CN113253202B - 一种脉冲辐射源的时域定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电磁信号处理技术领域，具体公开了一种脉冲辐射源的时域定位系统及方法，首先(采用比幅测向模块)通过比幅测向对脉冲辐射源进行粗测向，给与(行进模块)一个运动方向上的初引导，引导整个时域定位系统相对脉冲辐射源进行非切向、非径向的运动；然后，在运动过程中，(通过比幅测向模块)获取脉冲辐射源的脉冲到达时刻；最后，(采用计算模块)通过时域解算对脉冲辐射源进行定位，可以实现对比幅测向精度的极大提升，同时实现对脉冲辐射源的测距功能。在不增加硬件资源的前提下，该系统可以将测角精度提高至1°R.M.S，达到相关干涉仪测向方法的水平，同时实现对脉冲辐射源的测距功能，可实现定位系统的小型化、低成本化。

Description

一种脉冲辐射源的时域定位系统及方法
技术领域
本发明涉及电磁信号处理技术领域，尤其涉及一种脉冲辐射源的时域定位系统及一种脉冲辐射源的时域定位方法。
背景技术
目前实现脉冲辐射源定位，需要使用干涉仪精确测向技术，通过干涉仪的移动，在不同位置对辐射源精确测向来实现单站定位。干涉仪测向技术对硬件资源消耗比较大，无法实现小型化，低成本化。
发明内容
本发明提供一种脉冲辐射源的时域定位系统及方法，解决的技术问题在于：如何小型化、低成本化地实现对脉冲辐射源的定位。
为解决以上技术问题，本发明提供一种脉冲辐射源的时域定位系统，包括比幅测向模块、行进模块、比幅测向模块和计算模块；
所述比幅测向模块用于在静止状态下对脉冲辐射源进行粗测向，得到所述脉冲辐射源的第一方向及脉冲发射间隔；
所述行进模块用于根据所述第一方向，控制整个时域定位系统向与所述脉冲辐射源为非切向关系及非径向关系的第二方向匀速运动；
所述比幅测向模块用于在所述行进模块的运动过程中获取所述脉冲辐射源的脉冲到达时刻；
所述计算模块用于根据所述脉冲发射间隔、所述脉冲到达时刻、所述第一方向和所述第二方向，计算所述脉冲辐射源的方向和距离。
优选的，所述计算模块根据如下方程组求解所述脉冲辐射源的距离：
Figure BDA0003063712000000021
其中，ri为第i时刻脉冲至所述比幅测向模块之间的传输距离，Ti为第i时刻脉冲的脉冲到达时刻，i＝1,2,…,I，C为光速，Tfix为所述脉冲发射间隔，TOAi-1＝Ti-Ti-1表示脉冲接收间隔，TOA1＝T2-T1，TOAmin为最小的脉冲接收间隔，rmin为根据TOAmin所推算出的最短传输距离，在能够确定TOAmin的I个时刻内，根据上述方程组可求得ri即在各个脉冲到达时刻所述脉冲辐射源与所述比幅测向模块之间的距离。
优选的，所述计算模块确定距离rmin所对应的脉冲辐射源位于所述第二方向的垂直方向上，且靠近所述第一方向。
优选的，所述比幅测向模块采用4比幅测向系统。
对应于上述系统，本发明还提供一种脉冲辐射源的时域定位方法，包括步骤：
S1：在静止状态下对脉冲辐射源进行粗测向，得到所述脉冲辐射源的第一方向及脉冲发射间隔；
S2：根据所述第一方向，控制整个时域定位系统向与所述脉冲辐射源为非切向关系及非径向关系的第二方向匀速运动；
S3：在所述行进模块的运动过程中，获取所述脉冲辐射源的脉冲到达时刻；
S4：根据所述脉冲发射间隔、所述脉冲到达时刻、所述第一方向和所述第二方向，计算所述脉冲辐射源的方向和距离。
进一步地，所述步骤S4具体包括步骤：
S41：判断是否存在收敛的最小的脉冲接收间隔TOAmin，若是则进入步骤S42，若否则调整所述第二方向后返回至所述步骤S3；
S42：根据能够确定TOAmin的I个时刻内的Ti值、脉冲发射间隔Tfix求解所述脉冲辐射源的距离ri，Ti为第i时刻脉冲的脉冲到达时刻，ri为第i时刻脉冲至所述比幅测向模块之间的距离，i＝1,2,…,I；以及根据TOAmin、所述第一方向和所述第二方向确定所述脉冲辐射源的方向。
进一步地，在所述步骤S42中，根据如下方程组求解所述脉冲辐射源的距离ri：
