CN112363141B - 一种多站天波雷达海面舰船目标位置与速度的解算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多站天波雷达海面舰船目标位置与速度的解算方法，包括以下步骤：步骤1：建立多站天波雷达工作体制；步骤2：获取海面舰船目标的群距离和，方位角和多普勒频移的测量数据；步骤3：获取电离层等效反射高度和电离层多普勒频移；步骤4：构建所有可能的解集合；步骤5：随机选取解集合中的一个可能的解，获取海面舰船的目标群距离和，方位角和多普勒频移的计算数据；步骤6：通过测量数据、计算数据与收敛条件的关系，判定解集合中满足收敛条件的方程组的解；本发明提供的一种多站天波雷达海面舰船目标位置与速度的解算方法，不仅提高了海面舰船目标的定位精度，还可以精确地得到海面舰船目标的航速和航向。

Description

一种多站天波雷达海面舰船目标位置与速度的解算方法

技术领域

本发明涉及高频天波雷达舰船目标定位和测速领域，尤其涉及一种多站天波雷达海面舰船目标位置与速度的解算方法。

背景技术

电离层是地球高层大气被电离了的部分，按照无线电工程师协会的定义，电离层是以地面60km以上到磁层顶之间的整个空间，在那里存在着大量的自由电子，足以影响无线电波的传播。

高频电波(3MHz～30MHz)倾斜投射到电离层时，经电离层反射到达远方地球表面，因地球表面的不平坦和电气不均匀特性而产生散射作用，使得一部分电波能量沿着原路径返回而被接收到，这种无线电波传播过程称为天波返回散射传播。

天波雷达利用天波返回散射传播机制来实现空中和海面目标的远程超视距探测，单跳最大探测距离可达3500km，是战略预警体系的重要装备，是解决“看得见、看得远”的重要手段，能够把国境线外远距离目标的预警时间从分钟量级提升到小时量级。

为了解决发射设备与接收设备之间的耦合及高功率辐射泄漏的问题，天波雷达一般采用双站体制，发射站与接收站之间的间隔为几十至上百千米；美国空军的AN/FPS-118雷达、美国海军的AN/TPS-71 雷达和澳大利亚的Jindalee雷达都是双站体制的天波雷达。

目前，双站体制的天波雷达都只能测量目标的径向速度，无法测量目标的真实速度(包括大小和方向)；另外，由于距离分辨率、方位分辨率以及电离层等效反射高度测量精度的限制，导致双站体制天波雷达的目标定位精度较低，一般为数十千米。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多站天波雷达海面舰船目标位置与速度的解算方法，用于解决现有双站体制的天波雷达目标定位精度较低、不能提供目标速度的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多站天波雷达海面舰船目标位置与速度的解算方法，包括以下步骤：

步骤1：建立N个发射站，M个接收站的多站天波雷达工作体制， N≥1，M≥2；

步骤2：获取多站天波雷达海面舰船目标的测量数据(P_i,α_i,f_i)，共有N×M组测量数据，其中，P_i为群距离和测量值，α_i为方位角测量值，f_i为多普勒频移测量值，i＝1,2,...,N×M；

步骤3：获取电离层等效反射高度h和电离层多普勒频移f_ion；

步骤4：设置一个由所有可能的解所构成的集合 S＝{x(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆)}，其中，x₁为目标经度，x₂为目标纬度，x₃为目标航速，x₄为目标航向，x₅为电离层等效反射高度，x₆为电离层多普勒频移；

步骤5、在集合S中随机选取一个可能的解x(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆)，根据解算模型，计算群距离和计算值P_xi、方位角计算值α_xi和多普勒频移计算值f_xi；

步骤6、如果群距离和计算值P_xi、方位角计算值α_xi和多普勒频移计算值f_xi满足收敛条件d_i≤2，即群距离和计算值P_xi、方位角计算值α_xi和多普勒频移计算值f_xi与对应的测量值之间的差值都不超过对应分辨率的2倍，则判定此x(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆)为方程组的解；如果不满足，重复步骤5至步骤6，直到得出满足收敛条件的解 x(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆)；

其中，

δ₁为群距离和分辨率，δ₂为方位角分辨率，δ₃为多普勒分辨率。

步骤3中所述的获取电离层等效反射高度h和电离层多普勒频移 f_ion的方法为：如果目标海域没有部署应答机，则从电离层诊断子系统中获取电离层等效反射高度 h，从一阶海杂波的多普勒谱中提取电离层多普勒频移f_ion；如果目标海域部署了应答机，则从应答机信号中获取电离层等效反射高度h和电离层多普勒频移f_ion。

