CN116184449A - 一种基于单星分时的时差定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于单星分时的时差定位方法，属于卫星定位领域，包括以下步骤：步骤一：选择目标卫星，目标卫星接收辐射源分时发送的脉冲信号；步骤二：建立脉冲到达卫星的时间模型，得到脉冲时间TOA序列；步骤三：计算得到脉冲时间TOA序列重复周期

步骤四：对分时接收的信号，计算接收脉冲序列数；步骤五：建立分时时差定位模型，得出分时单星定位方程；步骤六：确定辐射源位置，本发明通过使用单颗卫星测量到的TOA信息进行定位，仅需要单通道即可实现定位，降低了对卫星载荷的要求，较于现有技术，本发明所提供的方法能够实现在单颗卫星上使用时差进行定位，无需传统的三星时差定位中多星组网、脉冲配对的要求，方法更加简单。

Description

一种基于单星分时的时差定位方法

技术领域

本发明属于卫星定位技术领域，具体涉及一种基于单星分时的时差定位方法。

背景技术

无源卫星定位技术作为一种空间电子侦察技术手段，具有隐蔽性好、覆盖范围广、不受领土、领空、领海和天气条件的限制，对较大范围内的目标进行定位的优点，受到各军事强国的普遍重视。

星载定位体制可以分为单星定位体制和多星定位体制。其中多星体制的定位方法有多星时差定位、多星时频差定位等，多星定位能够利用多颗卫星收集的辐射源信息进行联合定位，定位精度更高。但多星体制的辐射源定位有一定的条件要求，需要卫星相互之间时钟的精确同步，以及辐射源能够同时共视多星，经过脉冲匹配之后才能准确获得同一脉冲到多星之间的时差、频差，给实际处理应用增加了难度。

而单星定位相对于多星体制，避开了组网要求，无需达到共视要求，避开脉冲配对的信号处理过程，定位可用性更加突出。现有的单星定位体制多采用干涉仪测向方法，需要使用二维多通道的干涉仪阵列进行辐射源测向，因而对接收机通道间相位的一致性、卫星姿态测控的要求都很高。

近年来，国内外很多学者提出了许多单星定位的方法。主要是基于测频、多普勒频率变化率的无源定位方法等。但这些方法对频率分辨率的要求需达到Hz级甚至更高，并且要求信号的载频在相对长的时间内保持不变，不实用于短促的雷达脉冲信号。

发明内容

本发明的目的是针对以上问题，提供一种基于单星分时的时差定位方法，通过收集脉冲到达时间的方式，拉长基线，建立脉冲到达时间与目标位置之间的定位方程，确定初始迭代位置，利用非线性优化方法求解目标位置，实现定位。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种基于单星分时的时差定位方法，包括以下步骤：

步骤一：选择目标卫星，目标卫星接收辐射源分时发送的脉冲信号；

步骤二：建立脉冲到达卫星的时间模型，得到脉冲时间TOA序列；

步骤三：计算处理得到脉冲时间TOA序列重复周期

步骤四：对分时接收的脉冲信号，计算接收脉冲序列数；

步骤五：根据步骤二中得到的TOA序列以及步骤四中得到的序列数，建立分时时差定位模型，得出分时单星定位方程；

步骤六：采用非线性方法求解步骤五中的方程，确定辐射源位置。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤二中建立到达卫星时间模型时：

在WGS-84坐标系下，i时刻，卫星的坐标为：

S_i＝(x_si,y_si,z_si)，

地面上静止目标的坐标为：

G＝(x,y,z)；

其发射固定重频的脉冲信号，PRI为T_r，

则i时刻脉冲到达时间模型为：

TOA_i＝t₀+N_i×T_r+||S_i-G||/c+ε_i(i＝1,2,...,k)，

其中：t₀为辐射源第一个脉冲的发射时间，N_i为到达卫星的脉冲个数，c表示电磁波在空气中的传播速度，到达时间测量误差ε_i服从均值为0，方差为σ²的高斯分布。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤四中：

对于每段时间段内的脉冲TOA序列，以接收到的第一个辐射源脉冲作为基础参考，第一个脉冲的到达时间可表示为：

TOA₁＝t₀+||S₁-G||/c+ε₁，

后续脉冲的计数个数通过与第一个脉冲到达时间相减后，对

取模运算，即可得出，计算公式为：

其中[·]表示取整运算；Δε＝ε_i-ε₁，Δr_i＝||S_i-G||-||S₁-G||。

作为上述技术方案的进一步改进，在对N_i进行计算时，需要满足Δr_i/c小于

作为上述技术方案的进一步改进，步骤五中，当卫星在t_A，t_B，t_C，t_D时刻收到辐射源发射的脉冲信号，则t_A，t_B属于第一段时间段，t_C，t_D属于第二段时间段，对应卫星所在位置为S_A，S_B，S_C，S_D，脉冲到达时间表示为：

