CN111965638B - 基于斜距表征和迭代法的弹载双基雷达定位方法 - Google Patents

基于斜距表征和迭代法的弹载双基雷达定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于斜距表征和迭代法的弹载双基雷达定位方法，实现方案的具体步骤是：1)建立弹载双基雷达三维成像坐标系；2)获取弹载双基雷达地距平面图像；3)获取弹载双基雷达地距平面图像中的匹配点；4)计算弹载双基雷达的双基距离和；5)构建斜距表征的3×1维弹载双基雷达非线性定位矩阵；6)获得3×3维的弹载双基雷达非线性定位矩阵；7)通过迭代法获得弹载双基雷达中的接收雷达的近似最优坐标；8)完成对弹载双基雷达中接收雷达的定位。本发明用于对弹载双基雷达中的接收雷达进行定位，具有定位精度高、适用范围广、鲁棒性好的优点。

Description

基于斜距表征和迭代法的弹载双基雷达定位方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，更进一步涉及雷达信号处理技术领域中的一种基于斜距表征和迭代法的弹载双基雷达定位方法。本发明可用于对弹载双基雷达目标打击时，实现对接收雷达导引头的精确定位。
背景技术
由于传统的单基地雷达在前视时，等距离线和等多普勒线相互平行，所以单基地雷达无法对目标区域进行前视成像。而双基地雷达解决了这一问题，利用发射雷达侧视照射目标，接收雷达前视接收目标回波，进一步提升了合成孔径雷达系统在俯冲末制导阶段的应用，因此研究双基地雷达成像目标定位方法具有很重要的现实意义。
西安电子科技大学在其申请的专利文献“基于双基前视SAR图像的目标定位方法”(公开号：CN106556835B，申请号：201611092582.6，申请日：2016年12月1日)中公开了一种双基雷达目标绝对定位方法。该方法首先利用相邻合成孔径中心时刻的双基雷达的收发平台位置坐标与场景中心点进行几何建模，获取双基雷达的收发平台与场景中心点的距离历程几何关系，接着利用双基雷达的收发平台波束指向角和双基雷达图像，获得场景中心点到接收雷达的相对位置关系，实现对雷达目标的定位。该方法存在的不足之处是，该方法的双基雷达收发平台的波束指向角是通过该方法所建立的双基雷达系统中的惯导数据获得的，而当该方法应用在导弹末制导阶段时，惯导数据中双基雷达收发平台的波束指向角的误差较大，造成后续定位误差过大，无法达到导弹末制导阶段精确制导要求。
南京理工大学在其申请的专利文献“基于无控制点的双机载SAR图像目标定位的方法”(公开号：CN109188433A，申请号：2018109453664，申请日：2018年8月20日)中公开了一种无控制点的双机载目标定位方法。该方法首先采用双机载雷达平行等速构型，通过双机载雷达成像方法，获得双机载雷达平行等速构型的两幅SAR图像，然后将双机载雷达平行等速构型的两幅SAR图像通过图像匹配算法进行图像匹配，得到同一地面目标点分别在双机载雷达平行等速构型的两幅SAR图像中的像素点坐标位置，然后根据双机载雷达平行等速构型的两幅SAR图像中的像素点位置建立距离多普勒方程组，最后通过牛顿迭代法求解该距离多普勒方程组，得到地面目标点的三维位置坐标。该方法存在的不足之处是，该方法要求双机载雷达构型为平行等速构型，所以该方法只能应用在双机载平行等速构型的目标定位中，不能应用于双机载速度不同或双机载轨道不平行的情况中的目标定位，且该方法通过牛顿迭代法求解距离多普勒方程组，没有给出具体的牛顿迭代法的初始迭代点的选取规则，若牛顿迭代法的初始迭代点选取不合理，则该方法失效，无法得到地面目标点的三维位置坐标。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种基于斜距表征和迭代法的弹载双基雷达定位方法。用于解决现有技术中在导弹末制导阶段时，惯导数据中双基雷达收发平台的波束指向角的误差较大，造成后续定位误差过大，无法达到导弹末制导阶段精确制导要求的问题。同时还可用于解决现有技术中要求双机载雷达构型为平行等速构型，所以该方法只能应用在双机载平行等速构型的目标定位中，不能应用于双机载速度不同或双机载轨道不平行的情况中的目标定位的问题。而且还能够解决现有技术中通过牛顿迭代法求解距离多普勒方程组，没有给出具体的牛顿迭代法的初始迭代点的选取规则，若牛顿迭代法的初始迭代点选取不合理，则该方法失效，无法得到地面目标点的三维位置坐标的问题。