步骤4中，

所述的目标经度x₁的取值范围为[a-3,a+3]，其中a为目标探测子区中心的经度，单位：度；

所述的目标纬度x₂的取值范围为[b-3,b+3]，其中b为目标探测子区中心的纬度，单位：度；

所述的目标航速x₃的取值范围为[0,30]，单位：节；

所述的目标航向x₄的取值范围为[0,360]，单位：度；

所述的电离层等效反射高度x₅的取值范围为[h-δ_h,h+δ_h]，其中h为电离层等效反射高度，δ_h为h的测量精度，单位：km；当目标海域没有应答机时，h为从电离层诊断子系统中获取的电离层等效反射高度；当目标海域有应答机时，h为从应答机信号中获取的电离层等效反射高度；

所述的电离层多普勒频移x₆的取值范围为[f_ion-δ_f,f_ion+δ_f]，其中f_ion为电离层多普勒频移，δ_f为f_ion的测量精度，单位：Hz；当目标海域没有应答机时，f_ion为从一阶海杂波多普勒谱中获取的电离层多普勒频移；当目标海域有应答机时，f_ion为从应答机信号中获取的电离层多普勒频移。

步骤5中所述的在集合S中随机选取一个可能的解，根据解算模型，计算群距离和计算值P_xi、方位角计算值α_xi和多普勒频移计算值f_xi的方法为：

群距离和计算值P_xi：

P_xi＝P_1i+P_2i；

其中，P_1i为第i组中发射站到目标的群距离，P_2i为第i组中目标到接收站的群距离。

方位角计算值α_xi：

α_xi＝θ_1i-θ_2i；

其中，θ_1i为第i组中接收站到目标的连线与正北方向的夹角，θ_2i为第i组中接收站的法线方向。

多普勒频移计算值f_xi：

其中，v_r为目标径向速度，λ为天波雷达工作频率对应的波长，f_ion为电离层多普勒频移。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种多站天波雷达海面舰船目标位置与速度的解算方法，在解算模型中，把电离层参数和目标参数都当成待求解的未知量处理，在多站天波雷达体制下，可实现电离层参数和目标参数的一体化解算，不仅提高了海面舰船目标的定位精度，还可以精确地得到海面舰船目标的航速和航向。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明所述的实施例的多站天波雷达与海面舰船目标的位置分布图；

图3为本发明所述的实施例的定位误差图；

图4为本发明所述的实施例的航速误差图；

图5为本发明所述的实施例的航向误差图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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所示：本发明所述的一种多站天波雷达海面舰船目标位置与速度的解算方法，包括以下步骤：

步骤1：建立N个发射站，M个接收站的多站天波雷达工作体制， N≥1，M≥2；

步骤2：获取多站天波雷达中每个发射站与接收站之间的海面舰船目标的测量数据(P_i,α_i,f_i)，共有N×M组测量数据，其中，P_i为群距离和测量值，即发射站到目标的群距离测量值与目标到接收站的群距离测量值之和，α_i为方位角测量值，f_i为多普勒频移测量值，i＝1,2,...,N×M；

步骤3：获取电离层等效反射高度h和电离层多普勒频移f_ion，其方法为：

如果目标海域没有部署应答机，则从电离层诊断子系统中获取电离层等效反射高度h，从一阶海杂波的多普勒普中提取电离层多普勒频移f_ion，可以提升目标位置和速度的解算精度；如果目标海域部署了应答机，则从应答机信号中获取电离层等效反射高度h和电离层多普勒频移f_ion，从而进一步提升该海域目标位置和速度的解算精度；

步骤4：设置一个由所有可能的解所构成的集合 S＝{x(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆)}，其中，x₁为目标经度，x₂为目标纬度，x₃为目标航速，x₄为目标航向，x₅为电离层等效反射高度，x₆为电离层多普勒频移；

具体采用以下方法：

以目标经度x₁、目标纬度x₂、目标航速x₃、目标航向x₄、电离层等效反射高度x₅和电离层多普勒频移x₆这6个待求解的未知量的实际物理意义来限定它们各自的取值范围，具体限定方法为：

所述的目标经度x₁的取值范围为[a-3,a+3]，其中a为目标探测子区中心的经度，单位：度；其中，目标经度x₁左、右以目标探测子区中心的经度偏差3度，已为目标经度x₁的极限范围，此经度范围可覆盖目标探测子区内目标可能出现的经度范围；

所述的目标纬度x₂的取值范围为[b-3,b+3]，其中b为目标探测子区中心的纬度，单位：度；其中，目标纬度x₂上、下以目标探测子区中心的纬度偏差3度，已为目标纬度x₂极限范围，此纬度范围可覆盖目标探测子区内目标可能出现的纬度范围；

