一种四星对空中目标的时差定位方法技术

本发明专利技术公开了一种四星对空中目标的时差定位方法，包括如下步骤：获取同一目标信号到达四颗卫星的时刻和四颗星的在地固坐标系下的坐标；计算该目标信号到达其中某一颗卫星与其到达另外任意两颗卫星的时差；以计算时差所选取的三颗星构成三角形，计算该三角形重心在地球表面的投影坐标；将其作为目标的初步位置，采用数值迭代法解算所述三星时差定位方程组，获得位于地面满足三星时差约束条件的目标位置坐标，再以位于地面满足三星时差约束条件的目标位置坐标作为目标的初始位置，采用数值迭代法解算四星时差定位方程组，获取目标的精确位置。该方法解除了约束四星不能在同一平面的限制条件，避免了出现虚假目标的问题，实现对空中目标的准确定位。

Time difference positioning method for four stars to air target

The invention discloses a method for locating a four-star air target, which comprises the following steps: to get four satellite time and four stars in earth fixed coordinate coordinate with a target signal; calculating the time difference of arrival one satellite and arrive at another arbitrary two satellites to the target signal; the calculation time selected three stars to form a triangle, the triangle center of gravity in the projection of the earth's surface; as the initial position of the target, using the numerical iteration method solving the Samsung TDOA equations to obtain the position coordinates of the target in the face time constraints satisfy Samsung, then Samsung is on the ground to meet the time difference the constraints of the position coordinates of the target position as the initial target, by using the iterative method in solving four TDOA equations, to obtain precise target position The. This method relieves the restriction that the four stars can not be in the same plane, avoids the false target and achieves the accurate positioning of the air target.

