度的灵活性与低廉的成本，维护方便，系统简单。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种利用天波超视距传播机理和测向交汇定位技术实现的不依赖于卫星等导航信号的超视距短波定位系统。

本发明的第二个目的是提供一种新体制超视距短波定位方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新体制超视距短波定位系统，包括短波发射部分和接收站；短波发射部分包含至少三个短波发射站，用于发射具有相互正交特性的短波信号，通过电离层传播；接收站包括接收部分与修正部分；接收部分采用多通道接收机与阵列天线，用于对天波信号进行DOA估计，并结合已知的短波发射站地理坐标实现自定位；修正部分用于依据电离层模型对DOA估计结果进行修正。

在上述的新体制超视距短波定位系统中，短波发射部分采用三角形、Y形或星形进行长基线布站，形成高频斜向发射台链；用于发射具有相互正交特性的调制信号。

在上述的新体制超视距短波定位系统中，短波发射部分采用宽带发射系统，用于根据电离层变化规律，发射对应频段的短波信号，实现300-3000公里的距离覆盖，其工作频段采用5-30MHz。

在上述的新体制超视距短波定位系统中，接收部分采用宽带短基线天线阵列，用于接收短波发射站信号，并依据各发射站编码序列区分信号来源，对按码制进行相关处理后的信号进行到达角估计。

一种新体制超视距短波定位方法，根据接收站所测得的各短波发射站信号的来波到达角与已知的短波发射站地理坐标进行交汇式自定位；包括以下步骤：

步骤1、各短波发射站发射具有相互正交特性的短波信号，并通过电离层反射；

步骤2、接收部分接收来波信号，并根据短波发射站的信号模式，采用对应码制解调来波信号，并进行DOA估计；

步骤3、进行接收站的粗定位和精定位；

步骤3.1、通过直接测量所得各发射站的来波到达角与已知的发射站地理坐标，利用大圆定位算法，采用交汇定位的方式对接收站进行粗定位；

步骤3.2、根据粗定位结果通过优化算法对来波到达角进行校正，利用校正后的来波到达角再次采用交汇定位的方式对接收站进行精定位；获得接收站的经纬度。

在上述的新体制超视距短波定位系统的定位方法中，步骤2所述接收部分进行DOA估计采用空间干涉法或者是超分辨率谱估计方法。

在上述的新体制超视距短波定位系统的定位方法中，步骤3.1所述大圆定位算法包括：求得接收部分所收到的各短波发射站信号传播射线所在大圆平面的法向量；接收站位于各传播射线所在大圆的交点，通过求得任意两条传播射线所在大圆平面的法向量的公共垂直向量并结合接收站必须在地球表面的条件计算出接收站坐标。

在上述的新体制超视距短波定位系统的定位方法中，步骤3.2所述优化算法包括：获得粗定位结果之后，假定该定位点为准确点的前提下，计算出各个发射站相对于该定位点的方位角，将该方位角与由接收站测得方位角进行求差值的绝对值和；以此作为一个衡量定位点与准确点之间误差的判据，在小范围内对到达角进行搜索，并计算新的接收站位置，然后依靠接收站、发射站的位置反过来考察到达角的准确性，寻找匹配的到达角与接收站坐标对对粗定位结果进行修正，实现精确定位。