实现本发明目的的技术思路是，在避免使用惯导数据中双基雷达收发平台波束指向角的惯导数据的前提下，提出弹载双基雷达在导弹末制导阶段的3×1维非线性定位矩阵的新方法，充分利用图像匹配算法所获得的弹载双基雷达地距平面图像中高精度匹配点的位置信息和弹载双基雷达到任意匹配点的高精度斜距和信息，通过迭代法解算出弹载双基雷达中接收雷达的近似最优坐标，完成对弹载双基雷达中接收雷达的定位。
实现本发明目的的具体步骤如下：
(1)建立弹载双基雷达三维成像坐标系：
以弹载双基雷达场景中任意一点作为坐标原点，以接收雷达的飞行方向作为Y轴的正方向，以垂直地面竖直向上的方向作为Z轴的正方向，以与Y轴正方向和Z轴正方向成右手螺旋准则的方向作为X轴的正方向，建立弹载双基雷达三维成像坐标系；
(2)获取弹载双基雷达地距平面图像：
利用弹载双基雷达成像方法，对弹载双基雷达波束照射场景进行成像，得到弹载双基雷达波束照射场景的地距平面图像；
(3)获取弹载双基雷达地距平面图像中的匹配点：
将星载雷达基准图像和弹载双基雷达地距平面图像的所有像素点，分别带入到弹载双基雷达图像匹配算法中，得到符合图像匹配算法相似性度量要求的弹载双基雷达地距平面图像中的Q个匹配点，其中，Q表示星载雷达基准图像与弹载双基雷达地距平面图像进行匹配得到的匹配点总数；
(4)计算弹载双基雷达的双基距离和：
Ri＝R0+Li
其中，Ri表示弹载双基雷达到第i个匹配点的双基距离和，R0表示弹载双基雷达的波门采样前沿距离，Li表示弹载双基雷达波门采样前沿到第i个匹配点之间的距离；
(5)构建斜距表征的3×1维弹载双基雷达非线性定位矩阵F：
Figure BDA0002641304680000031
其中，xr表示弹载双基雷达中接收雷达r在三维成像坐标系中X轴坐标值，x1表示第1个匹配点在三维成像坐标系中X轴坐标值，yr表示弹载双基雷达中接收雷达r在三维成像坐标系中Y轴坐标值，y1表示第1个匹配点在三维成像坐标系中Y轴坐标值，zr表示弹载双基雷达中接收雷达r在三维成像坐标系中Z轴坐标值，xt表示弹载双基雷达中发射雷达t在三维成像坐标系中X轴坐标值，yt表示弹载双基雷达中发射雷达t在三维成像坐标系中Y轴坐标值，zt表示弹载双基雷达中发射雷达t在三维成像坐标系中Z轴坐标值，R1表示弹载双基雷达到第1个匹配点的双基距离和，x2表示第2个匹配点在三维成像坐标系中X轴坐标值，y2表示第2个匹配点在三维成像坐标系中Y轴坐标值，R2表示弹载双基雷达到第2个匹配点的双基距离和，x3表示第3个匹配点在三维成像坐标系中X轴坐标值，y3表示第3个匹配点在三维成像坐标系中Y轴坐标值，R3表示弹载双基雷达到第3个匹配点的双基距离和；
(6)获得3×3维的弹载双基雷达非线性定位矩阵：
分别对3×1维弹载双基雷达非线性定位矩阵F中的每个元素对应的弹载双基雷达中接收雷达r在三维成像坐标系中的X、Y、Z轴坐标值求一阶偏导，得到3×3维的弹载双基雷达非线性定位矩阵；
(7)通过迭代法获得弹载双基雷达中的接收雷达的近似最优坐标值：
(7a)以弹载双基雷达系统中接收雷达惯导数据包含的X、Y、Z轴坐标值，组成初始迭代点，初始迭代次数k＝0；
(7b)按照下式，计算当前迭代时弹载双基雷达中接收雷达r在三维成像坐标系中的X、Y、Z轴的坐标(xrk,yrk,zrk)，并用当前迭代的坐标值更新上次迭代的坐标值：
Figure BDA0002641304680000041
其中，k表示当前迭代次数，(xrk1,yrk1,zrk1)表示上次迭代k1时弹载双基雷达中接收雷达r在三维成像坐标系中X、Y、Z轴的坐标值，F(xrk1,yrk1,zrk1)表示上次迭代k1时3×1维弹载双基雷达非线性定位矩阵F在(xrk1,yrk1,zrk1)处的值，J(xrk1,yrk1,zrk1)表示上次迭代k1时3×3维弹载双基雷达非线性定位矩阵J在(xrk1,yrk1,zrk1)处的值；