【技术实现步骤摘要】
一种四星对空中目标的时差定位方法
本专利技术涉及无线电无源定位领域，特别是一种四星对空中目标的时差定位方法。
技术介绍
无源定位由于其潜在的应用价值而备受关注和研究。天基无源定位系统因其全球探测广、性价比高而备受青睐。目前，天基无源定位系统主要采用单星测向定位体制、双星测时差测频差定位体制、以及多星测时差定位体制。在无源定位中，除地面目标外，空中目标也是关注的重点。单星、双星以及三星时差定位体制主要是应用于对地面(或海面)目标的定位，而对空中目标的定位应用较少或无法定位。这主要是因为以上三种无源定位体制需要假设目标高度，在目标定位解算方程中均需要含有目标高度的地球球面方程。由于地面目标可以确定高度为零，可以准确解算出目标位置信息。而在大多数情况下，空中目标的高度是未知的，需要对目标定位估计空中目标高度，引入高度估计误差，从而导致对空中目标定位精度恶化。以上三种定位体制，对高度已知的地面目标定位效果好，而对高度位置未知的空中目标定位效果差。针对空中目标的定位，四星时差定位系统不需要含有目标高度的地球球面方程而能够直接求解目标的位置信息。目前已有采用解析方法解算目标定位信息的公开文献(《四星时差定位算法研究》，李建军，电子对抗技术，2004(19))。另外，与双星测时差测向的定位体制相比，四星时差定位体制对卫星姿态控制的要求不高，且对目标的垂直高度分辨率高(《一种应用于空中目标定位的双星测时差测向方法及装置》(专利)，朱建丰)。目前，在采用解析方法解算目标位置信息时，需要满足四星不能同处在一个平面内，否者无解。同时，解析方法会给出2个目标位置信息，需要后续利用其他先验信息进行验根。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服了现有技术的不足，提供了一种四星对空中目标的时差定位方法，采用数值解算的方法解算四星时差定位方程，解除了约束四星不能在同一平面的限制条件，避免了出现虚假目标的问题，实现对空中目标的准确定位。本专利技术的技术解决方案：一种四星对空中目标的时差定位方法，该方法包括如下步骤：(1)、获取同一目标信号到达四颗卫星的时刻ti,i＝0,1,2,3和四颗星当前所在地固坐标系下的坐标si(xi,yi,zi),i＝0,1,2,3，i代表卫星序号；(2)、根据步骤(1)所获得的同一目标信号到达四颗卫星的时刻ti,i＝0,1,2,3，计算该目标信号到达其中某一颗卫星与其到达另外任意两颗卫星的时差Δt1、Δt2；(3)、以步骤(2)计算时差所选取的三颗星构成三角形，计算该三角形重心在地球表面的投影坐标P0(xp0，yp0，zp0)；(4)、以地球表面的目标发送的目标信号到达步骤(2)所述的一颗卫星的时刻与其到达另外任意两颗卫星的时差Δt1、Δt2作为三星时差约束条件，建立满足该约束条件的关于地球表面的目标坐标的三星时差定位方程组；(5)、将三颗星构成的三角形的中心在地面的投影坐标P0(xp0，yp0，zp0)作为目标的初步位置，采用数值迭代法解算步骤(4)所述三星时差定位方程组，若三星时差定位方程组不收敛，则重新选择三颗星执行步骤(2)～步骤(5)，直到所获得的三星时差定位方程组收敛，得到三星时差定位方程组的解，即位于地面满足三星时差约束条件的目标位置坐标，进入步骤(6)；(6)、根据步骤(1)同一目标信号到达四颗卫星的时刻ti,i＝0,1,2,3，计算目标信号到达其中一颗卫星与另外三颗卫星的时差Δt1、Δt2、Δt3，根据时差建立四星时差定位方程组；(7)、以位于地面满足三星时差约束条件的目标位置坐标作为目标的初始位置，采用数值迭代法解算四星时差定位方程组，获取目标的精确位置。所述计算三颗星构成的三角形的重心在地球表面的投影坐标的具体方法为：(3.1)、获取三颗星在地固坐标系下的坐标si(xi,yi,zi),i＝0,1,2；(3.2)、求解三颗星构成的三角形的重心在地固坐标系下的坐标sz(xz,yz,zz)：(3.3)、求解重心在地球表面的投影在地固坐标系下的坐标P0(xp0,yp0,zp0)为：所述三星时差定位方程组为：所述步骤(5)采用数值迭代法求解三星时差定位方程组的方法为：(5.1)、将三星时差定位方程组改写为：(5.2)、令F1(x,y,z)＝[f1f2f3]T，得到：(5.3)、将三颗星构成的三角形的中心在地面的投影(xp0，yp0，zp0)作为目标的初步位置(x(0),y(0),z(0))，令k＝0，进入步骤(5.4)；(5.4)、并按照下式进行迭代运算，求解目标初步位置：(x(k),y(k),z(k))T＝(x(k-1),y(k-1),z(k-1))T-[F1'(x(0),y(0),z(0))]-1F1(x(k-1),y(k-1),z(k-1))其中，x(k)为第k次迭代计算结果。(5.5)、当k≥m，则认为三星时差方程组不收敛，迭代计算结束；当k<m，且迭代结果(x(k),y(k),z(k))满足条件则认为三星时差方程组收敛，(x(k),y(k),z(k))即为三星时差定位方程组的解,迭代计算结束；否则，将k加1作为新的k,重复步骤(5.4)～步骤(5.5)。所述ε和m的取值与三星时差定位方程解的误差有关，ε越小、m越大，三星时差定位方程解的误差越小。所述ε取值范围10-3～10-1；所述m大于等于100。所述四星时差定位方程组为：式中，(x',y',z')为目标在地固坐标系下的坐标。步骤(7)采用数值迭代法解算四星时差定位方程组，获取目标的精确位置的具体方法为：(7.1)、将四星时差定位方程组改为：(7.2)令F2(x',y',z')＝[f4f5f6]T，得到：(7.3)、将(x'(k),y'(k),z'(k))作为目标的初步位置(x'(0),y'(0),z'(0))，令n＝1，进入步骤(7.4)；(7.4)、按照下式进行迭代运算，求解目标初步位置：(x'(n),y'(n),z'(n))T＝(x'(n-1),y'(n-1),z'(n-1))T-[F2'(x'(0),y'(0),z'(0))]-1F2(x'(n-1),y'(n-1),z'(n-1))当迭代结果满足时，(x'(n),y'(n),z'(n))即为目标最终精确位置，结束；否则，将n加1作为新的n,重复步骤(7.4)。所述四颗卫星的构型为正方形、菱形、梯形、Y形。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)、针对目标初始位置与真值的偏差较大的情况下，采用数值迭代法直接解算四星时差定位方程存在迭代次数多、解算结果错误，甚至无解的问题，本专利技术提出先采用三星时差定位方程解算目标初始位置，得到与真值的偏差较小的目标初始位置，再采用数值迭代法解算四星时差定位方程，减少了解算四星时差定位方程的迭代次数，降低了解算难度。(2)、本专利技术将三星时差定位方程中计算时差所选取的三颗星构成三角形的重心在地面的投影作为解算三星时差定位方程时的目标初始值，避免因目标初始值选择不合适导致采用数值迭代法无法解算三星时差定位方程的问题，同时，减少了解算三星时差定位方程的运算量，降低了解算难度。(3)、本专利技术采用数值迭代法解算四星时差定位方程，不受四星的相对位置限制，四星可以在同一平面内对目标定位，且不会出现虚假目标的情况，避免了繁琐的验真计算，实施简单，利于工程实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四星对空中目标的时差定位方法，其特征在于包括如下步骤：(1)、获取同一目标信号到达四颗卫星的时刻t