Figure BDA0003063712000000031
其中，其中，TOAi-1＝Ti-Ti-1表示脉冲接收间隔，TOA1＝T2-T1，C为光速，rmin为TOAmin所对应的最短传输距离。
进一步地，在所述步骤S42中，确定距离rmin所对应的脉冲辐射源位于所述第二方向的垂直方向上，且靠近所述第一方向。
本发明提供的一种脉冲辐射源的时域定位系统及方法，首先(采用比幅测向模块)通过比幅测向对脉冲辐射源进行粗测向，初步得到脉冲辐射源的第一方向，给与(行进模块)一个运动方向上的初引导，引导整个时域定位系统相对脉冲辐射源进行非切向、非径向的运动(沿第二方向匀速运动)；然后，在运动过程中，(通过比幅测向模块)获取脉冲辐射源的脉冲发射间隔及各个时刻脉冲的脉冲到达时刻；最后，(采用计算模块)通过时域解算对脉冲辐射源进行定位，可以实现对比幅测向精度的极大提升，同时实现对脉冲辐射源的测距功能。在不增加硬件资源的前提下，该系统可以将测角精度提高至1°R.M.S，达到相关干涉仪测向方法的水平，同时实现对脉冲辐射源的测距功能，可实现定位系统的小型化、低成本化。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种脉冲辐射源的时域定位系统的结构图；
图2是本发明实施例提供的图1所示定位系统在探测过程中的运动示意图；
图3是本发明实施例提供的图1所示定位系统不运动和运动的脉冲接收时刻对比示意图；
图4是本发明实施例提供的图1所示定位系统进行切向运动的示意图；
图5是本发明实施例提供的图1所示定位系统进行径向运动的示意图；
图6是本发明实施例提供的图1所示定位系统的最短传输距离rmin的示意图；
图7是本发明实施例提供的图1所示定位系统中比幅测向模块的结构图；
图8是本发明实施例提供的图1所示定位系统仿真所得测距误差的示意图；
图9是本发明实施例提供的图1所示定位系统仿真所得测向误差的示意图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
为了小型化、低成本化地实现对脉冲辐射源的定位，本发明实施例提供一种脉冲辐射源的时域定位系统，如图1的结构图所示，包括比幅测向模块、行进模块、比幅测向模块和计算模块；
所述比幅测向模块用于在静止状态下对脉冲辐射源进行粗测向，得到所述脉冲辐射源的第一方向及脉冲发射间隔；
所述行进模块用于根据所述第一方向，控制整个时域定位系统向与所述脉冲辐射源为非切向关系及非径向关系的第二方向匀速运动；
所述比幅测向模块还用于在所述行进模块的运动过程中获取所述脉冲辐射源的脉冲到达时刻；
所述计算模块用于根据所述脉冲发射间隔、所述脉冲到达时刻、所述第一方向和所述第二方向，计算所述脉冲辐射源的方向和距离。
如图2所示，比幅测向模块(整个时域定位系统)相对于脉冲辐射源匀速运动时，其相对距离会发生变化，不同时刻对应的距离为r1,r2,r3,…。脉冲辐射源发出的脉冲之间的间隔为Tfix，在比幅测向模块静止的情况下，收到的脉冲时刻应该为初始值T0、T0+Tfix、T0+2Tfix,…，T0为参考脉冲发射时刻。当比幅测向模块运动起来后，则收到的脉冲到达时刻T1、T2、T3,…会发生变化，其变化量为
Figure BDA0003063712000000051
如图3所示。
本例比幅测向模块所测实际的脉冲序列与系统接收到的脉冲序列对应关系为：
Figure BDA0003063712000000052
其中，ri为第i时刻脉冲至所述比幅测向模块之间的距离，C为光速，Ti为第i时刻脉冲的脉冲到达时刻，i＝1,2,…。方程组(1)中方程两两相减整理得：
Figure BDA0003063712000000053