(7c)计算当前迭代精度E：
E＝max[abs(xrk-xrk1),abs(yrk-yrk1),abs(zrk-zrk1)]
其中，max(·)表示取最大值操作，abs(·)表示取绝对值操作；
(7d)判断E是否小于或等于迭代结束精度，若是，则执行步骤(8)，否则，将当前迭代次数加1后执行步骤(7b)；
(8)完成对弹载双基雷达中接收雷达的定位：
将迭代得到的(xrk,yrk,zrk)作为弹载双基雷达中接收雷达的近似最优坐标值，完成对弹载双基雷达中接收雷达的定位。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明构建斜距表征的3×1维弹载双基雷达非线性定位矩阵，通过弹载双基雷达波门采样前沿距离和波门采样前沿距离到匹配点的距离单元总数，得到弹载双基雷达的精确双基距离和，避免使用惯导数据中双基雷达收发平台的波束指向角信息，有效的克服了现有技术在导弹末制导阶段时，惯导数据中双基雷达收发平台的波束指向角的误差较大，造成后续定位误差过大，无法达到导弹末制导阶段精确制导要求的问题，使得本发明对弹载双基雷达中接收雷达的定位精度更高。
第二，由于本发明构建斜距表征的3×1维弹载双基雷达非线性定位矩阵，将星载雷达基准图像和双基雷达地距平面图像的所有像素点，分别带入到双基雷达图像匹配算法中，得到符合图像匹配算法相似性度量要求的双基雷达地距平面图像中的匹配点，有效的克服了现有技术中要求通过双机载雷达平行等速构型获得两幅SAR图像，利用图像匹配算法进行图像匹配，不能应用于双机载速度不同或双机载轨道不平行的情况中的目标定位的问题，使得本发明的适用范围更广，可适用于雷达速度不同和雷达轨道不平行的情况中的弹载双基雷达中接收雷达的定位。
第三，由于本发明通过迭代法求解非线性定位矩阵获得弹载双基雷达中的接收雷达的近似最优坐标值，以弹载双基雷达系统中接收雷达惯导数据包含的X、Y、Z轴坐标值，组成初始迭代点，通过本发明坐标更新公式和迭代迭代精度公式，迭代得到弹载双基雷达中接收雷达的近似最优坐标值，有效的克服了现有技术中通过牛顿迭代法求解距离多普勒方程组，没有给出具体的牛顿迭代法的初始迭代点的选取规则，若牛顿迭代法的初始迭代点选取不合理，则该方法失效，无法得到地面目标点的三维位置坐标的问题，使得本发明的对弹载双基雷达中接收雷达定位的鲁棒性更高。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明仿真实验中所建立的弹载双基SAR定位图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
本发明的实施例中是以弹载双基雷达中的弹载双基合成孔径雷达(SAR)为例，弹载双基雷达的定位原理与弹载双基SAR相同。
参照图1，对本发明的实现步骤作进一步详细描述。
步骤1，建立弹载双基雷达三维成像坐标系。
建立弹载三维成像坐标系时是以弹载双基SAR场景中任意一点作为坐标原点，以接收雷达的飞行方向作为Y轴的正方向，以垂直地面竖直向上的方向作为Z轴的正方向，以与Y轴正方向和Z轴正方向成右手螺旋准则的方向作为X轴的正方向。建立的弹载双基SAR定位图如图2所示。
图2中的R表示弹载双基SAR中的接收雷达，T表示弹载双基SAR中的发射雷达，X,Y,Z分别表示弹载双基SAR三维成像坐标系中的X轴，Y轴，Z轴，O表示弹载双基SAR三维成像坐标系中的坐标原点，ψ表示弹载双基SAR中的接收雷达和发射雷达的轨道夹角，H表示弹载双基SAR三维成像坐标系中与Y轴正方向成ψ夹角的方向，1,2,3表示弹载双基SAR中的接收雷达和发射雷达波束照射目标场景区域中任意选取的三个匹配点。
在导弹末制导阶段，弹载双基SAR中的发射雷达沿着图2中的虚线H方向侧视照射目标场景区域，弹载双基SAR中的接收雷达沿着Y轴正方向前视接收目标场景区域的回波信号。
