CN111366921A - 基于距离加权融合的双站雷达交叉定位方法、系统及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于距离加权融合的双站雷达交叉定位方法、系统及介质,该双站交叉定位算法包含:两雷达在探测同一目标时,依据两雷达视线(LOS)在空间中构成两条异面直线的关系,在以融合中心为原点的测量坐标系下,计算这两条异面直线的公垂线段,分别求出两LOS上的公垂点坐标;利用两雷达测角精度与两雷达站心到各自LOS上垂点的距离,确定权重值,进行距离加权融合计算,得到以融合中心为原点的测量坐标系下的目标坐标。通过本发明能够提高双站雷达交叉定位下的目标精度。
Description
技术领域
本发明涉及雷达数据融合技术领域,具体地,涉及一种基于距离加权融合的双站雷达交叉定位方法、系统及介质。
背景技术
现代雷达在战场上面临的电磁环境复杂多变,雷达受到有源干扰时,可能无法准确测得目标回波延时,从而失去对目标/干扰源的测距能力,此时雷达通常采用被动跟踪干扰源的方式,通过测量干扰源的方位角与俯仰角,保证对干扰源的跟踪。如果将雷达站心和目标均简化为三维空间的点,那么根据方位角、俯仰角可以确定一条源自雷达站心经过目标的视线(line of sight,LOS)。测向交叉定位是利用两条或多条目标视线LOS交会来进行定位的方法,其在雷达目标定位中有广泛应用。若有两个及以上雷达对同一目标进行协同探测时,可以利用多个雷达在几乎同一时刻的测角信息进行交叉定位,获得目标/干扰源的距离信息,确定目标位置。
实际情况下,若两雷达在探测同一目标,因为测量误差和噪声的影响,它们的LOS通常不会交于一点,而是在空间中形成两条异面直线的关系,这两条由雷达LOS构成的异面直线一般也不会相距很远。基于这类异面直线最小距离法的测向交叉定位算法,直接将两条LOS射线上距离最近的两点分别作为两站对目标位置的估计,基线附近的定位盲区与传统三角定位相比也有较大改善。但当其应用于双站定位时,不再具体考虑雷达测角误差以及目标与雷达的距离所带来的定位不确定性,因此定位精度仍有改善的空间。
专利文献CN103954940B(申请号:201410036360.7)公开了一种雷达网基于交叉定位点聚类的集中式与分布式压制干扰鉴别方法,属于雷达组网抗干扰技术领域。集中式与分布式压制干扰是对雷达网威胁较大的两种干扰类型,当存在两部集中式压制干扰机时,如何鉴别这两种干扰是目前的难题,本发明即立足于解决该问题。主要包括以下步骤:(一)将三部2D组网雷达获得的干扰源方位角量测输入数据融合中心计算机;(二)构造方位线的解析方程;(三)求解各个方位线相交所得的交叉定位点;(四)采用相似性阈值和最小距离原则进行聚类分析;(五)根据聚类结果进行干扰类型鉴别。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种基于距离加权融合的双站雷达交叉定位方法、系统及介质。
根据本发明提供的基于距离加权融合的双站雷达交叉定位方法,包括:
步骤1:分别以两雷达站站心为原点建立北天东测量坐标系,计算由测量到的两雷达方位角、俯仰角与雷达站心连线构成的雷达视线LOS所在直线的方向向量;
确定融合中心,融合中心依据实际情况,在两雷达站中选择其一,或者另选进行融合操作的站址,以融合中心为原点建立北天东测量坐标系,并将两雷达站心坐标以及方向向量转换至以融合中心为原点建立的北天东测量坐标系中;
步骤2:在以融合中心为原点的北天东测量坐标系下计算由两雷达LOS构成的两条异面直线的公垂线段和公垂点的坐标;
步骤3:根据两雷达测角精度与两雷达站心到各自LOS上垂点的距离,确定权重值,进行加权融合,计算出以融合中心为原点的北天东测量坐标系下目标坐标。
优选地,所述步骤1中两雷达LOS所在直线的方向向量计算公式为:
其中,(a′,b′,c′)为雷达1的LOS方向向量,(d′,e′,f')为雷达2的LOS方向向量,αi,βi,i=1,2分别为两雷达在各自测量直角坐标系下方位角与俯仰角的测量值;
