/r的時(shí)差與多普勒頻移聯(lián)合定位方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于tVr的時(shí)差與多普勒頻移聯(lián)合定位 方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目標(biāo)定位目前在軍事領(lǐng)域、移動(dòng)通信領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，民用領(lǐng)域等都具有非常重要 的現(xiàn)實(shí)意義。而無(wú)源被動(dòng)定位技術(shù)，由于系統(tǒng)不主動(dòng)發(fā)射信號(hào)，僅依靠接收被定位目標(biāo)反射 的電磁信號(hào)，確定其空間位置，更是未來(lái)發(fā)展的重要方向。
[0003] 近年來(lái)，在無(wú)源被動(dòng)定位系統(tǒng)中，一般多基于到達(dá)方向角(D0A)、到達(dá)時(shí)間（T0A)、 到達(dá)時(shí)差(TD0A)、多普勒頻率、信號(hào)強(qiáng)度(RSSIKW及各種聯(lián)合方式，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。由于 時(shí)差只與目標(biāo)位置相關(guān)，定位方程簡(jiǎn)單且位置定位精度高于目標(biāo)來(lái)波方向到達(dá)角，因此多 采用時(shí)差定位。但是一般來(lái)說(shuō)系統(tǒng)大多需要3個(gè)及W上發(fā)射站，且對(duì)于隨機(jī)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，由于 時(shí)差與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)關(guān)系不大，因此利用時(shí)差定位系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度估計(jì)會(huì)存在模糊。李萬(wàn) 春2005年提出的基于雙發(fā)射站，利用時(shí)差信息對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，沒(méi)有單獨(dú)對(duì)速度定位精度 和結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，且當(dāng)目標(biāo)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)（N=20)勻速運(yùn)動(dòng)。而多普勒頻移由于與運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)緊密相關(guān)，能很好的對(duì)目標(biāo)速度進(jìn)行估計(jì)，肖揚(yáng)燦2011年提出的僅采用多普勒頻移對(duì) 目標(biāo)位置和速度信息進(jìn)行定位，當(dāng)發(fā)射站數(shù)目達(dá)到4個(gè)的時(shí)候，位置定位精度才有了顯著的 提高，而且同樣假設(shè)目標(biāo)在30s內(nèi)是勻速運(yùn)動(dòng)的。然而，實(shí)際情況下目標(biāo)一般并不是勻速不 變的，或者說(shuō)在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)保持不變。因此，考慮變速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)更具有實(shí)際的意 義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中在無(wú)源被動(dòng)定位系統(tǒng)中只考慮勻 速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，且需要的發(fā)射站數(shù)量過(guò)多的缺陷，提供一種僅需要兩個(gè)發(fā)射站，且對(duì)變速運(yùn) 動(dòng)的目標(biāo)能夠精確定位的基于tVr的時(shí)差與多普勒頻移聯(lián)合定位方法及系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 本發(fā)明提供一種基于tVr的時(shí)差與多普勒頻移聯(lián)合定位方法，包括W下步驟：
[0007] S1、選擇兩個(gè)不同信號(hào)頻率的短波廣播電臺(tái)作為發(fā)射站，獲取它們的發(fā)射頻率和 坐標(biāo)位置，并根據(jù)坐標(biāo)位置計(jì)算發(fā)射站和接收站之間的地面大圓距離；
[000引S2、根據(jù)信號(hào)頻率和地面大圓距離使用時(shí)差測(cè)量法，計(jì)算得到直達(dá)波與散射波之 間的時(shí)差數(shù)據(jù)W及多普勒頻移數(shù)據(jù)，其中，直達(dá)波為接收站直接接收的發(fā)射站信號(hào)，散射波 為發(fā)射信號(hào)照射到空中飛行目標(biāo)后反射到達(dá)接收站的信號(hào)；
[0009] S3、根據(jù)得到的時(shí)差數(shù)據(jù)和多普勒頻移數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合，得到目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)方程，并 通過(guò)批處理算法計(jì)算得到收斂結(jié)果，即為飛行目標(biāo)的位置和飛行速度。
[0010] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的步驟S1中獲取短波廣播電臺(tái)發(fā)射頻率和坐標(biāo)位置的方法為：