步骤2，获取弹载双基SAR地距平面图像。
利用弹载双基SAR成像方法，对弹载双基SAR波束照射场景进行成像，得到弹载双基SAR波束照射场景的地距平面图像。
通过弹载双基SAR成像方法，对弹载双基SAR波束照射的目标场景进行成像，得到目标场景的弹载双基SAR斜距平面的图像，将弹载双基SAR斜距平面图像投影到三维成像坐标系中的XOY平面，得到弹载双基SAR地距平面的图像。
步骤3，获取弹载双基SAR地距平面图像中的匹配点。
将星载SAR基准图像和弹载双基SAR地距平面图像的所有像素点，分别带入到弹载双基SAR图像匹配算法中，得到符合图像匹配算法相似性度量要求的弹载双基SAR地距平面图像中的Q个匹配点，其中，Q表示星载SAR基准图像与弹载双基SAR地距平面图像进行匹配得到的匹配点总数。
步骤4，计算弹载双基SAR的双基距离和。
Ri＝R0+Li
其中，Ri表示弹载双基SAR到第i个匹配点的双基距离和，R0表示弹载双基SAR的波门采样前沿距离，Li表示弹载双基SAR波门采样前沿到第i个匹配点之间的距离。
在弹载双基SAR系统中，弹载双基SAR波门采样前沿距离是准确的。利用弹载双基SAR成像算法得到弹载双基SAR地距平面图像，从地距平面图像中获得的波门采样前沿到匹配点之间的距离也是准确的，保证了弹载双基SAR的双基距离和的精度，从而提高了本发明的定位精度。
步骤5，构建斜距表征的3×1维弹载双基SAR非线性定位矩阵F。
Figure BDA0002641304680000071
其中，xr表示弹载双基SAR中接收雷达r在三维成像坐标系中X轴坐标值，x1表示第1个匹配点在三维成像坐标系中X轴坐标值，yr表示弹载双基SAR中接收雷达r在三维成像坐标系中Y轴坐标值，y1表示第1个匹配点在三维成像坐标系中Y轴坐标值，zr表示弹载双基SAR中接收雷达r在三维成像坐标系中Z轴坐标值，xt表示弹载双基SAR中发射雷达t在三维成像坐标系中X轴坐标值，yt表示弹载双基SAR中发射雷达t在三维成像坐标系中Y轴坐标值，zt表示弹载双基SAR中发射雷达t在三维成像坐标系中Z轴坐标值，R1表示弹载双基SAR到第1个匹配点的双基距离和，x2表示第2个匹配点在三维成像坐标系中X轴坐标值，y2表示第2个匹配点在三维成像坐标系中Y轴坐标值，R2表示弹载双基SAR到第2个匹配点的双基距离和，x3表示第3个匹配点在三维成像坐标系中X轴坐标值，y3表示第3个匹配点在三维成像坐标系中Y轴坐标值，R3表示弹载双基SAR到第3个匹配点的双基距离和。
步骤6，获得3×3维的弹载双基SAR非线性定位矩阵。
分别对3×1维弹载双基雷达非线性定位矩阵F中的每个元素对应的弹载双基雷达中接收雷达r在三维成像坐标系中的X、Y、Z轴坐标值求一阶偏导，得到3×3维的弹载双基雷达非线性定位矩阵。
Figure BDA0002641304680000081
其中，J表示3×3维的弹载双基SAR非线性定位矩阵，
Figure BDA0002641304680000082
表示弹载双基SAR非线性定位矩阵F的第1行，第1列元素在xr处的一阶偏导数值，/>
Figure BDA0002641304680000083
表示弹载双基SAR非线性定位矩阵F的第1行，第1列元素在yr处的一阶偏导数值，/>
Figure BDA0002641304680000084
表示弹载双基SAR非线性定位矩阵F的第1行，第1列元素在zr处的一阶偏导数值，/>
Figure BDA0002641304680000085
表示弹载双基SAR非线性定位矩阵F的第2行，第1列元素在xr处的一阶偏导数值，/>
Figure BDA0002641304680000086
表示弹载双基SAR非线性定位矩阵F的第2行，第1列元素在yr处的一阶偏导数值，/>
Figure BDA0002641304680000087
表示弹载双基SAR非线性定位矩阵F的第2行，第1列元素在zr处的一阶偏导数值，/>
Figure BDA0002641304680000088
表示弹载双基SAR非线性定位矩阵F的第3行，第1列元素在xr处的一阶偏导数值，/>