由于方程个数是小于未知数ri的，因此这个方程组计算模块是无法准确求解的，必须获取更多的信息才可以求解方程。故本申请设置了比幅测向模块和行进模块，通过比幅测向模块获得脉冲辐射源的大致方向(第一方向)，根据该第一方向，行进模块朝着既不与脉冲辐射源相切也非径向的第二方向匀速运动，也即第二方向既不与第一方向垂直也不与第一方向重合。原因在于，如图4、5所示，当比幅测向模块切向运动或径向运动时，沿着运动方向相对距离会一直增大，即新增了一个相对距离(未知数)，就新增了一个方程，方程个数始终小于未知数，方程组(2)依然无法求解。若要求解方程组(2)，则应当新建立一个未加入新未知数的方程。
除了切向、径向方向这两种情况，其余情况都会存在一个最短距离rmin，如图6所示，这个时候脉冲接收间隔TOAi-1＝Ti-Ti-1会存在最小值TOAmin，在探测系统运动过程中，通过对脉冲接收间隔TOA的精确测量，找到TOAmin则可结合行进模块的运动速度相应推算出最短传输距离rmin，从而构建新的方程r1-rmin＝C·(TOA1-TOAmin)，联合方程组(2)，得到新的方程组：
Figure BDA0003063712000000061
在能够确定TOAmin的I个时刻内，根据方程组(3)可求得ri即在各个脉冲到达时刻所述脉冲辐射源与所述比幅测向模块之间的距离。
确定了TOAmin、rmin后，即可确定距离rmin所对应的脉冲辐射源位于所述第二方向的垂直方向上，且靠近所述第一方向。结合距离rmin则可确定脉冲辐射源的方向和位置，从而进行精准定位。
优选的，本例所述比幅测向模块采用4比幅测向系统，计算模块可以直接是4比幅测向系统的计算模块，如图7所示，也可以单独设置。
下面进行实验仿真。仿真条件：
脉冲辐射源距离时域定位系统的初始距离：100km；
比幅测向模块的粗测向精度：12°R.M.S；
行进模块的运动速度：280km/h；
比幅测向模块的时间测量精度：10ns；
计算模块采用微处理器，能完成高速运算。
如图8、9所示，分别为根据仿真结果所绘制的测距误差图和测向误差图。行进模块运动前，利用4比幅测向系统的角度引导，引导本例时域定位系统系统避免相对脉冲辐射源做切向、径向运动。运动初期，由于没有办法获取到rmin，由此没有让计算收敛，因此测距误差、测向误差较大。当系统检测到TOAmin出现后，系统迅速收敛，测距误差、测向误差迅速减小，其精度受限于比幅测向模块的时间测量精度。
通过仿真计算可以看出，在不增加硬件资源的前提下，该方法可以将系统测角精度从12°R.M.S提高至1°R.M.S，使比幅测向系统达到相关干涉仪测向方法的水平，同时实现对脉冲辐射源的测距功能。
对应于上述系统，本发明实施例还提供一种脉冲辐射源的时域定位方法，包括步骤：
S1：在静止状态下对脉冲辐射源进行粗测向，得到所述脉冲辐射源的第一方向及脉冲发射间隔；
S2：根据所述第一方向，控制整个时域定位系统向与所述脉冲辐射源为非切向关系及非径向关系的第二方向匀速运动；
S3：在所述行进模块的运动过程中，获取所述脉冲辐射源的脉冲到达时刻；
S4：根据所述脉冲发射间隔、所述脉冲到达时刻、所述第一方向和所述第二方向，计算所述脉冲辐射源的方向和距离。
进一步地，所述步骤S4具体包括步骤：
S41：判断是否存在收敛的最小的脉冲接收间隔TOAmin，若是则进入步骤S42，若否则调整所述第二方向后返回至所述步骤S3；
S42：根据能够确定TOAmin的I个时刻内的Ti值、脉冲发射间隔Tfix求解所述脉冲辐射源的距离ri，Ti为第i时刻脉冲的脉冲到达时刻，ri为第i时刻脉冲至所述比幅测向模块之间的距离，i＝1,2,…,I；以及根据TOAmin、所述第一方向和所述第二方向确定所述脉冲辐射源的方向。
进一步地，在所述步骤S42中，根据如下方程组求解所述脉冲辐射源的距离ri：
Figure BDA0003063712000000081
其中，TOAi-1＝Ti-Ti-1表示脉冲接收间隔，TOA1＝T2-T1，C为光速，rmin为TOAmin所对应的最短传输距离。
进一步地，在所述步骤S42中，确定距离rmin所对应的脉冲辐射源位于所述第二方向的垂直方向上，且靠近所述第一方向。
需要对该时域定位方法进一步解释的内容在时域定位系统中已经说明，这里不再赘述。
