專利名稱：雙平臺(tái)多輻射源測(cè)向測(cè)時(shí)交叉定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種純角度無(wú)源定位時(shí)雙平臺(tái)多輻射源測(cè)向測(cè)時(shí)交叉定位方法，是紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)、無(wú)源定位系統(tǒng)、紅外預(yù)警系統(tǒng)、大視場(chǎng)目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)、空中交通管制系統(tǒng)等的一項(xiàng)核心技術(shù)，在各類軍、民用系統(tǒng)中均可有廣泛的應(yīng)用。
有源定位是利用雷達(dá)、激光、聲納等有源設(shè)備來(lái)對(duì)輻射源進(jìn)行定位，它具有全天候、高精度等優(yōu)點(diǎn)。然而有源定位的使用，要發(fā)射大功率的信號(hào)，這樣很容易暴露自己，被對(duì)方發(fā)現(xiàn)從而遭受破壞，使定位精度受到很大影響。通過(guò)對(duì)輻射源信號(hào)的截獲、測(cè)量獲得目標(biāo)的位置和航跡，實(shí)現(xiàn)定位的方法，稱為無(wú)源定位。它不發(fā)射自己的信號(hào)，具有作用距離遠(yuǎn)，隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)。因而具有極強(qiáng)的生存能力和反隱身能力。和有源定位系統(tǒng)相比具有低耗費(fèi)、低維修、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。隨著信號(hào)截獲和處理技術(shù)的發(fā)展，無(wú)源定位技術(shù)的研究和應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
在無(wú)源定位方法中，由于方向測(cè)量定位方法(測(cè)向交叉定位方法)具有方向角度變化慢，對(duì)平臺(tái)間的時(shí)間統(tǒng)一要求低等特點(diǎn)，使得方向測(cè)量定位方法成為發(fā)展最早、研究最多和使用最廣泛的無(wú)源定位技術(shù)。它是通過(guò)高精度的測(cè)向設(shè)備，在兩個(gè)或兩個(gè)以上的觀測(cè)平臺(tái)對(duì)輻射源測(cè)向，各個(gè)測(cè)向線(視線)的交叉點(diǎn)就是輻射源的地理位置。根據(jù)在各觀測(cè)平臺(tái)測(cè)得的輻射源的方向和各觀測(cè)平臺(tái)的位置，通過(guò)三角運(yùn)算就可以確定交叉點(diǎn)的坐標(biāo)。然而在多輻射源的情況下，此方法的主要缺點(diǎn)是存在虛假定位。對(duì)于空間存在N個(gè)輻射源，兩個(gè)平臺(tái)共有2N條方向線，存在N*N個(gè)交叉點(diǎn)，其中有N*(N-1)個(gè)交叉點(diǎn)是虛假定位。因此從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，要求去除這些虛假定位。
國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)虛假點(diǎn)的去除提出了一些方法。對(duì)于多平臺(tái)(平臺(tái)數(shù)≥3)無(wú)源定位，已經(jīng)證明其平臺(tái)間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)具有NP計(jì)算復(fù)雜性難題。目前研究人員主要應(yīng)用圖論、運(yùn)籌學(xué)、組合數(shù)學(xué)等工具求解該問(wèn)題，消除虛假定位的方法主要有最小距離法、最大似然法、譜相關(guān)法、整數(shù)規(guī)劃法、拉格朗日松弛算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，但是平臺(tái)過(guò)多導(dǎo)致平臺(tái)間的數(shù)據(jù)傳輸、處理和時(shí)間的同步都變得十分復(fù)雜，限制了其應(yīng)用。一般情況下，很難依據(jù)兩個(gè)平臺(tái)來(lái)去除虛假點(diǎn)，目前雙平臺(tái)無(wú)源定位主要是結(jié)合輻射源的先驗(yàn)信息或者冗余信息去除虛假點(diǎn)。信號(hào)處理的方法要求知道信號(hào)的一些先驗(yàn)信息，通過(guò)信號(hào)的譜相關(guān)理論、盲分離算法等進(jìn)行定位，平臺(tái)接收裝置必須采用均勻陣列，算法復(fù)雜。