当两雷达站相距超出预设范围时,将(a′,b′,c′)与(d′,e′,f')转换至以融合中心为原点的测量坐标系下,转换方法如下:记第i个雷达站大地坐标为(Li,Bi,Hi),融合中心测量坐标系的原点大地坐标为(L0,B0,H0),计算旋转矩阵,代入经纬度数值时直接按实际数值,东经为正,西经为负,北纬为正,南纬为负,公式如下:
Li表示:雷达i的经度;
Bi表示:雷达i的纬度;
Hi表示:雷达i的高度;
(a,b,c)表示:转换至融合中心测量直角坐标系下的雷达1的LOS方向向量;
(d,e,f)表示:转换至融合中心测量直角坐标系下的雷达2的LOS方向向量。
优选地,所述步骤2中两雷达LOS上公垂线段的垂点坐标计算公式为:
在以融合中心为原点的测量坐标系下,两雷达LOS所在直线的参数式方程为:
l1:x=at+a0,y=bt+b0,z=ct+c0
l2:x=dt+d0,y=et+e0,z=ft+f0
其中,
t表示:直线的参数式方程中的参数;
雷达1与雷达2站心坐标分别为(a0,b0,c0),(d0,e0,f0),雷达1视线上的垂点A对应参数t1,雷达2视线上的垂点B对应参数t2,计算公式为:
其中,k1=a2+b2+c2,k2=ad+be+cf,k3=a(a0-d0)+b(b0-e0)+c(c0-f0),k4=d2+e2+f2,k5=(a0-d0)d+(b0-e0)e+(c0-f0)f,求出t1、t2后,代入L1和L2式中,求得两垂足A、B的x,y,z形式坐标(x1,y1,z1)与(x2,y2,z2)。
优选地,所述步骤3中利用加权融合求出目标坐标,包括:
其中,R1、R2分别表示雷达1和雷达2站心与各自测量LOS上垂点A、B的距离,以融合中心为原点的测量坐标系下的目标坐标为:
σ1表示:定权过程中的中间变量;
σ2表示:定权过程中的中间变量;
w1表示:加权融合中垂点A对应的权值;
w2表示:加权融合中垂点B对应的权值。
根据本发明提供的基于距离加权融合的双站雷达交叉定位系统,包括:
模块M1:分别以两雷达站站心为原点建立北天东测量坐标系,计算由测量到的两雷达方位角、俯仰角与雷达站心连线构成的雷达视线LOS所在直线的方向向量;
确定融合中心,融合中心依据实际情况,在两雷达站中选择其一,或者另选进行融合操作的站址,以融合中心为原点建立北天东测量坐标系,并将两雷达站心坐标以及方向向量转换至以融合中心为原点建立的北天东测量坐标系中;
模块M2:在以融合中心为原点的北天东测量坐标系下计算由两雷达LOS构成的两条异面直线的公垂线段和公垂点的坐标;
模块M3:根据两雷达测角精度与两雷达站心到各自LOS上垂点的距离,确定权重值,进行加权融合,计算出以融合中心为原点的北天东测量坐标系下目标坐标。
优选地,所述模块M1中两雷达LOS所在直线的方向向量计算公式为:
其中,(a′,b′,c′)为雷达1的LOS方向向量,(d′,e′,f')为雷达2的LOS方向向量,αi,βi,i=1,2分别为两雷达在各自测量直角坐标系下方位角与俯仰角的测量值;
当两雷达站相距超出预设范围时,将(a′,b′,c′)与(d′,e′,f')转换至以融合中心为原点的测量坐标系下,转换方法如下:记第i个雷达站大地坐标为(Li,Bi,Hi),融合中心测量坐标系的原点大地坐标为(L0,B0,H0),计算旋转矩阵,代入经纬度数值时直接按实际数值,东经为正,西经为负,北纬为正,南纬为负,公式如下:
Li表示:雷达i的经度;
Bi表示:雷达i的纬度;
Hi表示:雷达i的高度;
(a,b,c)表示:转换至融合中心测量直角坐标系下的雷达1的LOS方向向量;
(d,e,f)表示:转换至融合中心测量直角坐标系下的雷达2的LOS方向向量。
优选地,所述模块M2中两雷达LOS上公垂线段的垂点坐标计算公式为:
在以融合中心为原点的测量坐标系下,两雷达LOS所在直线的参数式方程为:
l1:x=at+a0,y=bt+b0,z=ct+c0
l2:x=dt+d0,y=et+e0,z=ft+f0
其中,
t表示:直线的参数式方程中的参数;