Figure BDA0002641304680000089
表示弹载双基SAR非线性定位矩阵F的第3行，第1列元素在yr处的一阶偏导数值，/>
Figure BDA0002641304680000091
表示弹载双基SAR非线性定位矩阵F的第3行，第1列元素在zr处的一阶偏导数值。
步骤7，通过迭代法获得弹载双基SAR中的接收雷达的近似最优坐标值。
第一步，以弹载双基SAR系统中接收雷达惯导数据包含的X、Y、Z轴坐标值，组成初始迭代点，初始迭代次数k＝0。
第二步，按照下式，计算当前迭代时弹载双基SAR中接收雷达r在三维成像坐标系中的X、Y、Z轴的坐标(xrk,yrk,zrk)，并用当前迭代的坐标值更新上次迭代的坐标值。
Figure BDA0002641304680000092
其中，k表示当前迭代次数，(xrk1,yrk1,zrk1)表示上次迭代k1时弹载双基雷达中接收雷达r在三维成像坐标系中X、Y、Z轴的坐标值，F(xrk1,yrk1,zrk1)表示上次迭代k1时3×1维弹载双基雷达非线性定位矩阵F在(xrk1,yrk1,zrk1)处的值，J(xrk1,yrk1,zrk1)表示上次迭代k1时3×3维弹载双基雷达非线性定位矩阵J在(xrk1,yrk1,zrk1)处的值。
第三步，计算当前迭代精度E。
E＝max[abs(xrk-xrk1),abs(yrk-yrk1),abs(zrk-zrk1)]
其中，max(·)表示取最大值操作，abs(·)表示取绝对值操作。
判断E是否小于或等于迭代结束精度，若是，则执行步骤(8)，否则，将当前迭代次数加1后执行本步骤的第二步。
第四步，根据弹载双基SAR中场景所需要的定位精度来确定迭代结束精度，具体地，若弹载双基SAR中场景所需要的定位精度为1m，则迭代结束精度为1m。若弹载双基SAR中场景所需要的定位精度为0.01m，则迭代结束精度为0.01m。以此类推，确定具体的迭代结束精度。
步骤8，完成对弹载双基SAR中接收雷达的定位。
将迭代得到的(xrk,yrk,zrk)作为弹载双基雷达中接收雷达的近似最优坐标值，完成对弹载双基雷达中接收雷达的定位。
通过迭代法得到弹载双基SAR中接收雷达的近似最优坐标值，采用该坐标值修正弹载双基SAR中接收雷达的轨道参数，从而实现对弹载双基SAR目标的精确打击。
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：
1.仿真实验条件：
本发明的仿真实验的软件平台为：Windows 10操作系统和MATLAB R2018b。
本发明仿真实验的参数如表1所示。
表1本发明仿真实验参数一览表
脉冲宽度 2e-6s 脉冲重复频率 10000Hz
带宽 300e6Hz 采样频率 400e6Hz
载频 15e9Hz 光速 3e8m/s
场景中心点坐标 (0,40000,0) 轨道夹角 30°
接收雷达起始坐标 (0,0,15000) 发射雷达起始坐标 (5148,2917,16000)
接收雷达速度 (0,1000,-300) 发射雷达速度 (0,875,1516)
2.仿真内容及其结果分析：
本发明仿真实验有两个。
仿真实验1：
本发明的仿真实验1是采用本发明和现有技术中的双基前视SAR绝对定位方法进行仿真试验。
在仿真实验中，采用的现有技术是指：西安电子科技大学在其申请的专利文献“基于双基前视SAR图像的目标定位方法”(公开号：CN106556835B，申请号：201611092582.6，申请日：2016年12月1日)中提出的双基前视SAR绝对定位方法。
由于现有技术中的双基前视SAR绝对定位方法得到的是接收雷达与目标的相对位置关系，在试验仿真的过程中利用坐标系转换，将现有技术中的球坐标系定位结果转换到三维成像坐标系中，得到接收雷达的三维位置坐标。
Figure BDA0002641304680000111
Figure BDA0002641304680000112
Figure BDA0002641304680000113
