CN111337875B - 一种空间多站多体制降维定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种空间多站多体制降维定位方法，该方法采用多站定位系统实现，所述多站定位系统包括主观测装置和多个从观测装置，所述主观测装置和所述从观测装置均用于获取含有电磁信号源信号特征的观测量，且所述多站定位系统获取的不同观测量不少于五种，所述主观测装置定期与各所述从观测装置通信，获取各观测量并进行信号源定位。本发明能够对不同信号源位置选取最合适的定位体制，充分利用观测资源，提升对信号源的定位精度，并通过降低矩阵计算维度实现计算量缩减。

Description

一种空间多站多体制降维定位方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种空间多站多体制降维定位方法。

背景技术

空间对地信号源定位技术可以实现对地面电磁信号源的观测。地面电磁信号源是指能够对外辐射电磁信号的设备，包括长短波电台、无线电视塔、移动通信信号塔等固定电磁信号源，还包括车载电台、车载基站等移动辐射源。空间平台可根据监测区域的规模及复杂程度进行选择，采用常见飞行平台，如无人飞行器等。空间平台通过感知电磁信号的特征，实现对地面电磁信号源信息的观测。

电磁信号源的定位可以根据观测量的不同选取不同的定位体制。简单系统可以使用单一电磁信号侦收定位体制进行定位，常见的定位体制包括时差定位体制、频差定位体制、测向定位体制等。进一步地，也可以根据电磁信号源分布情况综合使用多种定位体制进行定位。在空间环境中利用多种观测量进行定位，可以结合各种定位体制的优势。然而，在复杂的电磁环境(如城市人流集中区)中，电磁信号源存在于待测量区域的不同地点，同一种定位体制对不同区域的电磁信号源定位精度不同，难以保证定位的有效性和准确性。

发明内容

本发明的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种针对电磁信号源的实际位置选取最合适定位体制的多观测量定位方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种空间多站多体制降维定位方法，该方法采用多站定位系统实现，所述多站定位系统包括主观测装置和多个从观测装置，所述主观测装置和所述从观测装置均用于获取含有电磁信号源信号特征的观测量，且所述多站定位系统获取的不同观测量不少于五种，至少包括电磁信号到达时间，所述主观测装置定期与各个所述从观测装置通信，获取各观测量并进行降维定位；

降维定位包括如下步骤：

S1、所述主观测装置与各个所述从观测装置通信，获取所有有效观测量，根据各个不同观测量，得到电磁信号源位置向量X的各个观测方程式，总计M个；

S2、所述主观测装置对M个观测方程式分别求导，得到1×3维向量，表达式为：

其中，电磁信号源位置向量

L为电磁信号源纬度，B为电磁信号源经度，H为电磁信号源高程信息，j＝1、2、…M；

S3、将M个1×3维向量组合为M×3维的雅克比矩阵A，表达式为：

解算上述矩阵A的奇异值，得到最大奇异值σ_max及最小奇异值σ_min，计算其比值表达式为：

K＝σ_max/σ_min；

任意选取矩阵A中三行，按列排列其相应的1×3维向量进行组合，得到

个不同的3×3的观测矩阵Q_a；

S4、逐个计算每个观测矩阵Q_a的矩阵的最大奇异值与最小奇异值的比值k_a，并与K比较，当k_a<K时，用k_a更新K，最终选出最小的比值对应的观测矩阵Q_{a_min}；

S5、通过最终选出的观测矩阵Q_{a_min}及其对应的观测量进行定位，确定电磁信号源位置。

优选地，所述步骤S1中，所述主观测装置与各个所述从观测装置通信，获取所有有效观测量时，识别所述多站定位系统中失效的从观测装置以及正常运行的从观测装置，从正常运行的从观测装置获取观测量。

优选地，所述多站定位系统中，所述主观测装置和所述从观测装置均具备时间计时、自身速度测量、自身加速度测量功能，能够提取电磁信号到达时间、频率。

优选地，所述多站定位系统中，所述主观测装置和各个所述从观测装置通过无线方式通信，所述主观测装置用于获取无线通信信号，并根据无线通信信号测量相对延时、相对频偏，计算相对距离、相对速度。

