CN117452321B - 基于干涉仪及单站无源交叉定位的机载测向及定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于干涉仪及单站无源交叉定位的机载测向及定位系统，天线阵单元接收2GHz~18GHz频段范围内的雷达射频信号；微波单元对天线阵单元接收到的雷达射频信号处理得到三路以1.8GHz为中心频率的中频信号；信号处理单元对中频信号进行处理，实现PDW参数测量和多基线相位干涉仪测向得到PDW数据，然后将PDW数据先送入分选得到EDW数据，接着将去除杂波后的有用信号进行单站无源交叉定位；其中，天线阵单元基于三阵元三基线设置有左侧阵面、右侧阵面和前侧阵面，根据相位干涉仪测向的基线长度进行布阵。本发明对来波方向角的计算做出优化，使用到的为长基线不模糊的测量值进行计算，采用虚拟基线多级解模糊算法。
Description
技术领域
本发明涉及雷达信号侦察技术，具体涉及一种基于干涉仪及单站无源交叉定位的机载测向及定位系统。
背景技术
机载侦察测向系统可搭载于亚音速载机，主要任务是在高速移动过程面对较为复杂的电磁环境，实战条件下实现对远程预警雷达、搜索监视雷达、跟踪制导雷达等相关装备的侦察覆盖，监测分析各类雷达信号，对雷达辐射源进行定位。并可通过机载通信链路将侦察所得的数据实时回传至载机地面站。
机载侦察测向系统还可以为可视化战场电磁环境构设情况做检验评估，可以实现全频段监测、多路信号处理、同频信号处理、高精度信号测向等功能，完成对信号生成、电磁信号侦测和电磁环境可视化等项目的检测。
机载侦察测向系统能够对监测区域内2GHz ~18GHz频段范围内的雷达信号进行侦察测向。机载侦察测向系统可对指定重点区域进行信号监测，将采集到的实时电磁信号进行处理、识别、分析，获取辐射源的用频信息、调制样式和精确方位等信息参数，并与该区域信号样本库进行比对，识别判断辐射源是否为目标辐射源，再通过其后台支持软件系统在载机地面站进行对应显示。
目前，已有相关测向定位方法，例如专利CN114325566B公开一种超宽带来波信号测频测向布阵方法及其计算方法，虽使用了虚拟相位，但是该专利技术方案使用φmax作为最长实基线对应的真实相位，适合超宽带来波信号测频测向布阵；CN115542243A公开基于阵列天线的干涉仪测向方法及系统，其使用长短基线方式进行解模糊。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于干涉仪及单站无源交叉定位的机载测向及定位系统。
技术方案：本发明的一种基于干涉仪及单站无源交叉定位的机载测向及定位系统，包括天线阵单元、微波单元和信号处理单元；所述天线阵单元接收2GHz ~18GHz频段范围内的雷达射频信号；所述微波单元对天线阵单元接收到的雷达射频信号处理得到三路以1.8GHz为中心频率的中频信号；所述信号处理单元对中频信号进行处理，实现PDW参数测量和多基线相位干涉仪测向得到PDW数据，然后将PDW数据先送入分选得到EDW数据，接着将去除杂波后的有用信号进行单站无源交叉定位；
其中，天线阵单元基于三阵元三基线设置有左侧阵面、右侧阵面和前侧阵面，每个阵面均设有三个2GHz~6GHz天线和三个6GHz~18GHz天线，并根据相位干涉仪测向的基线长度进行布阵。
进一步地，还包括电源转换单元和显控单元，电源转换单元为其他四个单元供电；显控单元作为操作终端完成操作人员的任务下发，并实现系统所获取信息的显示功能；
所述微波单元包括射频前端、定向射频接收组件和频综组件，接收来自天线阵单元的十八路射频信号，经过选频、限幅、滤波、放大和变频得到中频为1.8GHz的三路中频信号，并将其送入信号处理单元进行处理；
所述信号处理单元包括数字分单元和主控分单元，数字分单元中的三通道ADC子卡对来自微波单元的三路中频信号进行2.4GHz采样，再由数字分单元进行3路信道化处理，实现PDW参数测量和相位干涉仪测向，将PDW数据送至主控分单元进行信号分选得到EDW数据，并将处理好的EDW数据进行单站无源交叉定位，得到有用信号的位置信息；所述主控分单元实现侦察系统的流程控制和数据传输控制，并与载机进行控制指令与数据的交互。
进一步地，所述多基线相位干涉仪测向的具体方法为：
天线和天线之间距离，波长为的电磁波以方向角入射，则两天线间的电磁波相位差为：
公式（1）；
通过测量天线间的相位差，进而得到方位角；
公式（2）；
其中，，若测角范围是-90°~90°，则；
由于干涉仪测角的精度与基线长度有关，对公式（1）做微分；
公式（3）
结合公式（1）和公式（3），可得测角误差为：
公式（4）
由公式（4）可知，基线长度越大，测角误差越小；
引入虚拟基线和长基线，虚拟基线和长基线的长度为和，虚拟基线和长基线相位差测量值为和，和为测量误差；长基线和虚拟基线为引入参数，长基线长度约等于设备可布置天线的最大距离；虚拟基线计算方法为相邻两个基线的差值，具体长度确认关系为设备可设置天线间的最大距离与能正确解模糊的最优解；
因为虚拟基线测得的相位差是不模糊的，所以根据公式（1）：
公式（5）
由于长基线所测得相位是模糊的，假设其测量值和真实值相差个，为整数，则根据公式（1）有：
公式（6）
上述公式（5）和（6）相比可得
公式（7）
从而解得
公式（8）
其中，round是一个四舍五入取整函数，式中round函数中的第二项绝对值要小于0.5；
解得模糊数后，得到长基线不模糊的测量值，记为，，代入公式（2），得到角度测量值：
公式（9）
由模糊数的解算公式可知，模糊数的值能否解算正确与项有关；如果过大，则相位差测量误差会被放大很多倍，从而导致模糊数解算错误；为正确解模糊，采用逐级解模糊的方式，在虚拟基线和长基线之间增加几个基线，使得后一级基线和前一级基线的比值不要过大，减小误差的模糊数解算的影响。
此处确定虚拟基线和长基线之间的基线数量根据设备准许布置天线的最大距离，及天线大小确定。例如如果采用3级解模糊，具体可分为2~6和6~18两组基线值。2~6 采用D1：0.092m D2：0.121m 总基线长度为0.213m。 6~18采用D1：0.028m D2：0.037基线长度为0.065.。 三级基线的计算方法分别为：一级基线 D2-D1， 二级基线 D1， 三级基线D2+D1。
进一步地，所述单站无源交叉定位的具体方法为：
步骤（a）、对对连续侦收到的M个脉冲的脉冲到达方向DOA进行平均；
其中，；
为雷达距离，是指雷达脉冲重复频率，是指载机飞行速度v，是指定位设备的测向误差；
步骤（b）、构建单站无源交叉定位模型