雷达1与雷达2站心坐标分别为(a0,b0,c0),(d0,e0,f0),雷达1视线上的垂点A对应参数t1,雷达2视线上的垂点B对应参数t2,计算公式为:
其中,k1=a2+b2+c2,k2=ad+be+cf,k3=a(a0-d0)+b(b0-e0)+c(c0-f0),k4=d2+e2+f2,k5=(a0-d0)d+(b0-e0)e+(c0-f0)f,求出t1、t2后,代入L1和L2式中,求得两垂足A、B的x,y,z形式坐标(x1,y1,z1)与(x2,y2,z2)。
优选地,所述模块M3中利用加权融合求出目标坐标,包括:
其中,R1、R2分别表示雷达1和雷达2站心与各自测量LOS上垂点A、B的距离,以融合中心为原点的测量坐标系下的目标坐标为:
σ1表示:定权过程中的中间变量;
σ2表示:定权过程中的中间变量;
w1表示:加权融合中垂点A对应的权值;
w2表示:加权融合中垂点B对应的权值。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
本发明利用雷达测角精度以及雷达与目标的距离,建立目标附近测量误差的分布空间,从而进一步提升定位精度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1是交叉定位场景示意图。
图2是本发明的实施例中目标航线在北天东坐标系下的XOZ面投影示意图。
图3是目标位于图2中CD段时,现有文献与采用本发明的实施例中目标相对于雷达1的斜距误差对比图。
图4是目标位于图2中DF段时,现有文献与采用本发明的实施例中目标相对于雷达1的斜距误差对比图。
图5是目标位于图2中CE段时,现有文献与采用本发明的实施例中目标相对于雷达2的斜距误差对比图。
图6是目标位于图2中EF段时,现有文献与采用本发明的实施例中目标相对于雷达2的斜距误差对比图。
图7是目标位于图2中CD段时,现有文献与采用本发明的实施例中目标方位角误差对比图。
图8是目标位于图2中DF段时,现有文献与采用本发明的实施例中目标方位角误差对比图。
图9是目标位于图2中CD段时,现有文献与采用本发明的实施例中目标俯仰角误差对比图。
图10是目标位于图2中DF段时,现有文献与采用本发明的实施例中目标俯仰角误差对比图。
图11是目标位于图2中CE段时,现有文献与采用本发明的实施例中目标方位角误差对比图。
图12是目标位于图2中EF段时,现有文献与采用本发明的实施例中目标方位角误差对比图。
图13是目标位于图2中CE段时,现有文献与采用本发明的实施例中目标俯仰角误差对比图。
图14是目标位于图2中EF段时,现有文献与采用本发明的实施例中目标俯仰角误差对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的基于距离加权融合的双站雷达交叉定位算法的实施例,该交叉定位算法具体包括以下步骤:
步骤一:分别以两雷达站站心为原点建立北天东测量坐标系,计算由测量到的两雷达方位角、俯仰角与雷达站心连线所构成的雷达视线LOS所在直线的方向向量;确定融合中心,以融合中心为原点建立北天东测量坐标系,并将两雷达站心坐标以及方向向量转换至该测量坐标系下;
步骤二:在以融合中心为原点的测量坐标系下计算由两雷达LOS构成的两条异面直线的公垂线段,求出雷达1视线上公垂点A与雷达2视线上公垂点B的坐标;
步骤三:利用两雷达测角精度与两雷达站心到各自LOS上垂点的距离,确定出权重值,利用加权融合,计算出以融合中心为原点的测量坐标系下目标坐标。
本发明提供的交叉定位算法场景如图1所示。在一个实施例中,以仿真中心作为坐标原点建立北天东测量坐标系,X轴为北向,Z轴为东向,Y轴为天向。目标起始坐标T(55km,5km,55km),匀速平飞,速度V(-100m/s,0,-100m/s),仿真时长950s,采样间隔1s,航线在XOZ面的水平投影示意图如图2所示。两雷达站O1与O2布置在x轴上,坐标分别为O1(30km,0,0),02(10km,0,0),雷达1测角精度均为0.2°,雷达2测角精度均为0.3°,站址误差、地球曲率与坐标轴指向误差忽略不计。