优选地，所述多站定位系统中，所述主观测装置还用于利用无线通信信号实现时间同步。

优选地，所述多站定位系统中，所述主观测装置和各个所述从观测装置设有全球定位系统芯片，用于获得其自身相对于定位系统坐标的位置、速度信息。

优选地，所述多站定位系统中，所述主观测装置设有加速度测量芯片，用于获得其自身对于俯仰、方位、滚转三向的姿态信息。

优选地，所述主观测装置前端设有圆形阵天线，所述圆形阵天线包括多个天线单元，各个所述天线单元沿圆形周向均匀间隔分布，能够提取电磁信号到达相位。

优选地，所述步骤S1中，根据各不同观测量得到电磁信号源位置向量X的各个观测方程式时，得到的观测方程式包括到达时间差观测方程、频率差观测方程及到达角度观测方程。

优选地，所述步骤S1中，根据各不同观测量得到电磁信号源位置向量X的各个观测方程式时，得到的观测方程式还包括相位差变化率观测方程，所述相位差变化率观测方程以电磁信号到达相位差变化率信息作为观测量得到。

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种空间多站多体制降维定位方法，该方法采用多站定位系统实现，包括主观测装置和多个从观测装置，主观测装置进行信息汇总及信号源信号特征获取，从观测装置仅进行信号源信号特征获取，主观测装置和从观测装置获取多种观测量后，通过筛选，针对多种观测量构成的定位矩阵，通过降低矩阵计算维度实现计算量缩减，对不同信号源位置选取最合适的定位体制，充分利用观测资源并减小计算量，提升对电磁信号源的定位精度。

附图说明

图1是本发明实施例中一种多站定位系统示意图；

图2是本发明实施例中一种空间多站多体制降维定位方法流程示意图；

图3是本发明实施例中一种圆形阵天线示意图。

图中：1：主观测装置；2：从观测装置；3：电磁信号源。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

如图1至图3所示，本发明实施例提供的一种空间多站多体制降维定位方法，采用多站定位系统实现，多站定位系统包括主观测装置1和多个从观测装置2，主观测装置1和从观测装置2均用于获取含有电磁信号源3信号特征的观测量，且多站定位系统总计获取的不同观测量不少于五种，优选包括电磁信号到达时间。主观测装置1定期与各个从观测装置2通信，获取各观测量并进行降维定位，对不同区域的电磁信号源3的实际位置选取最合适的定位体制。图1示出了一种多站定位系统，包括设于空间平台的主观测装置1和若干个从观测装置2，主观测装置1进行信息汇总及信号源信号特征获取，从观测装置2仅进行信号源信号特征获取。

如图2所示，降维定位具体包括如下步骤：

S1、主观测装置1与各个从观测装置2通信，获取多站定位系统可获取的所有有效观测量，根据各个不同观测量，得到所测量的电磁信号源3位置向量X的各个观测方程式，不同的观测量得到不同的观测方程，根据实际情况总计M个，M为大于等于5的正整数。

多站定位系统中，各个从观测装置2彼此之间相比较，或与主观测装置1相比较，可以获取相同的观测量，也可以获取不同的观测量，通常情况下，有效运作的从观测装置2多，相应的，可获取的有效观测量也多。因此，该多站定位系统可获取的所有有效观测量，根据其主观测装置1与各个从观测装置2具体配置不同而发生改变。

考虑在实际使用过程中，某些从观测装置2还可能出现失效、故障等问题，M值根据系统实际运行状况可能随时间有所不同，能够利用的观测量及相应的定位体制也会发生变化，优选地，步骤S1中，主观测装置1与各个从观测装置2通信，获取所有有效观测量时，先识别多站定位系统中失效的从观测装置2以及正常运行的从观测装置2，从正常运行的n个从观测装置2中获取观测量，与主观测装置1获取的观测量进行汇总。进一步地，主观测装置1每间隔时间t与各个从观测装置2通信一次，识别多站定位系统中失效的从观测装置2以及正常运行的从观测装置2并确认正常运行的从观测装置2数量n，间隔时间t可根据实际需要设置，以便及时调整定位方式，针对具体信号源位置采用最优定位体制。更进一步地，主观测装置1还用于在正常运行的从观测装置2数量n少于预设的装置阈值时报错，提醒使用者当前工作状态已难以准确进行多站多体制定位。