单站无源交叉定位模型中，机载无源定位设备配有GPS且沿直线飞行，其飞行方向定义为X轴；定位设备发现辐射源信号时的位置用表示，测量的角度值用表示() 随着飞机的移动，会进行多次测量，每次测量都会产生一个用次测量到的角度值；定位设备首次观测发现辐射源信号的位置定义为坐标原点，即，；待定位的固定辐射源位于点，距坐标原点的距离为；定位设备走过距离到达点时，与辐射源的视线角变化量为：
公式（10）
定位设备获得个测向角度和自身位置坐标之后，可得定位观测方程如下
公式（11）
令
公式（12）
则辐射源位置的最小二乘解为
公式（13）
式中，上标表示取矩阵的转置；
令，可得
公式（14）
公式（15）
令，则
其中，，则有 公式（16）
步骤（c）、坐标系转换，使用WGS-84坐标系获得无人机设备的GPS信息、经纬高信息，然后依次转换为站心坐标系，来测量到地面站之间的方位。
进一步地，坐标转换的具体过程为：
步骤1）、地心地固坐标系{e系}与站心坐标系{g系}的转换
将e系坐标原点平移至g系坐标原点，得到坐标系{}；绕轴旋转站心的大地经度L，然后再逆时针旋转，得到坐标系{}；绕逆时针旋转()，为站心的大地维度，使垂直地表向上，此时指向正北，就变成了站心坐标系{g系}；
实际测角得到的角度是目标相对于测量点正北方向的角度，因此采用北东下坐标系{n系}比较合适，即等式右边再左乘矩阵，得到
站心坐标系{n系}到地心地固坐标系{e系}的转换为上述过程的逆过程；
步骤2）、WGS-84坐标系内经纬高大地坐标和直角坐标的转换
WGS-84坐标系的x轴指向BIH1984.0的零度子午面和协议地球极赤道的交点，y轴和z轴、x轴构成右手坐标系；WGS-84椭球的几何中心与地球质心重合，椭球的旋转轴和z轴一致，其基本集合参数如下：
长半轴；扁率；短轴；第一偏心率的平方；
WGS-84大地坐标系到地固笛卡尔坐标系的转换关系
式中，为当地地球卯酉圈曲率半径，其定义为
WGS-84地固笛卡尔坐标系到大地坐标系的转换迭代如下：
迭代初值设置为
然后每次迭代按照下式进行
直到
和视精度而定；经度L的计算无需迭代，计算公式为：。
进一步地，信号分选协同单站无源定位的具体方法为：
将全部信号（包括实际雷达信号和环境噪声信号）通过天线进入系统，有数字接收机将信号转化为可识别的雷达脉冲描述字PDW，将生成的PDW送入控制单元，进行噪声信号剔除，将剔除后的数据进行信号分选，识别到稳定的有用信号的辐射源描述字EDW，将得到的有用信号的EDW送入单站定位算法中，最终的出有用信号的位置信息。
有益效果：本发明对来波方向角的计算做出优化，使用到的为长基线不模糊的测量值进行计算，该值可经过推导得来，，另外，本发明虽然实现宽带检测，但实现方式是基于窄带宽快速扫频得出，采用虚拟基线多级解模糊算法。
附图说明
图1为本发明的整体框架示意图；
图2为现有干涉仪测向原理图；
图3为本发明单站无源定位模型示意图；
图4为本发明分选算法协同单站无源定位示意图；
图5为实施例不同频点测得的起伏误差示意图；
图6为实施例不同频点测得的系统误差示意图；
图7为实施例采样间隔为1s的定位结果图；
图8为实施例采样间隔为10us,平均点数分别为10点和100点的定位结果图；
图9为实施例误差分析数据图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
现有技术中测向设备的大体积大重量，无法难以搭载无人机设备，并且难以实现大范围、宽频段高精度测向。如图1至图4所示，本发明的基于干涉仪及单站无源交叉定位的机载测向及定位系统，包括天线阵单元、微波单元和信号处理单元；天线阵单元接收2GHz ~18GHz频段范围内的雷达射频信号；微波单元对天线阵单元接收到的雷达射频信号处理得到三路以1.8GHz为中心频率的中频信号；所述信号处理单元对中频信号进行处理，实现PDW参数测量和多基线相位干涉仪测向得到PDW数据，然后将PDW数据先送入分选得到EDW数据，接着将去除杂波后的有用信号进行单站无源交叉定位；其中，天线阵单元基于三阵元三基线设置有左侧阵面、右侧阵面和前侧阵面，每个阵面均设有三个2GHz~6GHz天线和三个6GHz~18GHz天线，并根据相位干涉仪测向的基线长度进行布阵。
本实施例还包括电源转换单元和显控单元，电源转换单元为其他四个单元供电；显控单元作为操作终端完成操作人员的任务下发，并实现系统所获取信息的显示功能；所述微波单元包括射频前端、定向射频接收组件和频综组件，接收来自天线阵单元的十八路射频信号，经过选频、限幅、滤波、放大和变频得到中频为1.8GHz的三路中频信号，并将其送入信号处理单元进行处理；所述信号处理单元包括数字分单元和主控分单元，数字分单元中的三通道ADC子卡对来自微波单元的三路中频信号进行2.4GHz采样，再由数字分单元进行3路信道化处理，实现PDW参数测量和相位干涉仪测向，将PDW数据送至主控分单元进行信号分选得到EDW数据，并将处理好的EDW数据进行单站无源交叉定位，得到有用信号的位置信息；所述主控分单元实现侦察系统的流程控制和数据传输控制，并与载机进行控制指令与数据的交互。
本实施例的多基线相位干涉仪测向的具体方法为：
天线和天线之间距离，波长为的电磁波以方向角入射，则两天线间的电磁波相位差为：
公式（1）；
通过测量天线间的相位差，进而得到方位角；
公式（2）；
其中，，若测角范围是-90°~90°，则；
由于干涉仪测角的精度与基线长度有关，对公式（1）做微分；
公式（3）
结合公式（1）和公式（3），可得测角误差为：
公式（4）
由公式（4）可知，基线长度越大，测角误差越小；
引入虚拟基线和长基线，虚拟基线和长基线的长度为和，虚拟基线和长基线相位差测量值为和，和为测量误差；
因为虚拟基线测得的相位差是不模糊的，所以根据公式（1）：
公式（5）
由于长基线所测得相位是模糊的，假设其测量值和真实值相差个，为整数，则根据公式（1）有：
公式（6）
上述公式（5）和（6）相比可得
公式（7）
从而解得
公式（8）
其中，round是一个四舍五入取整函数，式中round函数中的第二项绝对值要小于0.5；
解得模糊数后，得到长基线不模糊的测量值，记为，，代入公式（2），得到角度测量值：
公式（9）
采用逐级解模糊方法在虚拟基线和长基线之间增加对应数量的基线，使得后一级基线和前一级基线的比值不要过大，减小误差的模糊数解算的影响。
本实施例的单站无源交叉定位的具体方法为：
步骤（a）、对对连续侦收到的M个脉冲的脉冲到达方向DOA进行平均；
其中，；
为雷达距离，是指雷达脉冲重复频率，是指载机飞行速度v，是指定位设备的测向误差；
步骤（b）、构建单站无源交叉定位模型