现有文献与采用本发明的实施例中目标相对于雷达1的斜距误差对比情况如图3-4所示,目标相对于雷达2的斜距误差对比情况如图5-6所示;目标相对于雷达1的方位角与俯仰角误差对比情况如图7-10所示,目标相对于雷达2的方位角与俯仰角误差对比情况如图11-14所示。图3-14中,横坐标为目标与两雷达的真实斜距,纵坐标为500次蒙特卡洛实验中斜距/方位角/俯仰角误差的均方根统计值。从该实施例的定位结果分析,如图3-图6所示,采用现有文献与本发明方法在该条航线仿真的最终定位上的斜距误差区别不大;由图9-10与图13-14可知,对于俯仰角误差,在大部分航线区域本发明提供的方法相对于现有文献有明显的改进效果,当目标飞经两雷达基线延长线上空时,本发明方法的俯仰角精度变差,与现有文献的俯仰角精度相当;由图7-8与图11-12可知,对于方位角误差,在大部分航线区域本发明提供的方法与现有文献精度相当,而当目标飞经两雷达基线延长线上空时,本发明方法的方位角精度提高,优于现有文献。由此可见,在基线延长线上空,俯仰角的精度会受到较大影响。总体而言,采用本发明的实施例相较于现有文献,定位精度得到了提高。
本领域技术人员知道,除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外,完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以,本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件,而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构;也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改,这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下,本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (9)
1.一种基于距离加权融合的双站雷达交叉定位方法,其特征在于,包括:
步骤1:分别以两雷达站站心为原点建立北天东测量坐标系,计算由测量到的两雷达方位角、俯仰角与雷达站心连线构成的雷达视线LOS所在直线的方向向量;
确定融合中心,融合中心依据实际情况,在两雷达站中选择其一,或者另选进行融合操作的站址,以融合中心为原点建立北天东测量坐标系,并将两雷达站心坐标以及方向向量转换至以融合中心为原点建立的北天东测量坐标系中;
步骤2:在以融合中心为原点的北天东测量坐标系下计算由两雷达LOS构成的两条异面直线的公垂线段和公垂点的坐标;
步骤3:根据两雷达测角精度与两雷达站心到各自LOS上垂点的距离,确定权重值,进行加权融合,计算出以融合中心为原点的北天东测量坐标系下目标坐标。
2.根据权利要求1所述的基于距离加权融合的双站雷达交叉定位方法,其特征在于,所述步骤1中两雷达LOS所在直线的方向向量计算公式为:
其中,(a′,b′,c′)为雷达1的LOS方向向量,(d′,e′,f')为雷达2的LOS方向向量,αi,βi,i=1,2分别为两雷达在各自测量直角坐标系下方位角与俯仰角的测量值;
当两雷达站相距超出预设范围时,将(a′,b′,c′)与(d′,e′,f′)转换至以融合中心为原点的测量坐标系下,转换方法如下:记第i个雷达站大地坐标为(Li,Bi,Hi),融合中心测量坐标系的原点大地坐标为(L0,B0,H0),计算旋转矩阵,代入经纬度数值时直接按实际数值,东经为正,西经为负,北纬为正,南纬为负,公式如下:
Li表示:雷达i的经度;
Bi表示:雷达i的纬度;
Hi表示:雷达i的高度;
(a,b,c)表示:转换至融合中心测量直角坐标系下的雷达1的LOS方向向量;
(d,e,f)表示:转换至融合中心测量直角坐标系下的雷达2的LOS方向向量。