S2、主观测装置1对步骤S1中得到的M个观测方程式分别求导，得到M个1×3维向量，表达式为：

其中，电磁信号源位置向量

L为电磁信号源纬度，B为电磁信号源经度，H为电磁信号源高程信息，j＝1、2、…M。

S3、将M个1×3维向量组合为M×3维的雅克比矩阵A，表达式为：

解算上述矩阵A的奇异值，得到最大奇异值σ_max及最小奇异值σ_min，计算其比值表达式为：

K＝σ_max/σ_min；

任意选取矩阵A的M行中的三行，按列排列其相应的1×3维向量进行组合，得到

个不同的3×3的观测矩阵Q_a；

S4、逐个计算每个观测矩阵Q_a(为显示清楚，图2中表示为Q_a)的矩阵的最大奇异值与最小奇异值的比值k_a(为显示清楚，图2中表示为K_a)，并与K比较，当k_a<K时，用k_a更新K，即初始时令K＝k_min，若存在k_a<K，则将k_a数值赋予k_min，计算每个观测矩阵Q_a后，最终选出最小的比值k_{a_min}(为显示清楚，图2中表示为K_a_min)对应的观测矩阵Q_{a_min}(为显示清楚，图2中表示为Q_a_min)。通过此步骤，实现了将原有的M个定位维度下降为3维，从而实现计算量的减小。

S5、通过最终选出的观测矩阵Q_{a_min}及其对应的观测量进行定位，确定电磁信号源位置。

本发明基于空间多站定位系统提出了一种多体制降维定位方法，通过主观测装置1和从观测装置2获取多种不同的观测量，并定期基于电磁信号源3的实际位置对多种观测量进行优化筛选，针对由多观测量构成的观测矩阵的特性，选取最佳的定位方法，并有效减少优选定位方法的计算量，提高运算效率，便于工程实现，本发明能够实时寻找最优观测量组合，提高定位精度，特别是在对特殊地理位置进行无源定位时，可自动寻找最优定位观测量组合进行定位计算，从而提升定位效果。

优选地，多站定位系统中，主观测装置1和从观测装置2均具备时间计时、自身速度测量、自身加速度测量功能，能够提取电磁信号到达时间、频率。进一步地，主观测装置1前端设有圆形阵天线，圆形阵天线包括多个天线单元，如图3所示，各个天线单元沿圆形周向均匀间隔分布，构成环形结构，能够提取电磁信号到达相位。

时差定位体制是一种广泛应用的多站定位方法，其基于观测量电磁信号到达时间实现定位，具备定位精度较高、对测量精度需求较低的特点。频差定位体制、测向定位体制也是常用的定位体制，频差定位体制需要测量信号到达频率，测向定位体制需要测量信号到达相位。如图2所示，在一个优选的实施方式中，多个从观测装置2均获取两种观测量：电磁信号到达时间信息和频率信息，主观测装置1获取三种观测量：电磁信号到达时间信息、频率信息和相位信息。为克服电磁信号源3定位精度非最优组合的问题，提升电磁信号源3定位精度，在测量电磁信号到达时间的基础上，增加电磁信号频率测量及电磁信号相位测量，有利于对电磁信号源3的实际位置选取最合适的定位体制。

优选地，步骤S1中，根据各不同观测量得到电磁信号源3位置向量X的各个观测方程式时，得到的观测方程式包括到达时间差观测方程、频率差观测方程及到达角度观测方程。本发明在同一观测装置平台基础上，通过充分利用电磁信号到达时间、到达频率、到达角度等观测量，提高定位精度。

优选地，步骤S1中，根据各不同观测量得到电磁信号源位置向量X的各个观测方程式时，得到的观测方程式还包括单脉冲TOA积累观测方程，单脉冲TOA积累观测方程以电磁信号脉冲到达时间序列变化率信息为观测量得到。

优选地，步骤S1中，根据各不同观测量得到电磁信号源3位置向量X的各个观测方程式时，得到的观测方程式还包括相位差变化率观测方程，相位差变化率观测方程以电磁信号到达相位差变化率信息作为观测量得到。

优选地，多站定位系统中，主观测装置1和各个从观测装置2通过无线方式按照事先约定的通信协议实现通信，主观测装置1及各个从观测装置2获取对方传输过来的无线通信信号，两个观测装置之间根据获取的无线通信信号分别获得相对延时、相对频偏，分别计算得到相对距离、相对速度。“相对”是指“主观测装置1及各从观测装置2之间”，如相对距离是指主观测装置1与从观测装置2之间的距离。通信的两个观测装置收到对方测距信号后立即返回电磁信号，通过测量电磁信号在两个观测装置进行往返延时信息，可获得相对距离信息。通信的两个观测装置按照约定的频率发射电磁信号，对方通过测量收到的电磁信号的频率与约定频率之间的偏移信息，能够获得相对速度信息。