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案中采用雙平臺(tái)進(jìn)行定位，主從平臺(tái)獨(dú)立采集數(shù)據(jù)。每個(gè)掃描周期結(jié)束從平臺(tái)通過(guò)通信傳輸將數(shù)據(jù)傳送到主平臺(tái)進(jìn)行融合。在主平臺(tái)融合中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算雙平臺(tái)間測(cè)量數(shù)據(jù)的相近度來(lái)進(jìn)行最優(yōu)匹配，去除虛假定位。對(duì)于N個(gè)輻射源，每個(gè)平臺(tái)測(cè)量出N組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括輻射源的方位角以及對(duì)應(yīng)的時(shí)間標(biāo)記。N個(gè)輻射源可以形成N*N個(gè)交叉點(diǎn)，兩個(gè)平臺(tái)形成N*N組測(cè)量數(shù)據(jù)和交叉點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。在一組數(shù)據(jù)中，根據(jù)兩個(gè)方位角可以得到此交叉點(diǎn)和主平臺(tái)的斜距，另外，通過(guò)測(cè)量時(shí)間差和主平臺(tái)的測(cè)量方位角也可以得到此交叉點(diǎn)和主平臺(tái)的斜距。根據(jù)兩個(gè)斜距的誤差程度，可以得到這組測(cè)量數(shù)據(jù)的相近度。根據(jù)相近度的數(shù)值可以完成虛假點(diǎn)的去除。
本發(fā)明的方法包括如下具體步驟1.測(cè)量數(shù)據(jù)采集主平臺(tái)從平臺(tái)是兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，每個(gè)平臺(tái)都可以獨(dú)立測(cè)量監(jiān)視區(qū)域的輻射源。平臺(tái)攜帶的紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)(IRST)可以測(cè)量目標(biāo)的方位角，測(cè)量精度可以達(dá)到3毫?。黄脚_(tái)采用基于全球定位系統(tǒng)GPS的統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)。GPS的特點(diǎn)是可以為全球各地隨時(shí)提供一個(gè)高精度的時(shí)鐘，從而也就保證了各平臺(tái)信號(hào)的同步。由GPS接收板、高穩(wěn)定度晶體震蕩器和時(shí)鐘板組成的GPS鐘可以提供高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，時(shí)間精度可以達(dá)到20納秒。一個(gè)掃描周期結(jié)束，從平臺(tái)通過(guò)通信傳輸將數(shù)據(jù)傳送到主平臺(tái)進(jìn)行后續(xù)處理。
2.測(cè)量數(shù)據(jù)處理融合主從平臺(tái)的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)于N個(gè)輻射源，形成N*N組測(cè)量數(shù)據(jù)(即N*N個(gè)交叉點(diǎn))。每組測(cè)量數(shù)據(jù)包括三個(gè)元素(1)主平臺(tái)的測(cè)量角度；(2)從平臺(tái)的測(cè)量角度；(3)主從平臺(tái)的測(cè)量時(shí)差。根據(jù)簡(jiǎn)單三角公式，由(1)(2)可以計(jì)算出輻射源到主平臺(tái)的斜距。根據(jù)測(cè)角測(cè)時(shí)差定位公式，由(1)(3)可以計(jì)算出輻射源到主平臺(tái)的斜距。如果不考慮測(cè)量誤差的情況下，如果交叉點(diǎn)是輻射源，顯然兩個(gè)斜距應(yīng)該相等。然而實(shí)際情況測(cè)量噪聲肯定存在的，因此對(duì)于真實(shí)輻射源，兩個(gè)斜距數(shù)值也不相等。根據(jù)斜距的誤差，定義主從平臺(tái)的測(cè)量數(shù)據(jù)的相近度P(P∈
)。P的數(shù)值越大，表明平臺(tái)間測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)自同一輻射源的可能性越大，即此組數(shù)據(jù)代表真實(shí)輻射源。重復(fù)上述過(guò)程，得到一個(gè)N*N的相近度矩陣A=(Pj1,j2)N×N,]]>j1表示主平臺(tái)的第j1個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，j2表示從平臺(tái)的第j2個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，最終得到相近度矩陣A。