综上，本发明实施例提供的一种脉冲辐射源的时域定位系统及方法，首先(采用比幅测向模块)通过比幅测向对脉冲辐射源进行粗测向，初步得到脉冲辐射源的第一方向，给与(行进模块)一个运动方向上的初引导，引导整个时域定位系统相对脉冲辐射源进行非切向、非径向的运动(沿第二方向匀速运动)；然后，在运动过程中，(通过比幅测向模块)获取脉冲辐射源的脉冲发射间隔及各个时刻脉冲的脉冲到达时刻；最后，(采用计算模块)通过时域解算对脉冲辐射源进行定位，可以实现对比幅测向精度的极大提升，同时实现对脉冲辐射源的测距功能。仿真结果表明，在不增加硬件资源的前提下，该系统及方法可以将测角精度从12°R.M.S提高至1°R.M.S，达到相关干涉仪测向方法的水平，同时实现对脉冲辐射源的测距功能，可实现定位系统的小型化、低成本化。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种脉冲辐射源的时域定位系统，其特征在于，包括比幅测向模块、行进模块和计算模块；
所述比幅测向模块用于在静止状态下对脉冲辐射源进行粗测向，得到所述脉冲辐射源的第一方向及脉冲发射间隔；
所述行进模块用于根据所述第一方向，控制整个时域定位系统向与所述脉冲辐射源为非切向关系及非径向关系的第二方向匀速运动；
所述比幅测向模块还用于在所述行进模块的运动过程中获取所述脉冲辐射源的脉冲到达时刻；
所述计算模块用于根据所述脉冲发射间隔、所述脉冲到达时刻、所述第一方向和所述第二方向，计算所述脉冲辐射源的方向和距离；
所述计算模块根据如下方程组求解所述脉冲辐射源的距离：
Figure FDA0003498366710000011
其中，ri为第i时刻脉冲至所述比幅测向模块之间的传输距离，Ti为第i时刻脉冲的脉冲到达时刻，i＝1，2，…，I，C为光速，Tfix为所述脉冲发射间隔，TOAi-1＝Ti-Ti-1表示脉冲接收间隔，TOA1＝T2-T1，TOAmin为最小的脉冲接收间隔，rmin为根据TOAmin所推算出的最短传输距离，在能够确定TOAmin的I个时刻内，根据上述方程组可求得ri即在各个脉冲到达时刻所述脉冲辐射源与所述比幅测向模块之间的距离；
所述计算模块确定距离rmin所对应的脉冲辐射源位于所述第二方向的垂直方向上，且靠近所述第一方向。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲辐射源的时域定位系统，其特征在于：所述比幅测向模块采用4比幅测向系统。
3.一种脉冲辐射源的时域定位方法，其特征在于，包括步骤：
S1：在静止状态下采用比幅测向模块对脉冲辐射源进行粗测向，得到所述脉冲辐射源的第一方向及脉冲发射间隔；
S2：采用行进模块根据所述第一方向，控制整个时域定位系统向与所述脉冲辐射源为非切向关系及非径向关系的第二方向匀速运动；
S3：在所述行进模块的运动过程中，获取所述脉冲辐射源的脉冲到达时刻；
S4：根据所述脉冲发射间隔、所述脉冲到达时刻、所述第一方向和所述第二方向，计算所述脉冲辐射源的方向和距离；
所述步骤S4具体包括步骤：
S41：判断是否存在收敛的最小的脉冲接收间隔TOAmin，若是则进入步骤S42，若否则调整所述第二方向后返回至所述步骤S3；
S42：根据能够确定TOAmin的I个时刻内的Ti值、脉冲发射间隔Tfix求解所述脉冲辐射源的距离ri，Ti为第i时刻脉冲的脉冲到达时刻，ri为第i时刻脉冲至所述比幅测向模块之间的距离，i＝1，2，…，I；以及根据TOAmin、所述第一方向和所述第二方向确定所述脉冲辐射源的方向；在所述步骤S42中，根据如下方程组求解所述脉冲辐射源的距离ri：
Figure FDA0003498366710000021
其中，TOAi-1＝Ti-Ti-1表示脉冲接收间隔，TOA1＝T2-T1，C为光速，rmin为根据TOAmin所推算的最短传输距离；
在所述步骤S42中，确定距离rmin所对应的脉冲辐射源位于所述第二方向的垂直方向上，且靠近所述第一方向。
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