单站无源交叉定位模型中，机载无源定位设备配有GPS且沿直线飞行，其飞行方向定义为X轴；定位设备发现辐射源信号时的位置用表示，测量的角度值用表示()；定位设备首次观测发现辐射源信号的位置定义为坐标原点，即，；待定位的固定辐射源位于点，距坐标原点的距离为；定位设备走过距离到达点时，与辐射源的视线角变化量为：
公式（10）
定位设备获得个测向角度和自身位置坐标之后，可得定位观测方程如下
公式（11）
令
公式（12）
则辐射源位置的最小二乘解为
公式（13）
式中，上标表示取矩阵的转置；
令，可得
公式（14）
公式（15）
令，则
其中，，则有 公式（16）
步骤（c）、坐标系转换，使用WGS-84坐标系获得无人机设备的GPS信息、经纬高信息，然后依次转换为站心坐标系，来测量到地面站之间的方位。
坐标转换的具体过程为：
步骤1）、地心地固坐标系{e系}与站心坐标系{g系}的转换
将e系坐标原点平移至g系坐标原点，得到坐标系{}；绕轴旋转站心的大地经度L，然后再逆时针旋转，得到坐标系{}；绕逆时针旋转()，为站心的大地维度，使垂直地表向上，此时指向正北，就变成了站心坐标系{g系}；
实际测角得到的角度是目标相对于测量点正北方向的角度，因此采用北东下坐标系{n系}比较合适，即等式右边再左乘矩阵，得到
站心坐标系{n系}到地心地固坐标系{e系}的转换为上述过程的逆过程；
步骤2）、WGS-84坐标系内经纬高大地坐标和直角坐标的转换
WGS-84坐标系的x轴指向BIH1984.0的零度子午面和协议地球极赤道的交点，y轴和z轴、x轴构成右手坐标系；WGS-84椭球的几何中心与地球质心重合，椭球的旋转轴和z轴一致，其基本集合参数如下：
长半轴；扁率；短轴；第一偏心率的平方；
WGS-84大地坐标系到地固笛卡尔坐标系的转换关系
式中，为当地地球卯酉圈曲率半径，其定义为
WGS-84地固笛卡尔坐标系到大地坐标系的转换迭代如下：
迭代初值设置为
然后每次迭代按照下式进行
直到
和视精度而定；经度L的计算无需迭代，计算公式为：。
实施例
本实施例在不同频点所测得的系统误差及起伏误差如图5所示，图5中测向数据和起伏误差由测向精度所引起的系统起伏，不可消除，是设备真实误差。
本实施例采用信号分选算法对其进行优化，将采集到的PDW数据先送入分选，得到EDW数据，即天然分得有用信号，剔除反射信号，噪声信号等杂波信号，再将分选过的有用信号进行单站无源交叉定位，使得定位更精确，更快速。
本实施例的测向数据系统误差如图6所示，系统误差由于设备固有误差所引起的，测得系统误差可进行固有误差修正，因此，该部分误差固定不变可消除。
本实施例的采样间隔为1s的仿真定位结果如图7所示，使用100点平均方式实现采样间隔为10us,平均点数分别为10点和100点的定位结果如图8所示，图中从上向下依次三条曲线，第一条曲线为不平均方式选取数据，第二条曲线为10点数据平均方式选取数据，第三条线为100点数据平均方法选取点数。本实施例实际测试结果及误差如表1所示。
表1 实际测试结果及误差
| 距离(KM) | 100个点中取点个数 | 经度 | 纬度 | 距离（KM） | 误差 |
| 5 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 4.986 | -0.014 |
| 6 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 5.983 | -0.017 |
| 7 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 6.98 | -0.02 |
| 8 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 7.977 | -0.023 |
| 9 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 8.974 | -0.026 |
| 10 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 9.971 | -0.029 |
| 11 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 10.968 | -0.032 |
| 12 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 11.966 | -0.034 |
| 13 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 12.963 | -0.037 |
| 14 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 13.96 | -0.04 |
| 15 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 14.957 | -0.043 |
| 16 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 15.954 | -0.046 |
| 17 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 16.951 | -0.049 |
| 18 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 17.948 | -0.052 |
| 19 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 18.946 | -0.054 |
| 20 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 19.943 | -0.057 |
| 21 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 20.94 | -0.06 |
| 22 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 21.937 | -0.063 |
| 23 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 22.934 | -0.066 |
| 24 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 23.931 | -0.069 |
