CN113589228B - 一种单站单天线的波束扫描外辐射源目标定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于雷达定位技术领域，具体涉及一种单站单天线的波束扫描外辐射源目标定位方法。本发明首先确定波束扫描外辐射源的位置坐标和单个信号接收站的位置坐标、外辐射源的波束扫描角速度；单个信号接收站利用单个天线接收波束扫描外辐射源直达波和目标反射波，获得目标主波束反射波与信号接收站主波束直达波之间的信号达到时差估计、目标反射波与波束扫描外辐射源直达波的到达时差估计；然后获得目标反射波与波束扫描外辐射源直达波的离波夹角估计；接着对目标与外辐射源之间的距离估计，进而确定目标的横坐标估计和纵坐标估计。

Description

一种单站单天线的波束扫描外辐射源目标定位方法
技术领域
本发明属于雷达定位技术领域，具体涉及一种单站单天线的波束扫描外辐射源目标定位方法。
背景技术
被动目标定位系统利用外部环境中已经存在的辐射源(简称外辐射源)信号作为非合作的雷达发射信号，通过设置一个信号接收站接收外辐射源的直达波信号和目标的反射信号，获取目标相对于信号接收站或外辐射源的位置信息。由于不需要主动向外辐射信号，被动目标定位方法不仅可以避免对周围电磁环境造成干扰，还具有隐蔽探测目标、单站定位目标的优点，因此，长期以来都是被动雷达与无线电定位领域的重点研究方向。
由于目标的来波方向是一种重要的目标位置信息，基于外辐射源的被动目标定位系统的信号接收站常采用多个天线组成的阵列接收外辐射源直达波脉冲与目标反射波脉冲，先通过脉冲参数估计确定目标反射波来波方向估计、目标反射波与外辐射源直达波的到达时差估计等参数，再在外辐射源位置和信号接收站位置已知的情况下确定目标相对于信号接收站或外辐射源的位置。
在实际应用场景中，与单天线信号接收系统相比，多个天线组成的阵列信号接收系统的复杂度、对安装平台的要求、校正与维护的成本都较高。但是，单个信号接收站采用的单个天线要么是不具备直接测向能力的全向天线，要么是天线的波束较宽，满足不了目标定位对测向精度的要求。
发明内容
本发明所要解决的问题就是针对信号接收站采用单天线接收波束扫描外辐射源直达波和目标反射波的场景，在波束扫描外辐射源位置和信号接收站位置已知、外辐射源的波束扫描角速度已知的情况下，如何利用外辐射源的波束扫描角速度、目标主波束反射波与信号接收站主波束直达波之间的信号达到时差估计、目标反射波与波束扫描外辐射源直达波之间的到达时差估计，实现确定目标位置的目的。
本发明的技术方案为：
一种单站单天线的波束扫描外辐射源目标定位方法，首先确定波束扫描外辐射源的位置坐标和单个信号接收站的位置坐标、外辐射源的波束扫描角速度；单个信号接收站利用单个天线接收波束扫描外辐射源直达波和目标反射波，确定目标主波束反射波与信号接收站主波束直达波之间的信号达到时差估计、目标反射波与波束扫描外辐射源直达波的到达时差估计；然后由外辐射源的波束扫描角速度、目标反射波与波束扫描外辐射源直达波的到达时差估计，确定目标反射波与波束扫描外辐射源直达波的离波夹角估计；接着由目标反射波与波束扫描外辐射源直达波的离波夹角估计、波束扫描外辐射源的位置坐标和单个信号接收站的位置坐标、目标反射波与波束扫描外辐射源直达波的到达时差估计，确定目标与外辐射源之间的距离估计，进而确定目标的横坐标估计和纵坐标估计。
本发明具体包括以下步骤：
S1、设置外辐射源与信号接收站位于横坐标上，外辐射源与定位站之间的距离为r0，外辐射源位于坐标原点，信号接收站的位置坐标为(r0,0)，外辐射源的波束扫描角速度v；单个信号接收站利用单个天线接收波束扫描外辐射源直达波和目标反射波，确定目标主波束反射波与信号接收站主波束直达波之间的信号达到时差估计为
Figure BDA0003188159720000021
目标反射波与波束扫描外辐射源直达波的到达时差估计为/>
Figure BDA0003188159720000022
S2、由外辐射源的波束扫描角速度(v)、目标主波束反射波与信号接收站主波束直达波之间的信号达到时差估计
Figure BDA0003188159720000023
确定目标反射波与波束扫描外辐射源直达波的离波夹角估计/>
Figure BDA0003188159720000024
为：
Figure BDA0003188159720000025
S3、由目标反射波与波束扫描外辐射源直达波的离波夹角估计
Figure BDA0003188159720000026
波束扫描外辐射源的位置坐标和单个信号接收站的位置坐标、目标反射波与波束扫描外辐射源直达波的到达时差估计/>
Figure BDA0003188159720000027
确定目标与外辐射源之间的距离估计/>
Figure BDA0003188159720000028
为：
Figure BDA0003188159720000029
其中，c为光速；
S4、由目标与外辐射源之间的距离估计
Figure BDA0003188159720000031
目标反射波与波束扫描外辐射源直达波的离波夹角估计/>
Figure BDA0003188159720000032
确定目标的横坐标估计为：
Figure BDA0003188159720000033
目标的纵坐标估计为：
Figure BDA0003188159720000034
本发明的有益效果是：使用本发明提出的一种单站单天线的波束扫描外辐射源目标定位方法，在波束扫描外辐射源位置和信号接收站位置已知、外辐射源的波束扫描角速度已知的情况下，利用外辐射源的波束扫描角速度、目标主波束反射波与信号接收站主波束直达波之间的信号达到时差估计、目标反射波与波束扫描外辐射源直达波之间的到达时差估计，即可实现确定目标位置的目的。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的实用性进行分析。
实施例
在本例中，设置外辐射源与信号接收站位于横坐标上，外辐射源与定位站之间的距离为1003.4米，外辐射源位于坐标原点，信号接收站的位置坐标为(1003.4，0)米，外辐射源的波束扫描角速度6度/秒。
目标的位置坐标实际值为(2043.9，2038.2)米；目标主波束反射波与信号接收站主波束直达波之间的信号达到时差实际值为7.4866秒，估计值为7.5398秒，估计误差为0.0532秒；对应的，目标反射波与波束扫描外辐射源直达波的离波夹角实际值为44.9197度，估计值为45.2389度，估计误差0.3192度；目标反射波与波束扫描外辐射源直达波的到达时差实际值为13.9045微秒，估计值为13.9358微秒，误差为31.2859纳秒。
本发明方法在波束扫描外辐射源位置和信号接收站位置已知、外辐射源的波束扫描角速度已知的情况下，利用目标主波束反射波与信号接收站主波束直达波之间的信号达到时差估计、目标反射波与波束扫描外辐射源直达波之间的到达时差估计，确定的外辐射源坐标估计为(2.0341，2.0397)米。可见，本发明方法对外辐射源的定位误差为(-9.7989，1.5922)米，相对定位误差(定位误差的Frobenius范数除以目标与外辐射源之间的距离)为0.34％，实现了对目标定位的目的。