其中(Xr,Yr,Zr)表示双基前视SAR中的接收雷达在三维成像坐标系中的坐标，Rrp表示现有技术定位结果中目标点到双基前视SAR中的接收雷达的距离，
Figure BDA0002641304680000114
表示现有技术定位结果中目标点到双基前视SAR中的接收雷达的俯仰角，θ表示现有技术定位结果中目标点到双基前视SAR中的接收雷达的方位角。
在弹载双基SAR中收发平台的测角误差为0.03°，测距误差为3m，图像匹配算法的匹配误差为3m，弹载双基SAR地距图像距离向分辨率为3m，弹载双基SAR地距图像方位向分辨率为3m，迭代结束精度为1，初始迭代点选择与接收雷达实际三维坐标各相差1000m的惯导数据包含的X、Y、Z轴坐标值，弹载双基SAR地距平面图像中的X轴区域[-500m,500m]，Y轴区域[39500m,40500m]随机产生的服从均匀分布的3组匹配点坐标：(-366.5,39627.1,0)，(172.6,40154.6,0)，(-297.4,40363.9,0)的情况下，采用本发明定位方法和现有技术中的双基前视SAR绝对定位方法，在同样实验环境和条件下，选取五组典型的弹目距：27115m、21932m、16771m、11662m、67268m分别对接收雷达定位精度的影响进行仿真实验，仿真结果如表2和表3所示。
表2有误差情况下本发明定位结果一览表
弹目距/m 接收雷达实际坐标/m 本发明定位坐标/m 定位误差/m
27115 (0,15000,10500) (0,14997,10501) 3.00
21932 (0,20000,9000) (0,19997,9001) 3.00
16771 (0,25000,7500) (0,24997,7501) 3.00
11662 (0,30000,6000) (0,29997,6002) 3.00
67268 (0,35000,4500) (0,34998,4502) 3.00
表2和表3中的定位误差为接收雷达实际坐标与定位坐标之间的欧式距离。由表2和表3对比可以看出，在存在误差的情况下，本发明以弹载双基雷达系统中接收雷达惯导数据包含的X、Y、Z轴坐标值，组成初始迭代点，初始迭代点与弹载双基SAR中的接收雷达的实际坐标相差1000m，迭代结束精度为1的情况下，定位结果要优于现有技术中双基前视SAR绝对定位方法的定位精度。证明本发明可以弹载得到双基SAR中的接收雷达更高精度的定位结果。
表3有误差情况下双基前视SAR绝对定位方法定位结果一览表
弹目距/m 接收雷达实际坐标/m 本发明定位坐标/m 定位误差/m
27115 (0,15000,10500) (3,15006,10514) 24.98
21932 (0,20000,9000) (3,20005,9012) 20.56
16771 (0,25000,7500) (3,25004,7509) 16.26
11662 (0,30000,6000) (3,30004,6007) 12.01
67268 (0,35000,4500) (2,35003,4505) 8.22
仿真实验2：
本发明的仿真实验2为验证迭代法初始迭代点的选取对本发明定位精度的影响。本发明以弹载双基SAR系统中接收雷达惯导数据包含的X、Y、Z轴坐标值，组成初始迭代点。由于弹载双基SAR系统中接收雷达惯导数据的最大误差不超过1000m，所以本发明仿真实验2在初始迭代点与弹载双基SAR中的接收雷达的实际坐标相差正负1000m以内，选取几组典型的初始迭代点，在迭代结束精度为1，弹载双基SAR中收发平台的测角误差为0.03°，测距误差为3m，图像匹配算法的匹配误差为3m，弹载双基SAR地距图像距离向分辨率为3m，弹载双基SAR地距图像方位向分辨率为3m，弹载双基SAR地距平面图像中的X轴区域[-500m,500m]，Y轴区域[39500m,40500m]随机产生的服从均匀分布的3组匹配点坐标：(-366.5,39627.1,0)，(172.6,40154.6,0)，(-297.4,40363.9,0)的情况下，采用本发明对弹载双基SAR中的接收雷达进行定位，定位误差结果如表4所示。
