一種基于gnss-r信號幾何關(guān)系的星載無源雷達定位方法
【專利摘要】一種基于GNSS-R信號幾何關(guān)系的星載無源雷達定位方法，步驟：一：接收機接收到GPS衛(wèi)星的直射信號時刻為t1，接收到相關(guān)GPS衛(wèi)星信號對目標的反射信號時刻為t2；二：根據(jù)信號的到達時刻，計算信號的直射路徑長度L和反射路徑長度D；三：計算發(fā)射機和接收機的位置T(xt，yt，zt)和R(xr，yr，zr)；四：計算直射信號和反射信號的夾角α，確定反射信號的向量；五：在反射信號的向量沿傳播的反方向延長至點N，使接收機R到點N距離同反射信號路徑距離相同，并求解N的坐標；六：設(shè)發(fā)射機T到點N的向量TN中點為M，求M坐標；七：在平面TRN上過M點作TN的垂線，交RN向量于P點，P點即目標當時刻位置，計算點P坐標。本發(fā)明降低了結(jié)算難度，提高了定位的效率，減少了定位成本。
【專利說明】—種基于GNSS-R信號幾何關(guān)系的星載無源雷達定位方法(-)【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種單星無源雷達海面以及近海目標定位方法，特別涉及與接收機、發(fā)射機和目標的幾何關(guān)系有關(guān)基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射信號(Global NavigationSatellite System Reflect signal,GNSS-R)的定位方法,該方法可用于對近海低空目標以及海面單目標定位，適用于無源雷達接收機具有旋轉(zhuǎn)接收天線或具有測角功能的系統(tǒng)。該方法可實現(xiàn)簡潔高效的單星定位，屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】。
(二)技術(shù)背景:
[0002]雷達系統(tǒng)是國土防空的重要支柱，它們自從二十世紀四十年代正式配裝以來，由于其具有作用距離遠、全天候、受環(huán)境和氣候變化影響小等優(yōu)點而在目標探測、定位和跟蹤方面發(fā)揮著其它傳感器所無法替代的重要作用。但是到了現(xiàn)代，隨著電子干擾、隱身技術(shù)、反輻射導彈攻擊和低空、超低空突防等雷達對抗技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，傳統(tǒng)的雷達系統(tǒng)已很難像過去一樣發(fā)揮威力，而且其自身的生存也成了緊迫問題，無源探測技術(shù)就是在這種背景下產(chǎn)生和發(fā)展起來的。
[0003]無源定位方法具有作用距離遠、抗干擾能力強、實現(xiàn)對目標的隱蔽接收、定位和跟蹤的能力對于提高系統(tǒng)在電子戰(zhàn)環(huán)境下的生存能力和作戰(zhàn)能力有重要作用。由于導航衛(wèi)星信號的頻率和功率固定，且接收機可通過其信號中的星歷文件讀取信號發(fā)射的時刻和衛(wèi)星的速度等因素，遍布全球的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)衛(wèi)星信號成為了無源定位雷達用于目標探測、遙感和定位的主要信號。
[0004]基于GNSS-R的無源雷達目標定位 算法是一種兼顧了無源雷達和GPS雙重優(yōu)勢的定位技術(shù)，有效地利用GNSS-R信號進行無源定位既增加了系統(tǒng)的隱蔽性，又擴大了無源雷達的定位范圍，且可根據(jù)導航信號中的星歷數(shù)據(jù)計算出發(fā)射機(GPS衛(wèi)星)和接收機(低軌衛(wèi)星,Low Earth Orbit,LEO)的位置,減少定位計算的復雜性,方便對反射信號進行幾何關(guān)系建模，實現(xiàn)最優(yōu)化定位，這是其他信號所不具有的特性。
