一種提高多點時差定位精度的方法

2023-07-20 05:24:51 1

專利名稱：一種提高多點時差定位精度的方法
技術領域：
本發明涉及多點相關定位和多點無源定位領域，特別是在多點無源定位系統與雷 達系統的組網應用方面，提供了一種可行的、實時的和高精度的定位實現方法。
背景技術：
在多點相關定位和多點無源定位中，通常使用雙曲線交叉定位算法對目標進行定 位。雙曲線交叉定位的基本原理是目標的發射或反射的電磁波經不同的路逕到達各個接 收站的時間差不為零，根據雙曲線(面)上任意一點到兩個焦點的距離差為一常數，所以只 要測得同一電磁波到達各個接收站之間的時間差就可以確定一組雙曲線(對於空間定位 是確定一組雙曲面)。該雙曲線(面)以路程差(時間差乘以電磁波的傳播速度求得)為 兩支雙曲線(面)的頂點之距、以兩個接收站為雙曲線(面)焦點，而目標就位於這組雙曲 線(面)的交點上。
多點無源定位的定位精度與到達時差的測量精度、定位算法、站點的部署樣式以 及目標相對站點的距離有關。在到達時差的測量精度一定的情況下，可以使用幾何精度稀 釋因子(GDOP)來描述其他因素對定位精度的影響程度。因此，在定位系統的部署確定之 後，GDOP只與定位算法有關。對於雙曲線交叉定位算法，直觀上來看，由於雙曲線在遠端會 趨於漸近線，所以極小的到達時差的誤差都會造成遠端的定位精度極大的誤差。發明內容
本發明的技術解決問題是在多點相關定位和多點無源定位中，實現實時的、高精 度的多點相關或多點無源定位。
本發明的技術解決方案為一種提高多點時差定位精度的方法，方法依託的設備 包括一個中心接收站、至少三個接收輔站、一臺雷達或者詢問機；方法步驟如下
(I)由位置確定的詢問機或者雷達向目標發射詢問信號或者電磁波，目標在接收 到詢問信號之後發射相應的應答信號或者是目標反射電磁波；中心接收站及各接收輔站接 收來自目標的應答信號或者反射的電磁波，同時接收來自詢問機或者雷達的同步信息；
(2)中心接收站及各接收輔站對接收的信號進行數字下變頻處理，各接收輔站將 處理後的數位訊號發送至中心接收站；
(3)中心接收站將各路數位訊號進行脈衝匹配，並以同步信號為時間基準，測得詢 問機發射的應答信號或者雷達發射的電磁波經目標到達中心接收站及各個接收輔站的傳 輸延時，測得目標發射應答信號或者反射的電磁波到達中心接收站及各個接收輔站的時間 差;
(4)利用詢問機發射的應答信號或者雷達發射的電磁波經目標到達中心接收站及 各個接收輔站的傳輸延時，確定一個橢球或橢圓方程組；利用目標發射應答信號或者反射 的電磁波到達中心接收站及各個接收輔站的時間差確定一個雙曲面或雙曲線方程組；聯合 求解上述雙曲面或雙曲線和橢球或橢圓方程組，即得到目標的空間位置或平面位置坐標。
所述的中心接收站和各接收輔站部署可以在固定平臺，也可以部署在移動平臺 上。
所述的接收輔站與中心接收站之間採用短基線部署，基線長度小於10公裡。
所述的基線長度典型值為O.1km 2km。
本發明與現有技術相比具有如下優點
(I)本方法中提出了一種新的定位方法來提高多點時差定位精度，即橢圓和雙曲 線交叉定位方法，其原理雷達或詢問機發射電磁波，照射到目標之後，目標反射電磁波或 者發射應答電磁波；各個接收站不僅接收目標回波還同時接收雷達或詢問機發射的同步信 號，然後對回波進行預處理，並將預處理之後的數據發至中心接收站；中心接收站測得回波 的到達時間相對於雷達或詢問機的同步信號的延時，確定一組以雷達(或詢問機)和接收 站為焦點、以電磁波的傳播距離(傳播延時乘以電磁波的傳播速度求得)的一半為長軸的 橢圓(對於空間定位是確定一組橢球)。從直觀上解釋，由於橢圓是一閉合曲線，在焦距不 變的情況下，隨著長軸的增加，橢圓逐漸趨於圓，因此採用橢圓和雙曲線交叉定位算法可以 改善GD0P,從而提聞系統對目標的定位精度，(能夠使目標的定位精度提聞一個數量級之 多)。
(2)接收站點的基線較短、部署方便快捷，戰場環境適應性強。該方法中部署站點 的基線長度(數公裡之內，典型值為O.1km 2km)較一般的雙曲線交叉定位系統的基線長 度(IOkm 50km，甚至達到100km)小一個數量級，使得可以非常方便快捷地展開部署。對 於山區、海島等複雜戰場環境，由於短基線系統佔用面積小，站點選址相對容易，對於戰場 環境的適應性較強。
(3)系統的作用距離遠、視野大。由於短基線系統站點部署集中，使得所有站點都 能夠「看到」同一目標(在長基線系統中，由於站點相距較遠，有些低空近距離目標不能被 所有站點同時「看到」，使得系統的定位性能大打折扣)，所以系統的視野較大；由於遠距離 的定位精度相對較高，在滿足定位精度的情況下，系統的作用距離較遠。