所述的目标航速x₃的取值范围为[0,30]，单位：节；因为海面舰船的航速一般在30节以内；

所述的目标航向x₄的取值范围为[0,360]，单位：度；全向360 度范围为极限值，可覆盖目标航向x₄可能出现的航向范围；

所述的电离层等效反射高度x₅的取值范围为[h-δ_h,h+δ_h]，其中h为电离层等效反射高度，δ_h为h的测量精度，单位：km；当目标海域没有应答机时，h为从电离层诊断子系统中获取的电离层等效反射高度；当目标海域有应答机时，h为从应答机信号中获取的电离层等效反射高度；

所述的电离层多普勒频移x₆的取值范围为[f_ion-δ_f,f_ion+δ_f]，其中f_ion为电离层多普勒频移，δ_f为f_ion的测量精度，单位：Hz；当目标海域没有应答机时，f_ion为从一阶海杂波多普勒谱中获取的电离层多普勒频移；当目标海域有应答机时，f_ion为从应答机信号中获取的电离层多普勒频移；

步骤5、在集合S中随机选取一个可能的解x(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆)，根据解算模型计算群距离和计算值P_xi、方位角计算值α_xi和多普勒频移计算值f_xi；具体方法为：

群距离和计算值P_xi：

P_xi＝P_1i+P_2i；

其中，P_1i为第i组中发射站到目标的群距离，P_2i为第i组中目标到接收站的群距离；其中，P_1i、P_2i与目标经度x₁、目标纬度x₂和电离层等效反射高度x₅有关，其计算方法属于本领域现有技术，这里不再赘述；

方位角计算值α_xi：

α_xi＝θ_1i-θ_2i；

其中，θ_1i为第i组中接收站到目标的连线与正北方向的夹角，θ_2i为第i组中接收站的法线方向；其中，θ_1i与目标经度x₁、目标纬度x₂有关，其计算方法属于本领域现有技术，这里不再赘述；

多普勒频移计算值f_xi：

其中，v_r为目标径向速度，λ为天波雷达工作频率对应的波长，f_ion为电离层多普勒频移；其中，目标径向速度v_r与目标经度x₁、目标纬度x₂、目标航速x₃、目标航向x₄和电离层等效反射高度x₅有关，其计算方法属于本领域现有技术，这里不再赘述；

步骤6、如果群距离和计算值P_xi、方位角计算值α_xi和多普勒频移计算值f_xi满足收敛条件d_i≤2，即群距离和计算值P_xi、方位角计算值α_xi和多普勒频移计算值f_xi与对应的测量值之间的差值都不超过对应分辨率的2倍，则判定此x(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆)为方程组的解；如果不满足，重复步骤5至步骤6，直到得出满足收敛条件的解 x(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆)；

δ₁为群距离和分辨率，δ₂为方位角分辨率，δ₃为多普勒分辨率；其中d_i共N×M组数据，收敛条件中所有d_i均应满足d_i≤2。

为了便于本领域技术人员进一步理解本发明的技术方案，下面将以具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述：

本实施例中，采用“1发2收”的多站天波雷达工作体制，即N＝1，一个发射站，M＝2，2个接收站。

所采用的天波雷达的性能参数如下所示：

工作频率：19MHz；

群距离和分辨率δ₁：5km；

方位角分辨率δ₂：0.5°；

多普勒分辨率δ₃：0.02Hz。

所采用的天波雷达的位置参数如下所示：

发射站的经纬度：(115.02°E,33.78°N)；

接收站1的经纬度：(114.97°E,34.51°N)；

接收站2的经纬度：(114.38°E,32.58°N)。

所采用的目标参数的真实值如下所示：

目标真实经纬度：(128.25°E,30.05°N)；

目标真实航速：15节；

目标真实航向：246°。

所采用的电离层参数的真实值如下所示：

电离层等效反射高度的真实值h_t：290km；

电离层多普勒频移的真实值f_t：-0.15Hz。

所采用的目标参数的取值范围如下所示：

经度x₁的取值范围为[a-3,a+3]，其中a为目标的真实经度，单位：度；

纬度x₂的取值范围为[b-3,b+3]，其中b为目标的真实纬度，单位：度；

航速x₃的取值范围为[0,30]，单位：节；

航向x₄的取值范围为[0,360]，单位：度。

所采用的电离层参数的取值范围如下所示：

本实施例模拟的是目标海域有应答机部署的情况，获取的电离层等效反射高度和电离层多普勒频移的测量精度很高，均在真实值附近小范围内变动；

电离层等效反射高度x₅的取值范围为[h_t-δ₁,h_t+δ₁]，其中h_t为电离层等效反射高度的真实值，δ₁为天波雷达的群距离和分辨率，单位：km；

电离层多普勒频移x₆的取值范围为[f_t-δ₃,f_t+δ₃]，其中f_t为电离层多普勒频移的真实值，δ₃为天波雷达的多普勒分辨率，单位：Hz。

如图3至图5所示，采用本发明所述的一种多站天波雷达海面舰船目标位置与速度的解算方法，目标的定位误差的均方根值为 11.4335km，航速误差的均方根值为1.9359节，航向误差的均方根值为8.2145°；结果表明，本发明提供的一种多站天波雷达海面舰船目标位置与速度的解算方法，不仅提高了海面舰船目标的定位精度，还可以精确地得到海面舰船目标的航速和航向。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (4)