[0005]隨著基于GNSS-R信號的無源雷達遙感、探測以及定位等技術(shù)的發(fā)展，天基無源雷達定位方法受到國內(nèi)外研究者越來越多的關(guān)注，如單星測頻無源定位技術(shù)，基于到達時間差的目標技術(shù)等。目前定位方法大多利用反射信號和直射信號的時延差列出非線性方程組，運用方程組中的冗余將非線性方程轉(zhuǎn)化為線性方程進行計算或者根據(jù)測量的多普勒參數(shù)進行定位，這類定位方法原理簡單，但由于參數(shù)過多，增加了定位算法的復雜性，同時引入了大量的測量誤差。由GPS衛(wèi)星作為無源雷達接收機的發(fā)射站，因其本身具有定位功能，故可提供有效的反射信號幾何關(guān)系，并利用反射信號同收發(fā)機間的幾何關(guān)系進行定位。由于此方法的簡捷方便，它成為了定位算法的研究熱點之一。其原理是在對GPS衛(wèi)星和LEO星載接收機位置確定后，根據(jù)接收反射信號路徑和收發(fā)機間的關(guān)系，用立體幾何領(lǐng)域相關(guān)知識解算出目標的相對位置的算法。該算法把三維目標定位轉(zhuǎn)換到二維空間的目標定位，精簡了定位計算難度，有利于實時定位。利用反射信號幾何關(guān)系定位的缺點是對測量差錯比較敏感，可以進一步通過對目標相關(guān)參數(shù)多次測量，對前后測量結(jié)果取平均去除誤差等手段降低誤差的影響。該以幾何關(guān)系為基礎(chǔ)的無源雷達定位方法用于的對海面低空目標或海面目標定位，使得對目標的定位解算難度大大降低，減少了計算量，從而簡化設(shè)備，用更少的投入獲得高效的定位。
(三)
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]1、目的:為實現(xiàn)利用GNSS-R信號幾何關(guān)系的星載無源雷達在近海低空目標以及海面目標的定位，基于GNSS-R信號幾何關(guān)系和星載無源雷達相結(jié)合的方法稱為該【技術(shù)領(lǐng)域】近年來的熱門研究方向。然而，傳統(tǒng)的幾何關(guān)系定位算法，局限在反射信號和直射信號路徑所圍成的區(qū)域的進行解析幾何運算，不僅需要測得直射和反射路徑延遲，還需要發(fā)射機的波束角度等關(guān)系，運算步驟多且計算量大，對發(fā)射信號的角度關(guān)系依賴于估計而非測量，造成誤差較大。根據(jù)收發(fā)機和目標的距離遙遠，本發(fā)明將目標視為質(zhì)點，目標的反射信號視為射線，GPS信號從發(fā)射到其目標反射信號被接收機接收只需0.06s，在此期間將目標、接收機和發(fā)射機視為相對靜止，為了改善傳統(tǒng)幾何關(guān)系定位方法計算步驟繁多以及對發(fā)射信號角度關(guān)系的依賴性，將三維目標定位轉(zhuǎn)化為在發(fā)射機接收機連線以及反射信號組成的二維平面上通過分析目標和收發(fā)機的幾何關(guān)系，對目標進行精確定位。
[0007]2、技術(shù)方案:本發(fā)明的主要特征在于:將三維定位的問題通過幾何關(guān)系的轉(zhuǎn)換，變成二維平面的定位，減少了運算量，尤其對于海面低空運行的目標，省去了估計其高度的步驟。由于傳統(tǒng)利用幾何關(guān)系定位方法局限在反射信號和直射信號所圍成的區(qū)域內(nèi)，所以定位依賴于發(fā)射機發(fā)射信號的掃描角度等因素，對角度的估計造成估計誤差會導致最終定位結(jié)果的不準確，這也是幾何關(guān)系定位多用于理論定位，而實際定位效果不理想的原因。本發(fā)明所提出的幾何關(guān)系定位只需知道目標反射信號和直射信號的時延、以及反射信號方向角就可以對海面低空目標或海面目標進行簡捷定位。
[0008]本方法的具體步驟如下:
[0009]步驟一:接收機接收到來自GPS衛(wèi)星的直射信號時刻為t1;GPS信號中的星歷文件中包含發(fā)射信號發(fā)射時間h，此外接收機接收到相關(guān)GPS衛(wèi)星信號對目標的反射信號時刻為。