3.虛假點(diǎn)去除因?yàn)槠脚_(tái)的每個(gè)測(cè)量角度代表一個(gè)輻射源，不同的輻射源有不同的角度，因此從A中選出最大的N個(gè)不同行不同列元素，則此N個(gè)元素對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)就代表輻射源，其余都為虛假點(diǎn)。從而完成虛假點(diǎn)去除。
本發(fā)明可用于兩個(gè)測(cè)量平臺(tái)對(duì)多個(gè)輻射源進(jìn)行定位，通過(guò)引入時(shí)刻量測(cè)量，提出相近度的概念，算法簡(jiǎn)單有效、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，無(wú)需輻射源的先驗(yàn)信息，降低了平臺(tái)間數(shù)據(jù)傳輸、處理和時(shí)間同步的復(fù)雜性，運(yùn)算速度快，正確定位精度高，能夠有效去除無(wú)源定位中的虛假點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于航海、航空、宇航、偵察、測(cè)控、救援和地球物理學(xué)等各類軍、民用系統(tǒng)，具有廣闊的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。
如

圖1所示，E為輻射源，S1，S2為測(cè)量平臺(tái)。已知測(cè)量平臺(tái)的位置，測(cè)量的角度，以X軸為基準(zhǔn)。
圖2為多輻射源情況下測(cè)向交叉定位產(chǎn)生虛假點(diǎn)示意圖。
如圖2所示，監(jiān)視區(qū)域存在3個(gè)輻射源，共產(chǎn)生9個(gè)交叉點(diǎn)，其中3個(gè)交叉點(diǎn)是真實(shí)輻射源，其余6個(gè)是虛假點(diǎn)。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例中輻射源水平編隊(duì)?wèi)B(tài)勢(shì)圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例中輻射源十字編隊(duì)?wèi)B(tài)勢(shì)圖。
a. 觀測(cè)平臺(tái)和輻射源都在同一平面內(nèi)，如XY平面內(nèi)；b.每個(gè)測(cè)量平臺(tái)都能正常接收到所有輻射源輻射的信號(hào)，無(wú)雜波干擾；c.信號(hào)沒(méi)有重疊情況，即有N個(gè)目標(biāo)，可以測(cè)到N組數(shù)據(jù)；d.雙平臺(tái)接收數(shù)據(jù)具有相同的測(cè)量精度，并且已經(jīng)時(shí)空配準(zhǔn)。1.測(cè)量數(shù)據(jù)采集在這些假設(shè)前提下，每個(gè)測(cè)量站分別測(cè)得N個(gè)輻射源的方位角α以及對(duì)應(yīng)的時(shí)間標(biāo)記T。本系統(tǒng)采用基于全球定位系統(tǒng)GPS的統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)。GPS的特點(diǎn)是可以為全球各地隨時(shí)提供一個(gè)高精度的時(shí)鐘，從而也就保證了各平臺(tái)信號(hào)的同步。由GPS接收板、高穩(wěn)定度晶體震蕩器和時(shí)鐘板組成的GPS鐘可以提供高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。因此定義i平臺(tái)對(duì)j輻射源的觀測(cè)向量為zij=αijTij]]>(i＝1，2；j＝1，2....N)。平臺(tái)1為主平臺(tái)，2為從平臺(tái)。平臺(tái)2通過(guò)通信傳輸將數(shù)據(jù)傳送到平臺(tái)1進(jìn)行融合，形成N*N的測(cè)量數(shù)據(jù)集。Sj1，j2＝{(α1，j1，α2，j2，T1，j1，T2，j2)}(其中j＝j(luò)1，…，jm≤N；為一個(gè)交叉點(diǎn)的排列，即第1個(gè)觀測(cè)平臺(tái)測(cè)到第j1個(gè)輻射源數(shù)據(jù)，第2個(gè)測(cè)量平臺(tái)測(cè)到第j2個(gè)輻射源數(shù)據(jù))。