1.一种多站天波雷达海面舰船目标位置与速度的解算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立N个发射站，M个接收站的多站天波雷达工作体制，N≥1，M≥2；

步骤2：获取多站天波雷达海面舰船目标的测量数据(P_i，α_i，f_i)，共有N×M组测量数据，其中，P_i为群距离和测量值，α_i为方位角测量值，f_i为多普勒频移测量值，i＝1，2，...，N×M；

步骤3：获取电离层等效反射高度h和电离层多普勒频移f_ion；

步骤4：设置一个由所有可能的解所构成的集合S＝{x(x₁，x₂，x₃，x₄，x₅，x₆)}，其中，x₁为目标经度，x₂为目标纬度，x₃为目标航速，x₄为目标航向，x₅为电离层等效反射高度，x₆为电离层多普勒频移；

步骤5、在集合S中随机选取一个可能的解x(x₁，x₂，x₃，x₄，x₅，x₆)，根据解算模型，计算群距离和计算值P_xi、方位角计算值α_xi和多普勒频移计算值f_xi；

步骤6、如果群距离和计算值P_xi、方位角计算值α_xi和多普勒频移计算值f_xi满足收敛条件d_i≤2，即群距离和计算值P_xi、方位角计算值α_xi和多普勒频移计算值f_xi与对应的测量值之间的差值都不超过对应分辨率的2倍，则判定此x(x₁，x₂，x₃，x₄，x₅，x₆)为方程组的解；如果不满足，重复步骤5至步骤6，直到得出满足收敛条件的解x(x₁，x₂，x₃，x₄，x₅，x₆)；

其中，

δ₁为群距离和分辨率，δ₂为方位角分辨率，δ₃为多普勒分辨率。

2.根据权利要求1所述的一种多站天波雷达海面舰船目标位置与速度的解算方法，其特征在于：步骤3中所述的获取电离层等效反射高度h和电离层多普勒频移f_ion的方法为：如果目标海域没有部署应答机，则从电离层诊断子系统中获取电离层等效反射高度h，从一阶海杂波的多普勒谱中提取电离层多普勒频移f_ion；如果目标海域部署了应答机，则从应答机信号中获取电离层等效反射高度h和电离层多普勒频移f_ion。

3.根据权利要求1所述的一种多站天波雷达海面舰船目标位置与速度的解算方法，其特征在于：步骤4中，

所述的目标经度x₁的取值范围为[a-3，a+3]，其中a为目标探测子区中心的经度，单位：度；

所述的目标纬度x₂的取值范围为[b-3，b+3]，其中b为目标探测子区中心的纬度，单位：度；

所述的目标航速x₃的取值范围为[0，30]，单位：节；

所述的目标航向x₄的取值范围为[0，360]，单位：度；

所述的电离层等效反射高度x₅的取值范围为[h-δ_h，h+δ_h]，其中h为电离层等效反射高度，δ_h为h的测量精度，单位：km；当目标海域没有应答机时，h为从电离层诊断子系统中获取的电离层等效反射高度；当目标海域有应答机时，h为从应答机信号中获取的电离层等效反射高度；

所述的电离层多普勒频移x₆的取值范围为[f_ion-δ_f，f_ion+δ_f]，其中f_ion为电离层多普勒频移，δ_f为f_ion的测量精度，单位：Hz；当目标海域没有应答机时，f_ion为从一阶海杂波多普勒谱中获取的电离层多普勒频移；当目标海域有应答机时，f_ion为从应答机信号中获取的电离层多普勒频移。

4.根据权利要求1所述的一种多站天波雷达海面舰船目标位置与速度的解算方法，其特征在于：步骤5中所述的在集合S中随机选取一个可能的解，根据解算模型，计算群距离和计算值P_xi、方位角计算值α_xi和多普勒频移计算值f_xi的方法为：

群距离和计算值P_xi：

P_xi＝P_1i+P_2i；

其中，P_1i为第i组中发射站到目标的群距离，P_2i为第i组中目标到接收站的群距离。

方位角计算值α_xi：

α_xi＝θ_1i-θ_2i；

其中，θ_1i为第i组中接收站到目标的连线与正北方向的夹角，θ_2i为第i组中接收站的法线方向;

多普勒频移计算值f_xi：

其中，v_r为目标径向速度，λ为天波雷达工作频率对应的波长，f_ion为电离层多普勒频移。

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