[0010]步驟二:根據(jù)信號的到達時刻，計算信號的直射路徑長度L和反射路徑長度D。計算過程如下:
[0011]I)直射路徑長度:L = (t「t0) Xc
[0012]其中c為光速，c = 3 X108m/s, h和&為信號的發(fā)射時間和直射信號的接收時間。
[0013]2)反射路徑長度:D = L+(t2_tl) Xe
[0014]其中c為光速，L為直射路徑長度，t2和h為反射信號接收時間和直射信號的接收時間。
[0015]步驟三:計算發(fā)射機和接收機的位置T (xt, yt, zt)和R (xr, yr, zr)
[0016]計算發(fā)射機位置T(xt，yt, zt)和接收機的位置R (xr, yr, zr)和速度為常用方法，故省略。
[0017]步驟四:計算直射信號和反射信號的夾角α，確定反射信號的向量
[0018]計算直射路徑和反射信號的夾角α:
[0019]接收機擁有旋轉(zhuǎn)天線，反射信號和直射信號分別由接收機上兩個不同方位的天線接收，此二者的夾角α已知。
[0020]求反射信號向量步驟:
[0021]I)反射信號接收天線與接收機軌道切平面夾角β'已知。則可得出反射信號射線與接收機軌道切平面內(nèi)法線夾角為
【權(quán)利要求】
1.一種基于GNSS-R信號幾何關(guān)系的星載無源雷達定位方法，其特征在于:該方法具體步驟如下: 步驟一:接收機接收到來自GPS衛(wèi)星的直射信號時刻為t1; GPS信號中的星歷文件中包含發(fā)射信號發(fā)射時間h，此外接收機接收到相關(guān)GPS衛(wèi)星信號對目標的反射信號時刻為l2 ? 步驟二:根據(jù)信號的到達時刻，計算信號的直射路徑長度L和反射路徑長度D ;其計算過程如下: 1)直射路徑長度:L= (trt0) Xe 其中c為光速，c = 3X108m/s, t0和&為信號的發(fā)射時間和直射信號的接收時間； 2)反射路徑長度:D= L+(Vt1) Xe 其中c為光速，L為直射路徑長度，t2和h為反射信號接收時間和直射信號的接收時間； 步驟三:計算發(fā)射機和接收機的位置T(xt, yt, zt)和R(Xy yr, zr): 按照常用方法計算發(fā)射機位置T(xt，yt，zt)和接收機的位置R(\，yr, zr)和速度； 步驟四:計算直射信號和反射信號的夾角α，確定反射信號的向量； 計算直射路徑和反射信號的夾角α: 接收機擁有旋轉(zhuǎn)天線，反射信號和直射信號分別由接收機上兩個不同方位的天線接收，此二者的夾角α已知； 求反射信號向量的步驟如下: 1)反射信號接收天線與接收機軌道切平面夾角β'已知，則得出反射信號射線與接收機軌道切平面內(nèi)法線夾角為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于GNSS-R信號幾何關(guān)系的星載無源雷達定位方法，其特征在于:在步驟五中所述的“并求解N的坐標”，其求解N的坐標的方法如下:反射信號的路徑長度為D，由步驟二中2)得出， 設(shè)N坐標為(xn, yr,則有:

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于GNSS-R信號幾何關(guān)系的星載無源雷達定位方法，其特征在于:在步驟六中所述的“求M坐標”，其求M坐標的計算步驟如下: 求M坐標: 設(shè)M坐標為(xm，ym,則有:

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于GNSS-R信號幾何關(guān)系的星載無源雷達定位方法，其特征在于:在步驟七中所述的“計算點P坐標”，其P坐標的計算過程如下: 設(shè)P的坐標為(xp，yt
【文檔編號】G01S13/06GK103576138SQ201310593866
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】修春娣, 呂佩珊, 寄文星, 姚崇斌, 周勃 申請人:北京航空航天大學, 上海航天電子通訊設(shè)備研究所