[0011] 從國(guó)際電信聯(lián)盟發(fā)布的短波全頻段無(wú)線(xiàn)電頻率劃分列表中，選擇兩個(gè)發(fā)射站，發(fā) 射站不能與接收站同在一個(gè)坐標(biāo)位置上，兩個(gè)短波廣播信號(hào)采用AM調(diào)制方式，且為不同頻 率短波信號(hào)。
[0012] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的步驟S2具體包括W下步驟：
[0013] S21、提取直達(dá)波信號(hào)，該直達(dá)波為接收站直接接收的發(fā)射站信號(hào)；
[0014] S22、提取散射波信號(hào)，該信號(hào)為發(fā)射站發(fā)射信號(hào)照射到空中機(jī)動(dòng)目標(biāo)后，反射到 達(dá)接收站的信號(hào)；
[0015] S23、利用時(shí)差估計(jì)算法得到連續(xù)k次直達(dá)波與散射波之間的時(shí)差信息；
[0016] S24、利用多普勒頻移估計(jì)算法得到連續(xù)k次直達(dá)波與散射波之間的多普勒頻移信 息。
[0017] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的步驟S3具體包括W下步驟：
[0018] S31、計(jì)算時(shí)差測(cè)量方程對(duì)目標(biāo)初始狀態(tài)向量的化cobi矩陣；
[0019] S32、計(jì)算多普勒頻移測(cè)量方程對(duì)目標(biāo)初始狀態(tài)向量的化cobi矩陣；
[0020] S33、對(duì)步驟S31和步驟S32的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合處理，即將得到的兩個(gè)矩陣進(jìn)行組 合得到目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)方程，其公式為： 陶]
k = l，％，.-'N
[0022] 其中，表示時(shí)差測(cè)量方程對(duì)目標(biāo)初始狀態(tài)向量的化cobi矩陣，^表示多普 誠(chéng)α 獻(xiàn)0 勒頻移測(cè)量方程對(duì)目標(biāo)初始狀態(tài)向量的化cobi矩陣；
[0023] S34、利用批處理算法對(duì)其進(jìn)行求解，當(dāng)算法收斂時(shí)，最終得到機(jī)動(dòng)目標(biāo)位置信息 和速度信息。
[0024] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的步驟S31中目標(biāo)初始狀態(tài)向量的計(jì)算方法為：
[0025] Χ〇=[[χ0 yo Vx Vy]]T
[002引其中，Xo為目標(biāo)初始狀態(tài)向量，（xo，yo)為目標(biāo)初始位置，（Vx，Vy)為目標(biāo)速度在X、y 軸上的分量，[· ]τ為對(duì)矩陣的轉(zhuǎn)置操作；
[0027]在第k次時(shí)刻，目標(biāo)勻速運(yùn)動(dòng)速度為(vx，vy)，則可知目標(biāo)位置：
[002引 化= x0+kAtVx;
[0029] yk = yo+k Δ tvy；
[0030] 其中，Δ t為采樣間隔時(shí)間。
[0031 ] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的步驟S31中時(shí)差測(cè)量方程為：
[0032]
[0033] 其中，τA表示第j個(gè)發(fā)射站第k次得到的時(shí)差，C表示光速，rA，rok，Rtu分別表示發(fā) 射站j與目標(biāo)之間的距離，目標(biāo)與接收站之間的距離W及發(fā)射站j與接收站之間的距離；
[0034] 第一個(gè)發(fā)射站位于(χτι,γτι)，第二個(gè)發(fā)射站位于(XT2，yT2)，接收站位于(XR，yR)，且 有：
[0035]

[003引 其中，k = 0，l，2，...，N。
[0039] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的步驟S32中多普勒頻移測(cè)量方程為：
[0040]
[0041] fj表示第j個(gè)發(fā)射站發(fā)射信號(hào)頻率。
[0042] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的步驟S34中使用批處理算法的具體方法為：
[0043] 令目標(biāo)參數(shù)真實(shí)值為Xo,參數(shù)估計(jì)值為1，測(cè)量方程可寫(xiě)為一般形式：
[0044] Z = h(X)+n
[0045] η為噪聲，將其對(duì)Xq處作泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，并僅選取級(jí)數(shù)序列的一次項(xiàng)，則：
[004引上式是關(guān)于X的線(xiàn)性方程，可W用線(xiàn)性最小二乘法來(lái)處理，則有：
[0049]
[0化0]其中1作為收斂于最優(yōu)估計(jì)值的逐次逼近法的初值；
[0化1]由Gauss-Newton 法，可得：
[0化2]
[0化3] 其中為最新估計(jì)值，采。是第η次次迭代估計(jì)值，m是收斂因子，取近似于1的值；
[0化4]至
則認(rèn)為算法已經(jīng)收斂，則最終結(jié)果即為目標(biāo)位置信息和速度 信息。
[0055] 本發(fā)明提供一種基于T2/R的時(shí)差與多普勒頻移聯(lián)合定位系統(tǒng)，包括：
[0056] 頻率和距離獲取單元，用于選擇兩個(gè)不同信號(hào)頻率的短波廣播電臺(tái)作為發(fā)射站， 獲取它們的發(fā)射頻率和坐標(biāo)位置，并根據(jù)坐標(biāo)信息計(jì)算發(fā)射站和接收站之間的地面大圓距 離；