| 25 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 24.928 | -0.072 |
| 26 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 25.925 | -0.075 |
| 27 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 26.923 | -0.077 |
| 28 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 27.92 | -0.08 |
| 29 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 28.917 | -0.083 |
| 30 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 29.914 | -0.086 |
| 31 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 30.911 | -0.089 |
| 32 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 31.908 | -0.092 |
| 33 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 32.905 | -0.095 |
| 34 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 33.902 | -0.098 |
| 35 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 34.9 | -0.1 |
| 36 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 35.897 | -0.103 |
| 37 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 36.894 | -0.106 |
| 38 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 37.891 | -0.109 |
| 39 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 38.888 | -0.112 |
| 40 | 100 | 121.5 | 31.2397 | 39.885 | -0.115 |
| 41 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 40.882 | -0.118 |
| 42 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 41.879 | -0.121 |
| 43 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 42.876 | -0.124 |
| 44 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 43.874 | -0.126 |
| 45 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 44.871 | -0.129 |
| 46 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 45.868 | -0.132 |
| 47 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 46.865 | -0.135 |
| 48 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 47.862 | -0.138 |
| 49 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 48.859 | -0.141 |
| 50 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 49.856 | -0.144 |
| 51 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 50.853 | -0.147 |
| 52 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 51.85 | -0.15 |
| 53 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 52.847 | -0.153 |
| 54 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 53.844 | -0.156 |
| 55 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 54.841 | -0.159 |
| 56 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 55.838 | -0.162 |
| 57 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 56.835 | -0.165 |
| 58 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 57.832 | -0.168 |
| 59 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 58.829 | -0.171 |
| 60 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 59.826 | -0.174 |
| 61 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 60.824 | -0.176 |