本发明的有益效果：1、本发明结合天波超视距传播机理和测向交汇定位技术，不依赖于卫等复杂昂贵的信号即可实现定位导航，成本低廉。

2、采用具有相互正交特性的编码短波信号，不同发射台站即使工作于同频状态也不会相互影响，具有较高的信噪比、抗干扰性与测角精度。

3、其站点布置要求不严格，仅需明确发射站精确地理坐标即可，灵活性大。

4、设备简单，短波发射站与接收站均便于移动，具有极强的机动性。

5、组网方便，接收站不发射信号，隐蔽性强。

6、采用短波超视距定位的方法，远距离的接收终端也可以很方便的接受服务。

7、对发射站数目无上限要求，扩展方便，且发射站数目越多定位准确性越强。

实现了不依赖于卫星、VLF等导航信号的短波超视距定位，具有成本低廉、灵活性大、隐蔽与机动性强、扩展性好优点。

附图说明

图1为本发明一个实施例新体制超视距短波定位系统结构示意图；

图2为本发明一个实施例定位方法工作流程图；

图3为本发明一个实施例陆基远程无线电定位工作示例图；

图4为本发明一个实施例大圆算法的信号传播示意图；

图5为本发明一个实施例大圆算法的局部示意图；

图6为本发明一个实施例射线大圆相交示意图；

图7为本发明一个实施例局部搜索定位示意图；

图8为本发明一个实施例互补码自相关特性图；

图9为本发明一个实施例完互补码互相关特性示意图

图10为本发明一个实施例有源测向方式信号频谱图；

图11为本发明一个实施例无源接收方式信号频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例提供一种能够实现不依赖于卫星、VLF等导航信号的短波超视距定位，具有成本低廉、灵活性大、隐蔽与机动性强、扩展性好优点的新体制短波超视距定位系统及定位方法。

本实施例通过以下技术方案来实现，一种新体制超视距短波定位系统，包括短波发射分部分、接收部分、修正部分。短波发射部分依靠电离层反射实现短波信号的大范围覆盖。修正部分与接收部分在接收站实现。接收部分采用多通道接收机与阵列天线对天波信号进行DOA估计，并结合已知的发射站地理坐标实现自定位。修正部分则根据电离层模型对DOA估计结果进行修正，提高定位精度。

而且，短波发射部分需至少包含三个短波发射站，进行长基线布站(例如三角形、Y形或星形)，拥有精确的地理坐标，组成高频斜向发射台链，发射具有相互正交特性的编码短波信号。

并且，短波发射部分采用宽带的发射系统。为了根据电离层变化规律，发射合适频段的短波信号，实现300-3000公里的距离覆盖，工作频段采用5-30MHz。其电波发射频率选择依据多样，即可依靠全球的固定电离层模型选择，也可根据传播路径上的电离层探测台站的实时分析结果进行选频。

而且，接收部分利用短基线宽带接收天线阵列接收所有短波发射台站信号，并依据各发射站编码序列的不同区分信号来源，然后对按码制进行相关处理后的信号进行到达角估计，以提高信噪比、抗干扰性与测角精度。

一种新体制超视距短波定位的方法，包括短波发射分部分、接收部分、修正部分。其中短波发射部分依靠三台或三台以上的短波发射站，多个短波发射站进行长基线布置，发射具有相互正交特性的短波信号，经电离层反射传播到远方。而接收部分利用阵列天线接收各短波发射站的短波信号，依靠已知的编码方式区分多个信号来源，通过测量多个天波信号到达角的方位角信息，并结合已知的短波发射站地理坐标实现接收站的自定位。修正部分根据粗定位结果进行小范围局部优化搜索修正定位结果。

根据接收站所测得的各短波发射站信号的来波到达角与已知的短波发射站地理经纬度坐标进行交汇式自定位。接收站的自定位过程分为粗定位与精定位两步进行。

粗定位采用接收站测量的来波到达角进行定位，获得大致位置；精定位在粗定位之后进行，接收站的自定位过程分为粗定位与精定位两步进行计算，粗定位计算采用大圆定位算法，精定位计算采用优化算法。

大圆定位算法的原理为：首先求得接收站所收到的各短波发射站信号传播射线所在大圆平面的法向量；接收站位置应在各传播射线所在大圆的交点上，因此可通过求得任意两条传播射线所在大圆平面的法向量的公共垂直向量并结合接收站必须在地球表面的条件计算出接收站坐标。

精确定位在粗定位之后进行，依据粗定位的结果与已知的短波发射站地理坐标，在小范围内对到达角进行搜索，并计算新的接收站位置，然后依靠接收发射站的位置反过来考察到达角的准确性，寻找匹配的到达角与接收站坐标对，作为本方法的修正部分对来波到达角进行修正，实现精定位。

接收站交汇定位的结果仅依赖于已知的发射站地理坐标与接收站DOA估计的方位角信息，较低精度的仰角测量结果不会对定位结果造成影响。

具体实施时，如图1所示，一种新体制短波超视距定位系统，包括短波发射部分、接收部分、修正部分。短波发射台发射具有相互正交特性的短波信号，并通过电离层传播实现大范围覆盖。修正部分与接收部分共同组成接收站。接收站通过对天波信号根据已知的编码序列进行相关处理，确定信号来源并进行DOA估计，再结合已知的各短波发射站地理坐标以交汇定位的方式实现自定位。修正方法则以一种局部搜索最优化的方式对粗定位结果进行修正，提高定位精度。