圖1為本發明流程圖2多點時差定位系統的站點部署樣式；
圖3為雙曲線交叉定位的⑶OP分布；
圖4為橢圓和雙曲線交叉定位的⑶OP分布。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做詳細說明，如圖1所示，具體如下
1、如圖2所示部署系統設備(以地面部署為例)。將接收輔站L120、接收輔站 R130、接收輔站H140三個接收輔站圍繞中心接收站CllO按照一定的方式部署(星型、T型 等)，將中心站部署在雷達(或詢問機)100附近，基線長度210控制在數公裡以內。根據實 際情況選擇站點之間的連接方式，如光纖或無線。上述各個接收站(中心接收站和接收輔 站)不僅可以利用目標的輻射信號也可以利用其反射信號對目標定位；各個接收站採用短 基線(基線長度在數公裡以內，典型值為O.1km 2km)部署；各個接收站可以部署在地面、島礁等固定平臺，以及艦艇、飛機和衛星等移動平臺上；各個接收站通過有線或無線的方式接收雷達(或詢問機)的同步信息。
2、雷達(或詢問機)發射電磁波的同時，也將同步信號送至中心接收站。各個接收站接收目標輻射或反射的電磁波，進行預處理(數字下變頻)之後送至中心接收站進行到達時間測量、脈衝匹配和時差測量中心站接收來自雷達(或詢問機)的同步信號Stl、目標輻射或反射的脈衝信號S1以及各輔站送來的數字脈衝信號Si (i = 2,3,4);首先利用「波形分段分析」的脈衝參數測量技術測得Stl到達中心站的時間t1(l、S1到達中心站的時間tn 以及SiQ = 2，3，4)到達中心站的時間tn(i = 2，3，4);然後利用「參數相關統計直方圖方法」進行脈衝匹配處理以分辨不同目標的脈衝信號；最後，根據脈衝匹配結果，將tn(i = 2,3,4)與同一脈衝信號到達中心站的時間tn相減之後再扣除電磁波從輔站到中心站的傳輸時延(由系統自校準獲得該時延)，測得同一脈衝信號到達各輔站和中心站的時間差為 AtliQ = 2,3,4);同樣，將tn^tn (i = 2,3,4)與t1(l相減測得各脈衝信號相對於同步信號的傳輸時延Σ t0i(i = 1,2,3,4)。
3、根據測得的到達時間差AtliQ = 2,3,4)和傳輸延時Σ t0i (i = I, 2, 3,4),得到以下多曲面簇方程
權利要求
1.一種提高多點時差定位精度的方法，其特徵在於方法依託的設備包括一個中心接收站、至少三個接收輔站、一臺雷達或者詢問機；方法步驟如下 (1)由位置確定的詢問機或者雷達向目標發射詢問信號或者電磁波，目標在接收到詢問信號之後發射相應的應答信號或者是目標反射電磁波；中心接收站及各接收輔站接收來自目標的應答信號或者反射的電磁波，同時接收來自詢問機或者雷達的同步信息； (2)中心接收站及各接收輔站對接收的信號進行數字下變頻處理，各接收輔站將處理後的數位訊號發送至中心接收站； (3)中心接收站將各路數位訊號進行脈衝匹配，並以同步信號為時間基準，測得詢問機發射的應答信號或者雷達發射的電磁波經目標到達中心接收站及各個接收輔站的傳輸延時，測得目標發射應答信號或者反射的電磁波到達中心接收站及各個接收輔站的時間差； (4)利用詢問機發射的應答信號或者雷達發射的電磁波經目標到達中心接收站及各個接收輔站的傳輸延時，確定一個橢球或橢圓方程組；利用目標發射應答信號或者反射的電磁波到達中心接收站及各個接收輔站的時間差確定一個雙曲面或雙曲線方程組；聯合求解上述雙曲面或雙曲線和橢球或橢圓方程組，即得到目標的空間位置或平面位置坐標。
2.根據權利要求1所述的一種提高多點時差定位精度的方法，其特徵在於所述的中心接收站和各接收輔站部署可以在固定平臺，也可以部署在移動平臺上。
3.根據權利要求1所述的一種提高多點時差定位精度的方法，其特徵在於所述的接收輔站與中心接收站之間採用短基線部署，基線長度小於10公裡。
4.根據權利要求3所述的一種提高多點時差定位精度的方法，其特徵在於所述的基線長度典型值為O.1km 2km。
全文摘要
一種提高多點時差定位精度的方法，方法依託的設備包括一個中心接收站、至少三個接收輔站、一臺雷達或者詢問機；雷達或詢問機發射電磁波，照射到目標之後，目標反射電磁波或者發射應答電磁波；各個接收站不僅接收目標回波還同時接收雷達或詢問機發射的同步信號，然後對回波進行預處理，並將預處理之後的數據發至中心接收站；中心接收站測得回波的到達時間相對於雷達或詢問機的同步信號的延時，通過橢圓和雙曲線交叉定位算法確定目標位置。在到達時差測量精度和站點的部署方式相同的情況下，本方法中使用的定位算法能夠使目標的定位精度提高一個數量級之多。
文檔編號G01S5/16GK103064057SQ20121059367
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月26日 優先權日2012年12月26日
發明者劉平原, 汪玥, 姜盛峰, 肖軍鵬 申請人:北京遙測技術研究所, 航天長徵火箭技術有限公司