TOA_A＝t₀₁+N_A×T_r+||S_A-G||/c+ε_A，

TOA_B＝t₀₁+N_B×T_r+||S_B-G||/c+ε_B，

TOA_C＝t₀₂+N_C×T_r+||S_C-G||/c+ε_C，

TOA_D＝t₀₂+N_D×T_r+||S_D-G||/c+ε_D，

其中t₀₁、t₀₂分别表示为两个时间段内第一个辐射源脉冲信号的到达时间，

故到达时间差可以表示为：

TDOA_BA＝TOA_B-TOA_A＝(N_B-N_A)×T_r+(||S_B-G||-||S_A-G||)/c+ε_B-ε_A，

TDOA_DC＝TOA_D-TOA_C＝(N_D-N_C)×T_r+(||S_D-G||-||S_C-G||)/c+ε_D-ε_C，在零高程假设的情况下，地球表面约束方程写为：

其中e为WGS-84坐标系下第一偏心率，a为地球长半轴；

因此，构建的分时单星定位方程为：

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作为上述技术方案的进一步改进，步骤六中求解方程时：

首先令

则所构建的分时单星定位方程表示为：

采用非线性方法求解上述方程得到的值即为辐射源的位置。

本发明的有益效果：

1、本发明提供了一种基于单星分时的时差定位方法，本发明通过使用单颗卫星测量到的TOA信息进行定位，仅需要单通道即可实现定位，降低了对卫星载荷的要求。

2、较于现有技术，本发明所提供的方法能够实现在单颗卫星上使用时差进行定位，无需传统的三星时差定位中多星组网、脉冲配对的要求，方法更加简单。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为单颗卫星的运行轨迹图；

图3为脉冲发射与接收时间示意图；

其中，上述附图包括以下附图标记：10、卫星运行轨道；11、地面上辐射源G的位置；20、辐射源发射第一个脉冲的时间t0；21、辐射源发射信号的脉冲重复周期Tr；22、接收机接收到第一个脉冲的时延。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

如说明书附图1-3所示，作为本发明的一个具体实施例，本发明的具体为：一种基于单星分时的时差定位方法，具体包括以下步骤：

步骤一：选择目标卫星，目标卫星接收辐射源分时发送的脉冲信号；

步骤二：建立脉冲到达卫星的时间模型，得到脉冲时间TOA序列；

步骤三：计算处理得到脉冲时间TOA序列重复周

其计算方法属于本领域技术公知的现有技术，在此不再进行叙述；

步骤四：对分时接收到的脉冲信号，计算得到接收脉冲序列数；

步骤五：根据步骤二中得到的TOA序列以及步骤四中得到的序列数，建立分时时差定位模型，得出分时单星定位方程；

步骤六：采用非线性方法求解步骤五中的方程，确定辐射源位置。

在上述实施例的基础上进一步优化：步骤二中建立到达卫星时间模型时：

在WGS-84坐标系下，i时刻，卫星的坐标为：

S_i＝(x_si,y_si,z_si)，

地面上静止目标的坐标为：

G＝(x,y,z)；

其发射固定重频的脉冲信号，PRI为T_r，

则i时刻脉冲到达时间模型为：

TOA_i＝t₀+N_i×T_r+||S_i-G||/c+ε_i(i＝1,2,...,k)，

其中：t₀为辐射源第一个脉冲的发射时间，N_i为到达卫星的脉冲个数，c表示电磁波在空气中的传播速度，到达时间测量误差ε_i服从均值为0，方差为σ²的高斯分布。

在上述实施例的基础上进一步优化：所述步骤四中：

对于每段时间段内的脉冲TOA序列，以接收到的第一个辐射源脉冲作为基础参考，第一个脉冲的到达时间可表示为：

TOA₁＝t₀+||S₁-G||/c+ε₁，

后续脉冲的计数个数通过与第一个脉冲到达时间相减后，对重复周期

取模运算，即可得出，计算公式为：

其中[·]表示取整运算；Δε＝ε_i-ε₁，Δr_i＝||S_i-G||-||S₁-G||，

在对N_i进行计算时，需要满足Δr_i/c小于

在上述实施例的基础上进一步优化：步骤五中，当卫星在t_A，t_B，t_C，t_D时刻收到辐射源发射的脉冲信号，则t_A，t_B属于第一段时间段，t_C，t_D属于第二段时间段，对应卫星所在位置为S_A，S_B，S_C，S_D，脉冲到达时间表示为：