[0057] 時(shí)差和多普勒頻移數(shù)據(jù)計(jì)算單元，用于根據(jù)信號(hào)頻率和地面大圓距離使用時(shí)差測(cè) 量法，計(jì)算得到直達(dá)波與散射波之間的時(shí)差數(shù)據(jù)W及多普勒頻移數(shù)據(jù)，其中，直達(dá)波為接收 站直接接收的發(fā)射站信號(hào)，散射波為發(fā)射信號(hào)照射到空中飛行目標(biāo)后反射到達(dá)接收站的信 號(hào)；
[0058] 聯(lián)合定位單元，用于根據(jù)得到的時(shí)差數(shù)據(jù)和多普勒頻移數(shù)據(jù)聯(lián)合定位，計(jì)算得到 飛行目標(biāo)的位置和飛行速度。
[0059] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明的基于T2/R的時(shí)差與多普勒頻移聯(lián)合定位方 法，僅需要兩個(gè)廣播電臺(tái)作為福射源，就可W對(duì)移動(dòng)的空中目標(biāo)進(jìn)行定位;通過(guò)采用直達(dá)波 與散射波之間的時(shí)差信息，減少了發(fā)射站所需要的數(shù)目，有利于短波雷達(dá)系統(tǒng)的快速建立； 并采用時(shí)差信息和多普勒頻移信息，對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)和變速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，在位置精度和速度精 度上都有了很大的提高。
【附圖說(shuō)明】
[0060] 下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中：
[0061] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的基于T2/R的時(shí)差與多普勒頻移聯(lián)合定位方法的流程圖；
[0062] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例的基于T2/R的時(shí)差與多普勒頻移聯(lián)合定位方法的具體實(shí)施方 法流程圖；
[0063] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的基于T2/R的時(shí)差與多普勒頻移聯(lián)合定位方法的聯(lián)合定位原 理圖；
[0064] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例的基于TVR的時(shí)差與多普勒頻移聯(lián)合定位系統(tǒng)的原理框圖；
[0065] 圖中，401-頻率和距離獲取單元，402-時(shí)差和多普勒頻移數(shù)據(jù)計(jì)算單元。403-聯(lián)合 定位單元。
【具體實(shí)施方式】
[0066] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用W解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0067] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的基于T2/R的時(shí)差與多普勒頻移聯(lián)合定位方法，包括W 下步驟：
[0068] S1、選擇兩個(gè)不同信號(hào)頻率的短波廣播電臺(tái)作為發(fā)射站，獲取它們的發(fā)射頻率和 坐標(biāo)位置，并根據(jù)坐標(biāo)位置計(jì)算發(fā)射站和接收站之間的地面大圓距離；
[0069] S2、根據(jù)信號(hào)頻率和地面大圓距離使用時(shí)差測(cè)量法，計(jì)算得到直達(dá)波與散射波之 間的時(shí)差數(shù)據(jù)W及多普勒頻移數(shù)據(jù)，其中，直達(dá)波為接收站直接接收的發(fā)射站信號(hào)，散射波 為發(fā)射信號(hào)照射到空中飛行目標(biāo)后反射到達(dá)接收站的信號(hào)；
[0070] S3、根據(jù)得到的時(shí)差數(shù)據(jù)和多普勒頻移數(shù)據(jù)聯(lián)合定位，計(jì)算得到飛行目標(biāo)的位置 和飛行速度。
[0071] 如圖2所示，在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括W下步驟：
[0072] (1)接收短波信號(hào)；
[0073] 利用現(xiàn)有短波廣播電臺(tái)作為外福射源信號(hào)。
[0074] (2)篩選短波廣播電臺(tái)
[0075] 根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟發(fā)布的短波全頻段無(wú)線(xiàn)電頻率劃分列表，得短波廣播電臺(tái)頻 率，發(fā)射站站址，挑選其中的任意兩個(gè)。但發(fā)射站不能與接收站同在一個(gè)坐標(biāo)位置上，兩個(gè) 短波廣播信號(hào)采用AM調(diào)制方式，且為不同頻率短波信號(hào)。
[0076] (3)計(jì)算收發(fā)兩站間地面大圓距離；
[0077] 利用運(yùn)些短波廣播電臺(tái)發(fā)射站經(jīng)締度，計(jì)算出收發(fā)兩站之間的地面大圓距離。
[0078] (4)計(jì)算時(shí)差和多普勒頻移信息；
[0079] 在已知信號(hào)頻率及發(fā)射站接收站間地面大圓距離情況下，提取直達(dá)波信號(hào)，該直 達(dá)波為接收站直接接收的發(fā)射站信號(hào)。提取散射波信號(hào)，該信號(hào)為發(fā)射站發(fā)射信號(hào)照射到 空中機(jī)動(dòng)目標(biāo)后，反射到達(dá)接收站的信號(hào)。再利用時(shí)差估計(jì)算法得到連續(xù)次直達(dá)波與散射 波之間的時(shí)差信息，W及利用多普勒頻移估計(jì)算法得到連續(xù)次直達(dá)波與散射波之間的多普 勒頻移信息。
[0080] (5)聯(lián)合定位；