如图2所示，一种新体制短波超视距定位方法的工作流程为：首先短波信号采用具有相互正交特性的编码方式由分布于多地的短波发射站发射，经电离层的反射作用，短波信号被远方的接收部分所接收；接收部分通过接收天线阵所获得的多通道信号进行DOA估计，并依靠公开已知的发射站地理坐标采用交汇定位的方式对接收站本身进行粗略的大致定位；然后根据粗定位结果依据电离层模型对已测得的各短波发射站来波到达角进行修正；最后再使用修正过的来波到达角，根据短波发射站地理坐标对接收站自身进行精定位并输出接收站自身的经纬度。

短波发射部分由至少三个短波发射站组成，进行长基线布站(例如三角形、Y形或星形)，各短波发射站拥有精确的地理坐标，并为所有接收站所知，组成高频斜向发射台链。

短波发射部分为宽带系统，按电离层变化规律，发射合适频段的高频电磁波，实现300-3000公里的距离覆盖，工作频段为5-30MHz。

为区别各短波发射台站的信号，各短波发射站的短波信号可以采用具有正交特性的调制信号，使接收站可以实现来波到达角与发射站地理坐标的配对。

相对应的，接收站的接收部分采用宽带短基线的天线阵列，根据短波发射站的信号模式，在接收部分依次采用对应码制解调到达信号，并进行DOA估计。

接收部分对于来波信号的DOA估计采用空间干涉法或者是超分辨率谱估计方法，特别是对于采用对应码序列相关处理后的信号来说，测向所用信号序列具有较高的信噪比与抗干扰性，具有较好的估计精度。

接收站的自定位过程分为粗定位与精确定位两步进行：

A.首先依靠直接测量的来自各短波发射站的天波信号到达角与已知的短波发射站地理坐标，利用创新的大圆算法，采用交汇定位的方式计算接收站的大致位置。其大圆算法流程为：首先求得接收站所收到的各短波发射站信号传播射线所在大圆平面的法向量；接收站位置应在各传播射线所在大圆的交点上，因此可通过求得任意两条传播射线所在大圆平面的法向量的公共垂直向量并结合接收站必须在地球表面的条件计算出接收站坐标。

B.然后根据粗定位结果通过优化算法对来波到达角进行适当校正，利用校正后的来波到达角再次采用交汇定位的方法实现对接收站的精定位。其中优化算法的方法为：获得定位点粗略结果之后，在假定该定位点为准确点的前提下，可以计算出各个发射站相对于该定位点的方位角，此时，就可以将该方位角与原来由接收站测得方位角进行求差值的绝对值和，并以此作为一个衡量定位点与准确点之间误差的判据，在小范围内对到达角进行搜索，并计算新的接收站位置，然后依靠接收发射站的位置反过来考察到达角的准确性，寻找匹配的到达角与接收站坐标对对粗定位结果进行修正，实现精确定位。

图3所示为本实施例陆基远程无线电定位工作示例图，三台(或多台)短波发射站(图中A，B，C所示)分别设于不同的位置，其地理经纬度坐标已知即可。根据电离层变化规律，采用一组相互正交的完全互补码，发射合适频段的短波信号，其电波覆盖距离可达300-3000公里。接收站(图中T所示)位于信号覆盖区域，同步接收来自三个短波发射站的高频信号，并精确测量每个波的到达角。

如图4所示为一个信号的球面传播模型，可作为大圆算法的信号传播示意图；设已知点A经度为θ，纬度为接收站T所测得的方位角(由所在点经线正北方向顺时针旋转至方位向得到角度)为α，其中传播路径所在的大圆面法向量为未知量，为了便于求得取出上图中一部分如图5所示，进一步研究几何关系。

其中面OAC⊥面OBC,做B点处切平面BDE，DE为该面与面OAC交线；再做A点处切平面AFG，FG为该面与面OBC交线。其中OA、OB和OC为地球半径r。β和分别为γ，∠COB与∠EBD。由几何关系做如下推导：