TOA_A＝t₀₁+N_A×T_r+||S_A-G||/c+ε_A，

TOA_B＝t₀₁+N_B×T_r+||S_B-G||/c+ε_B，

TOA_C＝t₀₂+N_C×T_r+||S_C-G||/c+ε_C，

TOA_D＝t₀₂+N_D×T_r+||S_D-G||/c+ε_D，

其中t₀₁、t₀₂分别表示为两个时间段内第一个辐射源脉冲信号的到达时间，

故到达时间差可以表示为：

TDOA_BA＝TOA_B-TOA_A＝(N_B-N_A)×T_r+(||S_B-G||-||S_A-G||)/c+ε_B-ε_A，

TDOA_DC＝TOA_D-TOA_C＝(N_D-N_C)×T_r+(||S_D-G||-||S_C-G||)/c+ε_D-ε_C，

在零高程假设的情况下，地球表面约束方程写为：

其中e为WGS-84坐标系下第一偏心率，a为地球长半轴；

因此，构建的分时单星定位方程为：

在上述实施例的基础上进一步优化：步骤六中求解方程时：

首先令

则所构建的分时单星定位方程表示为：

采用非线性方法求解上述方程得到的值即为辐射源的位置；

采用的非线性方法可选为牛顿迭代法；对于牛顿迭代法需要确定初始迭代位置，可参照附图2所示，其中B位置为S_B，C位置为S_C，初始迭代位置可以选择B、C位置连线中点的星下点位置作为辐射源初始位置，即为(S_B+S_C)/2的星下点。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于单星分时的时差定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：选择目标卫星，目标卫星接收辐射源分时发送的脉冲信号；

步骤二：建立脉冲到达卫星的时间模型，得到脉冲时间TOA序列；

步骤三：计算处理得到脉冲时间TOA序列重复周期

步骤四：对分时接收的脉冲信号，计算接收脉冲序列数；

步骤五：根据步骤二中得到的TOA序列以及步骤四中得到的序列数，建立分时时差定位模型，得出分时单星定位方程；

步骤六：采用非线性方法求解步骤五中的方程，确定辐射源位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于单星分时的时差定位方法，其特征在于：步骤二中建立到达卫星时间模型时：

在WGS-84坐标系下，i时刻，卫星的坐标为：

S_i＝(x_si,y_si,z_si)，

地面上静止目标的坐标为：

G＝(x,y,z)；

其发射固定重频的脉冲信号，PRI为T_r，

则i时刻脉冲到达时间模型为：

TOA_i＝t₀+N_i×T_r+||S_i-G||/c+ε_i(i＝1,2,...,k)，

其中：t₀为辐射源第一个脉冲的发射时间，N_i为到达卫星的脉冲个数，c表示电磁波在空气中的传播速度，到达时间测量误差ε_i服从均值为0，方差为σ²的高斯分布。

3.根据权利要求2所述的一种基于单星分时的时差定位方法，其特征在于：所述步骤四中：

对于每段时间段内的脉冲TOA序列，以接收到的第一个辐射源脉冲作为基础参考，第一个脉冲的到达时间可表示为：

TOA₁＝t₀+||S₁-G||/c+ε₁，

后续脉冲的计数个数通过与第一个脉冲到达时间相减后，对

取模运算，即可得出，计算公式为：

其中[·]表示取整运算；Δε＝ε_i-ε₁，Δr_i＝||S_i-G||-||S₁-G||。

4.根据权利要求3所述的一种基于单星分时的时差定位方法，其特征在于：在对N_i进行计算时，需要满足Δr_i/c小于

5.根据权利要求3所述的一种基于单星分时的时差定位方法，其特征在于：

步骤五中，当卫星在t_A，t_B，t_C，t_D时刻收到辐射源发射的脉冲信号，则t_A，t_B属于第一段时间段，t_C，t_D属于第二段时间段，对应卫星所在位置为S_A，S_B，S_C，S_D，脉冲到达时间表示为：

TOA_A＝t₀₁+N_A×T_r+||S_A-G||/c+ε_A，

TOA_B＝t₀₁+N_B×T_r+||S_B-G||/c+ε_B，

TOA_C＝t₀₂+N_C×T_r+||S_C-G||/c+ε_C，

TOA_D＝t₀₂+N_D×T_r+||S_D-G||/c+ε_D，

其中t₀₁、t₀₂分别表示为两个时间段内第一个辐射源脉冲信号的到达时间，

故到达时间差可以表示为：

TDOA_BA＝TOA_B-TOA_A＝(N_B-N_A)×T_r+(||S_B-G||-||S_A-G||)/c+ε_B-ε_A，

TDOA_DC＝TOA_D-TOA_C＝(N_D-N_C)×T_r+(||S_D-G||-||S_C-G||)/c+ε_D-ε_C，

在零高程假设的情况下，地球表面约束方程写为：

其中e为WGS-84坐标系下第一偏心率，a为地球长半轴；

因此，构建的分时单星定位方程为：

6.根据权利要求5所述的一种基于单星分时的时差定位方法，其特征在于：步骤六中求解方程时：

首先令

则所构建的分时单星定位方程表示为：

采用非线性方法求解上述方程得到的值即为辐射源的位置。

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