| 62 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 61.821 | -0.179 |
| 63 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 62.818 | -0.182 |
| 64 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 63.815 | -0.185 |
| 65 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 64.812 | -0.188 |
| 66 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 65.809 | -0.191 |
| 67 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 66.806 | -0.194 |
| 68 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 67.803 | -0.197 |
| 69 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 68.8 | -0.2 |
| 70 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 69.797 | -0.203 |
| 71 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 70.793 | -0.207 |
| 72 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 71.79 | -0.21 |
| 73 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 72.787 | -0.213 |
| 74 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 73.784 | -0.216 |
| 75 | 100 | 121.5 | 31.2398 | 74.781 | -0.219 |
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| 78 | 100 | 121.5 | 31.2399 | 77.772 | -0.228 |
| 79 | 100 | 121.5 | 31.2399 | 78.769 | -0.231 |
| 80 | 100 | 121.5 | 31.2399 | 79.766 | -0.234 |
| 81 | 100 | 121.5 | 31.2399 | 80.763 | -0.237 |
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| 85 | 100 | 121.5 | 31.2399 | 84.75 | -0.25 |
| 86 | 100 | 121.5 | 31.2399 | 85.747 | -0.253 |
| 87 | 100 | 121.5 | 31.2399 | 86.744 | -0.256 |
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| 89 | 100 | 121.5 | 31.2399 | 88.738 | -0.262 |
| 90 | 100 | 121.5 | 31.2399 | 89.735 | -0.265 |
| 91 | 100 | 121.5 | 31.2399 | 90.732 | -0.268 |
| 92 | 100 | 121.5 | 31.2399 | 91.728 | -0.272 |
| 93 | 100 | 121.5 | 31.2399 | 92.725 | -0.275 |
| 94 | 100 | 121.5 | 31.2399 | 93.722 | -0.278 |
| 95 | 100 | 121.5 | 31.2399 | 94.719 | -0.281 |
| 96 | 100 | 121.5 | 31.2399 | 95.716 | -0.284 |
| 97 | 100 | 121.5 | 31.24 | 96.713 | -0.287 |
| 98 | 100 | 121.5 | 31.24 | 97.709 | -0.291 |
| 99 | 100 | 121.5 | 31.24 | 98.706 | -0.294 |
| 100 | 100 | 121.5 | 31.24 | 99.703 | -0.297 |
| 101 | 100 | 121.5 | 31.24 | 100.7 | -0.3 |
| 102 | 100 | 121.5 | 31.24 | 101.696 | -0.304 |
| 103 | 100 | 121.5 | 31.24 | 102.693 | -0.307 |
| 104 | 100 | 121.5 | 31.24 | 103.69 | -0.31 |
| 105 | 100 | 121.5 | 31.24 | 104.687 | -0.313 |
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| 117 | 100 | 121.5 | 31.2401 | 116.647 | -0.353 |
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| 119 | 100 | 121.5 | 31.2401 | 118.64 | -0.36 |
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| 123 | 100 | 121.5 | 31.2402 | 122.626 | -0.374 |
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| 127 | 100 | 121.5 | 31.2402 | 126.612 | -0.388 |
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| 129 | 100 | 121.5 | 31.2402 | 128.605 | -0.395 |