2.測(cè)量數(shù)據(jù)處理在圖1中，根據(jù)簡(jiǎn)單的三角關(guān)系有xe=x1tanα1-x2tanα2+y2-y1tanα1-tanα2.....(1)]]>ye=y2tanα1-y1tanα2+(x1-x2)tanα1-tanα2.....(2)]]>設(shè)輻射源E到達(dá)S1、S2的時(shí)間差為ΔT，S1測(cè)量的角度為α1，則有ES1‾-ES2‾=cΔT......(3)]]>ES2‾2=ES1‾2+S1S2‾2-2ES1S1S2‾cosα1.....(4)]]>聯(lián)立(3)、(4)解得ES1‾=(cΔT)2-S1S2‾22(cΔT-S1S2‾cosα1)......(5)]]>這里c為光速，ES代表ES線段的距離。
定義時(shí)差:Δtj1，j2＝T1，j1-T2，j2，重新定義任一個(gè)交叉點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)集Sj1，j2＝{(α1，j1，α2，j2，ΔTj1，j2)}，由(1)、(2)、(5)可以得出(xj1,j2,yj1,j2,Ej1,j2S1‾).]]>如果測(cè)量組合Sj1，j2來(lái)源于同一個(gè)輻射源，且沒(méi)有測(cè)量噪聲，則應(yīng)滿足如下表達(dá)式(xj1,j2-x1)2+(yj1,j2-y1)2=Tj1,j2S1‾.....(6)]]>其中x1，y1為平臺(tái)1的坐標(biāo)。如果存在測(cè)量噪聲，則(6)式左右不相等，定義 為(6)式左邊同(6)式右邊距離的不等程度，dj1,j2=abs((xj1,j2-x1)2+(yj1,j2-y1)2-Tj1,j2S1‾)(xj1,j2-x1)2+(yj1,j2-y1)2....(7)]]>在dj1，j2基礎(chǔ)上定義平臺(tái)間測(cè)量數(shù)據(jù)的相近度Pj1，j2，Pj1，j2＝exp(-dj1，j2)(8)Pj1，j2數(shù)值越大，表明平臺(tái)1、2第j1組和第j2組數(shù)據(jù)來(lái)自同一輻射源概率越大，即此交叉點(diǎn)是真實(shí)輻射源概率越大。反之，Pj1，j2越接近0，表明平臺(tái)1，2第j1組和第j2組數(shù)據(jù)來(lái)自同一輻射源概率越小，即此交叉點(diǎn)是虛假點(diǎn)概率越大。
對(duì)于N2個(gè)交叉點(diǎn)，分別計(jì)算其相近度P，組成一個(gè)N×N相近度矩陣A=(Pj1,j2)N×N.]]>3.虛假點(diǎn)去除從相近度矩陣中選出N個(gè)不同行不同列的元素，則對(duì)應(yīng)著N個(gè)真實(shí)目標(biāo)，其余為虛假點(diǎn)。從而實(shí)現(xiàn)虛假點(diǎn)去除。具體實(shí)現(xiàn)方法首先從A中選出最大元素，則此元素為一真實(shí)輻射源，然后把此元素對(duì)應(yīng)的行列去除，在剩下的元素中再次選擇最大元素，然后再去除此元素對(duì)應(yīng)的行列，依此類推，得到N個(gè)不同行不同列的元素。
以下給出兩種典型輻射源編隊(duì)計(jì)算實(shí)例。
設(shè)測(cè)向交叉定位系統(tǒng)由兩平臺(tái)組成，平臺(tái)1在直角坐標(biāo)系站址為(0km，0km)，平臺(tái)2為(5km，0km)?？臻g輻射源為5個(gè)，采用兩種輻射源編隊(duì)進(jìn)行Monte Carlo仿真。紅外測(cè)角精度為3毫弧，GPS時(shí)鐘測(cè)時(shí)精度為20納秒。定義正確定位概率為正確定位概率＝正確定位次數(shù)/仿真次數(shù) (9)(1)水平編隊(duì)假設(shè)k時(shí)刻輻射源位置如下輻射源1(100km，100km)；輻射源2(100+d km，100km)；輻射源3(100-d km，100km)；輻射源4(100+2d km，100km)；輻射源5(100-2d km，100km)。d為目標(biāo)間距。圖3為輻射源水平編隊(duì)?wèi)B(tài)勢(shì)圖。表1為一隨機(jī)情況每個(gè)點(diǎn)的相近度計(jì)算。從表中可以看出，(1，1)、(2，2)、(3，3)、(4，4)、(5，5)組合最有可能是輻射源，其余都是虛假點(diǎn)。針對(duì)不同編隊(duì)間距做1000次Monte Carlo仿真，正確定位概率如表2所示。
表1水平編隊(duì)交叉點(diǎn)相近度(d＝1km)

表2水平編隊(duì)正確定位概率

(2)十字編隊(duì)假設(shè)k時(shí)刻目標(biāo)位置如下輻射源1(100km，100km)；輻射源2(100+d km，100km)；輻射源3(100-d km，100km)；輻射源4(100km，100-d km)；輻射源5(100km，100+d km)。d為目標(biāo)間距。圖4為輻射源十字編隊(duì)?wèi)B(tài)勢(shì)圖。表3為一隨機(jī)情況每個(gè)點(diǎn)的相近度計(jì)算。從表中可以看出，(1，1)、(2，2)、(3，3)、(4，4)、(5，5)最有可能是輻射源，其余都是虛假點(diǎn)。針對(duì)不同編隊(duì)間距做1000次Monte Carlo仿真，正確定位概率如表4所示。