由表4可以看出，在存在误差的情况下，在初始迭代点与弹载双基SAR中的接收雷达的实际坐标相差正负1000m以内，选取几组典型的初始迭代点，迭代结束精度为1的情况下，本发明的定位精度保持不变，可以验证，本发明采用弹载双基SAR系统中接收雷达惯导数据作为初始迭代点的准确性。
表4迭代法仿真试验参数和结果一览表
(2,2,15002) 3.00 (-2,-2,14998) 3.00
(20,20,15020) 3.00 (-20,-20,14980) 3.00
(50,50,15050) 3.00 (-50,-50,14950) 3.00
(500,500,15500) 3.00 (-500,-500,14500) 3.00
(1000,1000,16000) 3.00 (-1000,-1000,14000) 3.00
以上试验仿真表明：本发明方法构建斜距表征的3×1维弹载双基雷达非线性定位矩阵，避免使用弹载双基SAR收发平台波束指向角的惯导数据，通过迭代法获得弹载双基雷达中的接收雷达的近似最优坐标，提高了本发明的定位精度，拓宽了本发明的适用范围。解决了现有技术方法中使用收发平台波束指向角的惯导数据，导致定位方法在导弹末制导阶段定位精度差的问题。解决了现有技术方法中要求通过双机载雷达平行等速构型获得两幅SAR图像，利用图像匹配算法进行图像匹配，不能应用于双机载速度不同或双机载轨道不平行的情况中的目标定位的问题。解决了现有技术中通过牛顿迭代法求解距离多普勒方程组，没有给出具体的牛顿迭代法的初始迭代点的选取规则，若牛顿迭代法的初始迭代点选取不合理，则该方法失效，无法得到地面目标点的三维位置坐标的问题。本发明是一种非常实用的弹载双基SAR中的接收雷达的定位方法。

Claims (3)

1.一种基于斜距表征和迭代法的弹载双基雷达定位方法，其特征在于，构建斜距表征的3×1维弹载双基雷达非线性定位矩阵，迭代计算弹载双基雷达中的接收雷达的近似最优坐标值，该方法的步骤包括如下：
(1)建立弹载双基雷达三维成像坐标系：
以弹载双基雷达场景中任意一点作为坐标原点，以接收雷达的飞行方向作为Y轴的正方向，以垂直地面竖直向上的方向作为Z轴的正方向，以与Y轴正方向和Z轴正方向成右手螺旋准则的方向作为X轴的正方向，建立弹载双基雷达三维成像坐标系；
(2)获取弹载双基雷达地距平面图像：
利用弹载双基雷达成像方法，对弹载双基雷达波束照射场景进行成像，得到弹载双基雷达波束照射场景的地距平面图像；
(3)获取弹载双基雷达地距平面图像中的匹配点：
将星载雷达基准图像和弹载双基雷达地距平面图像的所有像素点，分别带入到弹载双基雷达图像匹配算法中，得到符合图像匹配算法相似性度量要求的弹载双基雷达地距平面图像中的Q个匹配点，其中，Q表示星载雷达基准图像与弹载双基雷达地距平面图像进行匹配得到的匹配点总数；
(4)计算弹载双基雷达的双基距离和：
Ri＝R0+Li
其中，Ri表示弹载双基雷达到第i个匹配点的双基距离和，R0表示弹载双基雷达的波门采样前沿距离，Li表示弹载双基雷达波门采样前沿到第i个匹配点之间的距离；
(5)构建斜距表征的3×1维弹载双基雷达非线性定位矩阵F：
Figure FDA0002641304670000011
其中，xr表示弹载双基雷达中接收雷达r在三维成像坐标系中X轴坐标值，x1表示第1个匹配点在三维成像坐标系中X轴坐标值，yr表示弹载双基雷达中接收雷达r在三维成像坐标系中Y轴坐标值，y1表示第1个匹配点在三维成像坐标系中Y轴坐标值，zr表示弹载双基雷达中接收雷达r在三维成像坐标系中Z轴坐标值，xt表示弹载双基雷达中发射雷达t在三维成像坐标系中X轴坐标值，yt表示弹载双基雷达中发射雷达t在三维成像坐标系中Y轴坐标值，zt表示弹载双基雷达中发射雷达t在三维成像坐标系中Z轴坐标值，R1表示弹载双基雷达到第1个匹配点的双基距离和，x2表示第2个匹配点在三维成像坐标系中X轴坐标值，y2表示第2个匹配点在三维成像坐标系中Y轴坐标值，R2表示弹载双基雷达到第2个匹配点的双基距离和，x3表示第3个匹配点在三维成像坐标系中X轴坐标值，y3表示第3个匹配点在三维成像坐标系中Y轴坐标值，R3表示弹载双基雷达到第3个匹配点的双基距离和；