优选地，多站定位系统中，主观测装置1还用于利用无线通信信号实现时间同步。时间同步，即使得从观测装置2实现与主观测装置1的时间统一。各从观测装置2通过与主观测装置1时间同步，能够实现整个系统各个观测装置(主观测装置1、从观测装置2)的时间同步。

优选地，多站定位系统中，主观测装置1和各个从观测装置2设有全球定位系统芯片，例如GPS芯片等，用于获得其自身(主观测装置1、从观测装置2)相对于定位系统坐标的位置、速度信息。

优选地，多站定位系统中，主观测装置1设有加速度测量芯片，例如MEMS陀螺芯片等，用于获得其自身对于俯仰、方位、滚转三向的姿态信息。

本发明提供的空间多站多体制降维定位方法能够充分利用各类信号源定位体制，如时差定位体制、频率差定位体制，并且在主观测装置1上通过采用圆形阵天线，具备测向功能的同时，还能够采用相位差变化率体制进行定位，实现了利用多种观测量进行空间平台的定位，相比单观测量的定位体制如时差定位体制，提升了可靠性、准确性，在多站定位系统的单机或者整体装置发生损坏，或者出现非共视环境时，能够保证系统的完整性及非共视条件下的定位，并且提升了定位精度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种空间多站多体制降维定位方法，其特征在于，采用多站定位系统实现，所述多站定位系统包括主观测装置和多个从观测装置，所述主观测装置和所述从观测装置均用于获取含有电磁信号源信号特征的观测量，且所述多站定位系统获取的不同观测量不少于五种，所述主观测装置定期与各个所述从观测装置通信，获取各观测量并进行降维定位；

降维定位包括如下步骤：

S1、所述主观测装置与各个所述从观测装置通信，获取所有有效观测量，根据各个不同观测量，得到电磁信号源位置向量X的各个观测方程式，总计M个；

S2、所述主观测装置对M个观测方程式分别求导，得到1×3维向量，表达式为：

其中，电磁信号源位置向量

L为电磁信号源纬度，B为电磁信号源经度，H为电磁信号源高程信息，g_j表示第j个观测方程式，j＝1、2、…M；

S3、将M个1×3维向量组合为M×3维的雅克比矩阵A，表达式为：

解算上述矩阵A的奇异值，得到最大奇异值σ_max及最小奇异值σ_min，计算其比值表达式为：

K＝σ_max/σ_min；

任意选取矩阵A中三行，按列排列其相应的1×3维向量进行组合，得到

个不同的3×3的观测矩阵Q_a；

S4、逐个计算每个观测矩阵Q_a的矩阵的最大奇异值与最小奇异值的比值k_a，并与K比较，当k_a<K时，用k_a更新K，最终选出最小的比值对应的观测矩阵Q_{a_min}；

S5、通过最终选出的观测矩阵Q_{a_min}及其对应的观测量进行定位，确定电磁信号源位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述主观测装置与各个所述从观测装置通信，获取所有有效观测量时，识别所述多站定位系统中失效的从观测装置以及正常运行的从观测装置，从正常运行的从观测装置获取观测量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述多站定位系统中，所述主观测装置和所述从观测装置均具备时间计时、自身速度测量、自身加速度测量功能，能够提取电磁信号到达时间、频率。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述多站定位系统中，所述主观测装置和各个所述从观测装置通过无线方式通信，所述主观测装置用于获取无线通信信号，并根据无线通信信号测量相对延时、相对频偏，计算相对距离、相对速度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述多站定位系统中，所述主观测装置还用于利用无线通信信号实现时间同步。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述多站定位系统中，所述主观测装置和各个所述从观测装置设有全球定位系统芯片，用于获得其自身相对于定位系统坐标的位置、速度信息。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述多站定位系统中，所述主观测装置设有加速度测量芯片，用于获得其自身对于俯仰、方位、滚转三向的姿态信息。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述主观测装置前端设有圆形阵天线，所述圆形阵天线包括多个天线单元，各个所述天线单元沿圆形周向均匀间隔分布，能够提取电磁信号到达相位。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤S1中，根据各不同观测量得到电磁信号源位置向量X的各个观测方程式时，得到的观测方程式包括到达时间差观测方程、频率差观测方程及到达角度观测方程。

10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤S1中，根据各不同观测量得到电磁信号源位置向量X的各个观测方程式时，得到的观测方程式还包括相位差变化率观测方程，所述相位差变化率观测方程以电磁信号到达相位差变化率信息作为观测量得到。

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