表3十字編隊(duì)交叉點(diǎn)相近度(d＝1km)

表4十字編隊(duì)正確定位概率

通過(guò)Monte Carlo仿真可以看出，水平編隊(duì)正確定位概率對(duì)輻射源間距離信息不敏感，在相同噪聲情況下，正確定位概率基本上沒(méi)有什么變化。十字編隊(duì)正確定位概率對(duì)輻射源距離信息很敏感，隨著距離的增大，正確定位概率顯著增大。在此仿真條件下，對(duì)于水平編隊(duì)飛行來(lái)說(shuō)，角度標(biāo)準(zhǔn)差在3mrad內(nèi)，時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差在20ns內(nèi)，正確定位概率就可以達(dá)到99％，而對(duì)于十字編隊(duì)來(lái)說(shuō)，在相同測(cè)量精度條件下，間距d大于1.5km情況下正確定位率可以達(dá)到80％以上，都可以滿足實(shí)際系統(tǒng)的需求。
權(quán)利要求
1.一種雙平臺(tái)多輻射源測(cè)向測(cè)時(shí)交叉定位方法，其特征在于包括如下具體步驟1.測(cè)量數(shù)據(jù)采集主平臺(tái)從平臺(tái)是兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，平臺(tái)攜帶紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)IRST測(cè)量目標(biāo)的方位角，平臺(tái)采用基于全球定位系統(tǒng)GPS的統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)，一個(gè)掃描周期結(jié)束，從平臺(tái)通過(guò)通信傳輸將數(shù)據(jù)傳送到主平臺(tái)進(jìn)行后續(xù)處理；2.測(cè)量數(shù)據(jù)處理融合主從平臺(tái)的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)于N個(gè)輻射源，形成N*N組測(cè)量數(shù)據(jù)，即N*N個(gè)交叉點(diǎn)，根據(jù)每組測(cè)量數(shù)據(jù)分別計(jì)算出兩個(gè)輻射源到主平臺(tái)的斜距，根據(jù)斜距的誤差，定義主從平臺(tái)的測(cè)量數(shù)據(jù)的相近度P(P∈
)，P的數(shù)值越大，表明平臺(tái)間測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)自同一輻射源的可能性越大，即此組數(shù)據(jù)代表真實(shí)輻射源，重復(fù)上述過(guò)程，得到一個(gè)N*N的相近度矩陣A=(Pj1,j2)N×N,]]>j1表示主平臺(tái)的第j1個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，j2表示從平臺(tái)的第j2個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)；3.虛假點(diǎn)去除從相近度矩陣A中選出最大的N個(gè)不同行不同列元素，則此N個(gè)元素對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)就代表真實(shí)輻射源，其余都為虛假目標(biāo)，從而完成虛假點(diǎn)去除。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙平臺(tái)多輻射源測(cè)向測(cè)時(shí)交叉定位方法，主從平臺(tái)獨(dú)立采集數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括輻射源的方位角以及對(duì)應(yīng)的時(shí)間標(biāo)記，N個(gè)輻射源形成N
文檔編號(hào)G01S5/16GK1477406SQ0312927
公開(kāi)日2004年2月25日 申請(qǐng)日期2003年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月12日
發(fā)明者敬忠良, 胡洪濤, 胡士強(qiáng) 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)