| 130 | 100 | 121.5 | 31.2403 | 129.601 | -0.399 |
| 131 | 100 | 121.5 | 31.2403 | 130.598 | -0.402 |
| 132 | 100 | 121.5 | 31.2403 | 131.594 | -0.406 |
| 133 | 100 | 121.5 | 31.2403 | 132.591 | -0.409 |
| 134 | 100 | 121.5 | 31.2403 | 133.587 | -0.413 |
| 135 | 100 | 121.5 | 31.2403 | 134.584 | -0.416 |
| 136 | 100 | 121.5 | 31.2403 | 135.58 | -0.42 |
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| 139 | 100 | 121.5 | 31.2404 | 138.569 | -0.431 |
| 140 | 100 | 121.5 | 31.2404 | 139.565 | -0.435 |
| 141 | 100 | 121.5 | 31.2404 | 140.562 | -0.438 |
| 142 | 100 | 121.5 | 31.2404 | 141.558 | -0.442 |
| 143 | 100 | 121.5 | 31.2404 | 142.554 | -0.446 |
| 144 | 100 | 121.5 | 31.2404 | 143.551 | -0.449 |
| 145 | 100 | 121.5 | 31.2405 | 144.547 | -0.453 |
| 146 | 100 | 121.5 | 31.2405 | 145.543 | -0.457 |
| 147 | 100 | 121.5 | 31.2405 | 146.54 | -0.46 |
| 148 | 100 | 121.5 | 31.2405 | 147.536 | -0.464 |
| 149 | 100 | 121.5 | 31.2405 | 148.532 | -0.468 |
| 150 | 100 | 121.5 | 31.2405 | 149.528 | -0.472 |
| 151 | 100 | 121.5 | 31.2405 | 150.525 | -0.475 |
| 152 | 100 | 121.5 | 31.2406 | 151.521 | -0.479 |
| 153 | 100 | 121.5 | 31.2406 | 152.517 | -0.483 |
| 154 | 100 | 121.5 | 31.2406 | 153.513 | -0.487 |
| 155 | 100 | 121.5 | 31.2406 | 154.509 | -0.491 |
| 156 | 100 | 121.5 | 31.2406 | 155.505 | -0.495 |
| 157 | 100 | 121.5 | 31.2406 | 156.501 | -0.499 |
| 158 | 100 | 121.5 | 31.2407 | 157.498 | -0.502 |
| 159 | 100 | 121.5 | 31.2407 | 158.494 | -0.506 |
| 160 | 100 | 121.5 | 31.2407 | 159.49 | -0.51 |
| 161 | 100 | 121.5 | 31.2407 | 160.486 | -0.514 |
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| 169 | 100 | 121.5 | 31.2409 | 168.454 | -0.546 |
| 170 | 100 | 121.5 | 31.2409 | 169.45 | -0.55 |
| 171 | 100 | 121.5 | 31.2409 | 170.446 | -0.554 |
| 172 | 100 | 121.5 | 31.2409 | 171.442 | -0.558 |
| 173 | 100 | 121.5 | 31.2409 | 172.437 | -0.563 |
| 174 | 100 | 121.5 | 31.241 | 173.433 | -0.567 |
| 175 | 100 | 121.5 | 31.241 | 174.429 | -0.571 |
| 176 | 100 | 121.5 | 31.241 | 175.425 | -0.575 |
| 177 | 100 | 121.5 | 31.241 | 176.421 | -0.579 |
| 178 | 100 | 121.5 | 31.241 | 177.417 | -0.583 |
| 179 | 100 | 121.5 | 31.2411 | 178.412 | -0.588 |
| 180 | 100 | 121.5 | 31.2411 | 179.408 | -0.592 |
| 181 | 100 | 121.5 | 31.2411 | 180.404 | -0.596 |
| 182 | 100 | 121.5 | 31.2411 | 181.4 | -0.6 |
| 183 | 100 | 121.5 | 31.2412 | 182.395 | -0.605 |
| 184 | 100 | 121.5 | 31.2412 | 183.391 | -0.609 |
| 185 | 100 | 121.5 | 31.2412 | 184.387 | -0.613 |
| 186 | 100 | 121.5 | 31.2412 | 185.383 | -0.617 |
| 187 | 100 | 121.5 | 31.2413 | 186.378 | -0.622 |
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| 189 | 100 | 121.5 | 31.2413 | 188.369 | -0.631 |
| 190 | 100 | 121.5 | 31.2413 | 189.365 | -0.635 |
| 191 | 100 | 121.5 | 31.2414 | 190.361 | -0.639 |