Claims (1)

1.一种单站单天线的波束扫描外辐射源目标定位方法，设置外辐射源与信号接收站位于横坐标上，外辐射源与信号接收站之间的距离为r0，外辐射源位于坐标原点，信号接收站的位置坐标为(r0,0)，外辐射源的波束扫描角速度为v，其特征在于，定位方法包括以下步骤：
S1、通过单个信号接收站利用单个天线接收波束扫描外辐射源直达波和目标反射波，获得目标主波束反射波与信号接收站主波束直达波之间的信号达到时差估计为
Figure FDA0003188159710000011
目标反射波与波束扫描外辐射源直达波的到达时差估计为/>
Figure FDA0003188159710000012
S2、由外辐射源的波束扫描角速度v、目标主波束反射波与信号接收站主波束直达波之间的信号达到时差估计
Figure FDA0003188159710000013
获得目标反射波与波束扫描外辐射源直达波的离波夹角估计/>
Figure FDA0003188159710000014
为：
Figure FDA0003188159710000015
S3、由目标反射波与波束扫描外辐射源直达波的离波夹角估计
Figure FDA0003188159710000016
波束扫描外辐射源的位置坐标和单个信号接收站的位置坐标、目标反射波与波束扫描外辐射源直达波的到达时差估计/>
Figure FDA0003188159710000017
获得目标与外辐射源之间的距离估计/>
Figure FDA0003188159710000018
为：
Figure FDA0003188159710000019
其中，c为光速；
S4、由目标与外辐射源之间的距离估计
Figure FDA00031881597100000110
目标反射波与波束扫描外辐射源直达波的离波夹角估计/>
Figure FDA00031881597100000111
获得目标的横坐标估计为：
Figure FDA00031881597100000112
目标的纵坐标估计为：
Figure FDA00031881597100000113
/>
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