(6)获得3×3维的弹载双基雷达非线性定位矩阵：
分别对3×1维弹载双基雷达非线性定位矩阵F中的每个元素对应的弹载双基雷达中接收雷达r在三维成像坐标系中的X、Y、Z轴坐标值求一阶偏导，得到3×3维的弹载双基雷达非线性定位矩阵；
(7)通过迭代法获得弹载双基雷达中的接收雷达的近似最优坐标值：
(7a)以弹载双基雷达系统中接收雷达惯导数据包含的X、Y、Z轴坐标值，组成初始迭代点，初始迭代次数k＝0；
(7b)按照下式，计算当前迭代时弹载双基雷达中接收雷达r在三维成像坐标系中的X、Y、Z轴的坐标(xrk,yrk,zrk)，并用当前迭代的坐标值更新上次迭代的坐标值：
Figure FDA0002641304670000021
其中，k表示当前迭代次数，(xrk1,yrk1,zrk1)表示上次迭代k1时弹载双基雷达中接收雷达r在三维成像坐标系中X、Y、Z轴的坐标值，F(xrk1,yrk1,zrk1)表示上次迭代k1时3×1维弹载双基雷达非线性定位矩阵F在(xrk1,yrk1,zrk1)处的值，J(xrk1,yrk1,zrk1)表示上次迭代k1时3×3维弹载双基雷达非线性定位矩阵J在(xrk1,yrk1,zrk1)处的值；
(7c)计算当前迭代精度E：
E＝max[abs(xrk-xrk1),abs(yrk-yrk1),abs(zrk-zrk1)]
其中，max(·)表示取最大值操作，abs(·)表示取绝对值操作；
(7d)判断E是否小于或等于迭代结束精度，若是，则执行步骤(8)，否则，将当前迭代次数加1后执行步骤(7b)；
(8)完成对弹载双基雷达中接收雷达的定位：
将迭代得到的(xrk,yrk,zrk)作为弹载双基雷达中接收雷达的近似最优坐标值，完成对弹载双基雷达中接收雷达的定位。
2.根据权利要求1所述的基于斜距表征和迭代法的弹载双基雷达定位方法，其特征在于，步骤(6)所述的3×3维的弹载双基雷达非线性定位矩阵如下：
Figure FDA0002641304670000031
其中，J表示3×3维的弹载双基雷达非线性定位矩阵，
Figure FDA0002641304670000032
表示弹载双基雷达非线性定位矩阵F的第1行，第1列元素在xr处的一阶偏导数值，/>
Figure FDA0002641304670000033
表示弹载双基雷达非线性定位矩阵F的第1行，第1列元素在yr处的一阶偏导数值，/>
Figure FDA0002641304670000034
表示弹载双基雷达非线性定位矩阵F的第1行，第1列元素在zr处的一阶偏导数值，/>
Figure FDA0002641304670000035
表示弹载双基雷达非线性定位矩阵F的第2行，第1列元素在xr处的一阶偏导数值，/>
Figure FDA0002641304670000036
表示弹载双基雷达非线性定位矩阵F的第2行，第1列元素在yr处的一阶偏导数值，/>
Figure FDA0002641304670000037
表示弹载双基雷达非线性定位矩阵F的第2行，第1列元素在zr处的一阶偏导数值，/>
Figure FDA0002641304670000041
表示弹载双基雷达非线性定位矩阵F的第3行，第1列元素在xr处的一阶偏导数值，/>
Figure FDA0002641304670000042
表示弹载双基雷达非线性定位矩阵F的第3行，第1列元素在yr处的一阶偏导数值，/>
Figure FDA0002641304670000043
表示弹载双基雷达非线性定位矩阵F的第3行，第1列元素在zr处的一阶偏导数值。
3.根据权利要求1所述的基于斜距表征和迭代法的弹载双基雷达定位方法，其特征在于，步骤(7d)所述的迭代结束精度为根据弹载双基雷达中场景所需要的定位精度来确定迭代结束精度。
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