| 192 | 100 | 121.5 | 31.2414 | 191.356 | -0.644 |
| 193 | 100 | 121.5 | 31.2414 | 192.352 | -0.648 |
| 194 | 100 | 121.5 | 31.2414 | 193.347 | -0.653 |
| 195 | 100 | 121.5 | 31.2415 | 194.343 | -0.657 |
| 196 | 100 | 121.5 | 31.2415 | 195.338 | -0.662 |
| 197 | 100 | 121.5 | 31.2415 | 196.334 | -0.666 |
| 198 | 100 | 121.5 | 31.2415 | 197.329 | -0.671 |
| 199 | 100 | 121.5 | 31.2416 | 198.325 | -0.675 |
| 200 | 100 | 121.5 | 31.2416 | 199.32 | -0.68 |
| 201 | 100 | 121.5 | 31.2416 | 200.316 | -0.684 |
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| 203 | 100 | 121.5 | 31.2417 | 202.306 | -0.694 |
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| 222 | 100 | 121.5 | 31.2423 | 221.215 | -0.785 |
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| 261 | 100 | 121.5 | 31.2438 | 260.003 | -0.997 |
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| 263 | 100 | 121.5 | 31.2439 | 261.991 | -1.009 |
| 264 | 100 | 121.5 | 31.244 | 262.985 | -1.015 |
| 265 | 100 | 121.5 | 31.244 | 263.979 | -1.021 |
| 266 | 100 | 121.5 | 31.2441 | 264.973 | -1.027 |
| 267 | 100 | 121.5 | 31.2441 | 265.967 | -1.033 |
| 268 | 100 | 121.5 | 31.2441 | 266.961 | -1.039 |
| 269 | 100 | 121.5 | 31.2442 | 267.955 | -1.045 |
| 270 | 100 | 121.5 | 31.2442 | 268.949 | -1.051 |
| 271 | 100 | 121.5 | 31.2443 | 269.943 | -1.057 |
| 272 | 100 | 121.5 | 31.2443 | 270.937 | -1.063 |
| 273 | 100 | 121.5 | 31.2444 | 271.93 | -1.07 |
| 274 | 100 | 121.5 | 31.2444 | 272.924 | -1.076 |
| 275 | 100 | 121.5 | 31.2445 | 273.918 | -1.082 |
| 276 | 100 | 121.5 | 31.2445 | 274.912 | -1.088 |
| 277 | 100 | 121.5 | 31.2446 | 275.905 | -1.095 |
| 278 | 100 | 121.5 | 31.2447 | 276.899 | -1.101 |
| 279 | 100 | 121.5 | 31.2447 | 277.893 | -1.107 |
| 280 | 100 | 121.5 | 31.2448 | 278.887 | -1.113 |
| 281 | 100 | 121.5 | 31.2448 | 279.88 | -1.12 |
| 282 | 100 | 121.5 | 31.2449 | 280.874 | -1.126 |
| 283 | 100 | 121.5 | 31.2449 | 281.867 | -1.133 |
| 284 | 100 | 121.5 | 31.245 | 282.861 | -1.139 |
| 285 | 100 | 121.5 | 31.245 | 283.854 | -1.146 |
| 286 | 100 | 121.5 | 31.2451 | 284.848 | -1.152 |
| 287 | 100 | 121.5 | 31.2451 | 285.841 | -1.159 |
| 288 | 100 | 121.5 | 31.2452 | 286.835 | -1.165 |
| 289 | 100 | 121.5 | 31.2453 | 287.828 | -1.172 |
| 290 | 100 | 121.5 | 31.2453 | 288.822 | -1.178 |
| 291 | 100 | 121.5 | 31.2454 | 289.815 | -1.185 |
| 292 | 100 | 121.5 | 31.2454 | 290.808 | -1.192 |
| 293 | 100 | 121.5 | 31.2455 | 291.802 | -1.198 |
| 294 | 100 | 121.5 | 31.2455 | 292.795 | -1.205 |
| 295 | 100 | 121.5 | 31.2456 | 293.788 | -1.212 |
| 296 | 100 | 121.5 | 31.2457 | 294.781 | -1.219 |
| 297 | 100 | 121.5 | 31.2457 | 295.774 | -1.226 |
| 298 | 100 | 121.5 | 31.2458 | 296.768 | -1.232 |
| 299 | 100 | 121.5 | 31.2458 | 297.761 | -1.239 |
| 300 | 100 | 121.5 | 31.2459 | 298.754 | -1.246 |
对上述误差做分析如图9所示。
Claims (6)