3.根据权利要求1所述的基于距离加权融合的双站雷达交叉定位方法,其特征在于,所述步骤2中两雷达LOS上公垂线段的垂点坐标计算公式为:
在以融合中心为原点的测量坐标系下,两雷达LOS所在直线的参数式方程为:
l1:x=at+a0,y=bt+b0,z=ct+c0
l2:x=dt+d0,y=et+e0,z=ft+f0
其中,
t表示:直线的参数式方程中的参数;
雷达1与雷达2站心坐标分别为(a0,b0,c0),(d0,e0,f0),雷达1视线上的垂点A对应参数t1,雷达2视线上的垂点B对应参数t2,计算公式为:
其中,k1=a2+b2+c2,k2=ad+be+cf,k3=a(a0-d0)+b(b0-e0)+c(c0-f0),k4=d2+e2+f2,k5=(a0-d0)d+(b0-e0)e+(c0-f0)f,求出t1、t2后,代入L1和L2式中,求得两垂足A、B的x,y,z形式坐标(x1,y1,z1)与(x2,y2,z2)。
5.一种基于距离加权融合的双站雷达交叉定位系统,其特征在于,包括:
模块M1:分别以两雷达站站心为原点建立北天东测量坐标系,计算由测量到的两雷达方位角、俯仰角与雷达站心连线构成的雷达视线LOS所在直线的方向向量;
确定融合中心,融合中心依据实际情况,在两雷达站中选择其一,或者另选进行融合操作的站址,以融合中心为原点建立北天东测量坐标系,并将两雷达站心坐标以及方向向量转换至以融合中心为原点建立的北天东测量坐标系中;
模块M2:在以融合中心为原点的北天东测量坐标系下计算由两雷达LOS构成的两条异面直线的公垂线段和公垂点的坐标;
模块M3:根据两雷达测角精度与两雷达站心到各自LOS上垂点的距离,确定权重值,进行加权融合,计算出以融合中心为原点的北天东测量坐标系下目标坐标。
6.根据权利要求5所述的基于距离加权融合的双站雷达交叉定位系统,其特征在于,所述模块M1中两雷达LOS所在直线的方向向量计算公式为:
其中,(a′,b′,c′)为雷达1的LOS方向向量,(d′,e′,f')为雷达2的LOS方向向量,αi,βi,i=1,2分别为两雷达在各自测量直角坐标系下方位角与俯仰角的测量值;
当两雷达站相距超出预设范围时,将(a′,b′,c′)与(d′,e′,f′)转换至以融合中心为原点的测量坐标系下,转换方法如下:记第i个雷达站大地坐标为(Li,Bi,Hi),融合中心测量坐标系的原点大地坐标为(L0,B0,H0),计算旋转矩阵,代入经纬度数值时直接按实际数值,东经为正,西经为负,北纬为正,南纬为负,公式如下:
Li表示:雷达i的经度;
Bi表示:雷达i的纬度;
Hi表示:雷达i的高度;
(ct,b,c)表示:转换至融合中心测量直角坐标系下的雷达1的LOS方向向量;
(d,e,f)表示:转换至融合中心测量直角坐标系下的雷达2的LOS方向向量。
7.根据权利要求5所述的基于距离加权融合的双站雷达交叉定位系统,其特征在于,所述模块M2中两雷达LOS上公垂线段的垂点坐标计算公式为:
在以融合中心为原点的测量坐标系下,两雷达LOS所在直线的参数式方程为:
l1:x=at+a0,y=bt+b0,z=ct+c0
l2:x=dt+d0,y=et+e0,z=ft+f0
其中,
t表示:直线的参数式方程中的参数;
雷达1与雷达2站心坐标分别为(a0,b0,c0),(d0,e0,f0),雷达1视线上的垂点A对应参数t1,雷达2视线上的垂点B对应参数t2,计算公式为:
其中,k1=a2+b2+c2,k2=ad+be+cf,k3=a(a0-d0)+b(b0-e0)+c(c0-f0),k4=d2+e2+f2,k5=(a0-d0)d+(b0-e0)e+(c0-f0)f,求出t1、t2后,代入L1和L2式中,求得两垂足A、B的x,y,z形式坐标(x1,y1,z1)与(x2,y2,z2)。
9.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。
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