BD＝r·tanβ

然后可有求得的β和γ来表示出大圆面法向量。设大圆面法向量

对于任意两个发射站，求得两射线所在的两大圆面交线与球面的两交点，也就是两条射线可能在地球表面上相交的点坐标即为接收站位置。如图6所示第一短波发射站和第二短波发射站射线路径分别对应两个大圆。两大圆路径的交点，即定位点向量，由于同时在两大圆面上，满足与两法向量垂直关系。由此问题演变为求两个法向量的公共垂直向量。设已知向量 定位点所在向量则可列出方程组：

其中r为地球半径，方程组有两组解，按照实际应用情况，选取距离两发射站较近的解作为定位点，获得粗定位结果。

然后根据粗定位定位结果与到达角按前面所述的方法进行修正，图7直观的展示了这一方法。

如图8与图9所示，当采用具有相互正交特性的编码信号时(在此例中采用完全互补码序列)，各发射站具有较好的自相关特性，这便于脉冲压缩与信号的增强，而相互之间良好的互相关特性也有力地保证了多个发射站之间的信号隔离，更便利于信号来源的区分与信道间的抗干扰性。

如图10所示，为采用有源测向的方式信号频谱图，相较于如图11所示的采用无源接收方式信号频谱图可以获得更好的信杂比，对于杂波信号有很好的抗干扰性，更有利于提高测向精度。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种新体制超视距短波定位系统，其特征是，包括短波发射部分和接收站；短波发射部分包含至少三个短波发射站，用于发射具有相互正交特性的短波信号，通过电离层传播；接收站包括接收部分与修正部分；接收部分采用多通道接收机与阵列天线，用于对天波信号进行DOA估计，并结合已知的短波发射站地理坐标实现自定位；修正部分用于依据电离层模型对DOA估计结果进行修正。

2.如权利要求1所述的新体制超视距短波定位系统，其特征是，短波发射部分采用三角形、Y形或星形进行长基线布站，形成高频斜向发射台链；用于发射具有相互正交特性的调制信号。

3.如权利要求1所述的新体制超视距短波定位系统，其特征是，短波发射部分采用宽带发射系统，用于根据电离层变化规律，发射对应频段的短波信号，实现300-3000公里的距离覆盖，其工作频段采用5-30MHz。

4.如权利要求1所述的新体制超视距短波定位系统，其特征是，接收部分采用宽带短基线天线阵列，用于接收短波发射站信号，并依据各发射站编码序列区分信号来源，对按码制进行相关处理后的信号进行到达角估计。

5.如权利要求1～4任一项所述的新体制超视距短波定位系统的定位方法，其特征是，根据接收站所测得的各短波发射站信号的来波到达角与已知的短波发射站地理坐标进行交汇式自定位；包括以下步骤：

步骤1、各短波发射站发射具有相互正交特性的短波信号，并通过电离层反射；

步骤2、接收部分接收来波信号，并根据短波发射站的信号模式，采用对应码制解调来波信号，并进行DOA估计；

步骤3、进行接收站的粗定位和精定位；

步骤3.1、通过直接测量所得各发射站的来波到达角与已知的发射站地理坐标，利用大圆定位算法，采用交汇定位的方式对接收站进行粗定位；

步骤3.2、根据粗定位结果通过优化算法对来波到达角进行校正，利用校正后的来波到达角再次采用交汇定位的方式对接收站进行精定位；获得接收站的经纬度。

6.如权利要求5所述的新体制超视距短波定位系统的定位方法，其特征是，步骤2所述接收部分进行DOA估计采用空间干涉法或者是超分辨率谱估计方法。

7.如权利要求5所述的新体制超视距短波定位系统的定位方法，其特征是，步骤3.1所述大圆定位算法包括：求得接收部分所收到的各短波发射站信号传播射线所在大圆平面的法向量；接收站位于各传播射线所在大圆的交点，通过求得任意两条传播射线所在大圆平面的法向量的公共垂直向量并结合接收站必须在地球表面的条件计算出接收站坐标。

8.如权利要求5所述的新体制超视距短波定位系统的定位方法，其特征是，步骤3.2所述优化算法包括：获得粗定位结果之后，假定该定位点为准确点的前提下，计算出各个发射站相对于该定位点的方位角，将该方位角与由接收站测得方位角进行求差值的绝对值和；以此作为一个衡量定位点与准确点之间误差的判据，在小范围内对到达角进行搜索，并计算新的接收站位置，然后依靠接收站、发射站的位置反过来考察到达角的准确性，寻找匹配的到达角与接收站坐标对对粗定位结果进行修正，实现精确定位。