1.一种基于干涉仪及单站无源交叉定位的机载测向及定位系统，其特征在于，包括天线阵单元、微波单元和信号处理单元；所述天线阵单元接收2GHz～18GHz频段范围内的雷达射频信号；所述微波单元对天线阵单元接收到的雷达射频信号处理得到三路以1.8GHz为中心频率的中频信号；所述信号处理单元对中频信号进行处理，实现PDW参数测量和三基线相位干涉仪测向得到PDW数据，然后将PDW数据先送入分选得到EDW数据，接着将去除杂波后的有用信号进行单站无源交叉定位；
其中，天线阵单元基于三阵元三基线设置有左侧阵面、右侧阵面和前侧阵面，每个阵面均设有三个2GHz～6GHz天线和三个6GHz～18GHz天线，并根据相位干涉仪测向的基线长度进行布阵。
2.根据权利要求1所述的基于干涉仪及单站无源交叉定位的机载测向及定位系统，其特征在于，还包括电源转换单元和显控单元，电源转换单元为其他四个单元供电；显控单元作为操作终端完成操作人员的任务下发，并实现系统所获取信息的显示功能；
所述微波单元包括射频前端、定向射频接收组件和频综组件，接收来自天线阵单元的十八路射频信号，经过选频、限幅、滤波、放大和变频得到中频为1.8GHz的三路中频信号，并将其送入信号处理单元进行处理；
所述信号处理单元包括数字分单元和主控分单元，数字分单元中的三通道ADC子卡对来自微波单元的三路中频信号进行2.4GHz采样，再由数字分单元进行3路信道化处理，实现PDW参数测量和相位干涉仪测向，将PDW数据送至主控分单元进行信号分选得到EDW数据，并将处理好的EDW数据进行单站无源交叉定位，得到有用信号的位置信息；所述主控分单元实现侦察系统的流程控制和数据传输控制，并与载机进行控制指令与数据的交互。
3.根据权利要求1所述的基于干涉仪及单站无源交叉定位的机载测向及定位系统，其特征在于，所述三基线相位干涉仪测向的具体方法为：
天线S1和天线S2之间距离d，波长为λ的电磁波以方向角θ入射，则两天线间的电磁波相位差为
通过测量天线间的相位差进而得到方位角θ；
其中，若测角范围是-90°～90°，则
由于干涉仪测角的精度与基线长度d有关，对公式(1)做微分；
结合公式(1)和公式(3)，可得测角误差为dθ：
由公式(4)可知，基线长度d越大，测角误差越小；
引入虚拟基线和长基线，虚拟基线和长基线的长度为dvir和dlong，虚拟基线和长基线相位差测量值为和 和为测量误差；
因为虚拟基线测得的相位差是不模糊的，所以根据公式(1)：
由于长基线所测得相位是模糊的，假设其测量值和真实值相差m个2π，m为整数，则根据公式(1)有：
上述公式(5)和(6)相比可得
从而解得
其中，round是一个四舍五入取整函数，式中round函数中的第二项绝对值要小于0.5；
解得模糊数m后，得到长基线不模糊的测量值，记为 代入公式(2)，得到角度测量值θm：
采用逐级解模糊方法在虚拟基线和长基线之间增加对应数量的基线。
4.根据权利要求1所述的基于干涉仪及单站无源交叉定位的机载测向及定位系统，其特征在于，所述单站无源交叉定位的具体方法为：
步骤(a)、对连续侦收到的M个脉冲的脉冲到达方向DOA进行平均；
其中，
r为雷达距离，PRF是指雷达脉冲重复频率，v是指载机飞行速度v，σθ是指定位设备的测向误差；
步骤(b)、构建单站无源交叉定位模型
单站无源交叉定位模型中，机载无源定位设备配有GPS且沿直线飞行，其飞行方向定义为X轴；定位设备发现辐射源信号时的位置用Pn(xn,yn)表示，测量的角度值用θn表示，n＝1,2,…N；定位设备首次观测发现辐射源信号的位置定义为坐标原点，即x1＝0，y1＝0；待定位的固定辐射源位于E(xe,ye)点，距坐标原点的距离为r；定位设备走过距离D到达PN(xN,yN)点时，与辐射源的视线角变化量α为：
α＝θN-θ1 公式(10)
定位设备获得N个测向角度和自身位置坐标之后，可得定位观测方程如下
令
则辐射源位置的最小二乘解为
式中，上标"T"表示取矩阵的转置；
令βn＝2θn，可得
令则
其中，则有
步骤(c)、坐标系转换，使用WGS-84坐标系获得无人机设备的GPS信息、经纬高信息，然后依次转换为站心坐标系，来测量到地面站之间的方位。
5.根据权利要求4所述的基于干涉仪及单站无源交叉定位的机载测向及定位系统，其特征在于，坐标转换的具体过程为：
步骤1)、地心地固坐标系{e系}与站心坐标系{g系}的转换
将e系坐标原点平移至g系坐标原点，得到坐标系{xe′,ye′,ze′}；绕ze′轴旋转站心的大地经度L，然后再逆时针旋转得到坐标系{xe″,ye″,ze″}；绕xe″逆时针旋转B为站心的大地维度，使ze″垂直地表向上，此时ye″指向正北，就变成了站心坐标系{g系}；
实际测角得到的角度是目标相对于测量点正北方向的角度，因此采用北东下坐标系{n系}比较合适，即等式右边再左乘矩阵Rng，得到
站心坐标系{n系}到地心地固坐标系{e系}的转换为上述过程的逆过程；
步骤2)、WGS-84坐标系内经纬高大地坐标和直角坐标的转换
WGS-84坐标系的x轴指向BIH1984.0的零度子午面和协议地球极赤道的交点，y轴和z轴、x轴构成右手坐标系；WGS-84椭球的几何中心与地球质心重合，椭球的旋转轴和z轴一致，其基本集合参数如下：
长半轴a＝6378137m±2m；扁率f＝1/298.257223563；短轴b＝a(1-f)；第一偏心率的平方
WGS-84大地坐标系到地固笛卡尔坐标系的转换关系
x0＝(N+H)cosBcosL
y0＝(N+H)cosBsinL
z0＝[N(1-e2)+H]sinB
式中，R地为当地地球卯酉圈曲率半径，其定义为
WGS-84地固笛卡尔坐标系到大地坐标系的转换迭代如下：
迭代初值设置为R地0＝a
然后每次迭代按照下式进行
直到
|Hi-Hi-1|<ε1
|Bi-Bi-1|<ε2
ε1和ε2视精度而定；经度L的计算无需迭代，计算公式为：
6.根据权利要求1所述的基于干涉仪及单站无源交叉定位的机载测向及定位系统，其特征在于，分选算法协同单站无源定位的具体方法为：
将实际雷达信号和环境噪声信号通过天线进入系统，由数字接收机将信号转化为可识别的雷达脉冲描述字PDW，将生成的PDW送入控制单元，进行噪声信号剔除，将剔除后的数据进行信号分选，识别到稳定的有用信号的辐射源描述字EDW，将得到的有用信号的EDW送入单站定位算法中，最终得出有用信号的位置信息。
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| CN117452321A (zh) | 2024-01-26 |
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