【技术特征摘要】
1.一种四星对空中目标的时差定位方法，其特征在于包括如下步骤：(1)、获取同一目标信号到达四颗卫星的时刻ti,i＝0,1,2,3和四颗星当前所在地固坐标系下的坐标si(xi,yi,zi),i＝0,1,2,3，i代表卫星序号；(2)、根据步骤(1)所获得的同一目标信号到达四颗卫星的时刻ti,i＝0,1,2,3，计算该目标信号到达其中某一颗卫星与其到达另外任意两颗卫星的时差Δt1、Δt2；(3)、以步骤(2)计算时差所选取的三颗星构成三角形，计算该三角形重心在地球表面的投影坐标P0(xp0,yp0,zp0)；(4)、以地球表面的目标发送的目标信号到达步骤(2)所述的一颗卫星的时刻与其到达另外任意两颗卫星的时差Δt1、Δt2作为三星时差约束条件，建立满足该约束条件的关于地球表面的目标坐标的三星时差定位方程组；(5)、将三颗星构成的三角形的中心在地面的投影坐标P0(xp0,yp0,zp0)作为目标的初步位置，采用数值迭代法解算步骤(4)所述三星时差定位方程组，若三星时差定位方程组不收敛，则重新选择三颗星执行步骤(2)～步骤(5)，直到所获得的三星时差定位方程组收敛，得到三星时差定位方程组的解，即位于地面满足三星时差约束条件的目标位置坐标，进入步骤(6)；(6)、根据步骤(1)同一目标信号到达四颗卫星的时刻ti,i＝0,1,2,3，计算目标信号到达其中一颗卫星与另外三颗卫星的时差Δt1、Δt2、Δt3，根据时差建立四星时差定位方程组；(7)、以位于地面满足三星时差约束条件的目标位置坐标作为目标的初始位置，采用数值迭代法解算四星时差定位方程组，获取目标的精确位置。2.根据权利要求1所述的一种四星对空中目标的时差定位方法，其特征在于所述计算三颗星构成的三角形的重心在地球表面的投影坐标的具体方法为：(3.1)、获取三颗星在地固坐标系下的坐标si(xi,yi,zi),i＝0,1,2；(3.2)、求解三颗星构成的三角形的重心在地固坐标系下的坐标sz(xz,yz,zz)：(3.3)、求解重心在地球表面的投影在地固坐标系下的坐标P0(xp0,yp0,zp0)为：3.根据权利要求1所述的一种四星对空中目标的时差定位方法，其特征在于所述三星时差定位方程组为：4.根据权利要求3所述的一种四星对空中目标的时差定位方法，其特征在于步骤(5)采用数值迭代法求解三星时差定位方程组的方法为：(5.1)、将三星时差定位方程组改写为：(5.2)、令F1(x,y,z)＝[f1f2f3]T，得到：(5.3)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾巍，刘航，马文杰，韩冬，
申请(专利权)人：航天东方红卫星有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11