一种联合时差和角度的分布式无源定位方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及分布式无源定位领域，具体涉及一种联合时差和角度的分布式无源定位方法及装置。本发明专利技术通过将方位角、俯仰角以及时差的定位方程线性化，然后进行最小二乘法求解得到目标辐射源的位置初始解，根据位置初始解构造加权矩阵，进一步由加权最小二乘法求得位置精确解。本发明专利技术降低了观测点之间的同步难度，减小了系统对参考站的依赖性；而且可以在不需要目标辐射源位置初值先验的情况下实现联合时差和角度的分布式目标辐射源定位；同时本发明专利技术由于是关于未知参数代数闭式解的形式，因此为全局最优解。

【技术实现步骤摘要】
一种联合时差和角度的分布式无源定位方法及装置
本专利技术涉及分布式无源定位领域，具体涉及一种联合时差和角度的分布式无源定位方法及装置。
技术介绍
无源定位技术是目标信息获取的重要手段，通过接收目标辐射源本身的辐射信号从而对其进行监视和定位。其中联合角度和时差的定位体制定位精度高，近些年受到国内外广泛关注和应用，且被广泛运用在雷达、声呐以及多无线传感器中。联合时差和角度的传统集中式无源定位技术发展较为成熟，在实际环境中，该体质的时间同步难度大，不适用于多传感器、多接收站情景。有时会在提高定位精度的同时增加观测站个数，这时集中式时差和角度定位体制应用受限、成本高、实现困难。为了在通告定位精度的同时无需增加硬件实现难度，近几年提出分布式时差和角度定位体制来缓解多观测节点下的集中式平台实现难度大的问题。分布式定位体制在集中式的基础上对观测节点两两配对，无公共参考站，只需要求观测站对内高度同步即可。然而针对该体制下的定位算法一般是基于迭代，将角度和时差定位公式进行一阶或者二阶泰勒级数展开，实现线性化，然后利用迭代计算目标位置，很大程度上受到局部收敛和定位初值获取的困扰。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种联合时差和角度的分布式无源定位方法及装置，用以解决现有的无源定位技术由于局部收敛和定位初值获取困难导致定位不准确的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种联合时差和角度的分布式无源定位方法，包括以下步骤：分别将方位角、俯仰角以及时差与目标辐射源和观测站的距离的定位方程转换为线性表达式，根据所述线性表达式构造矩阵方程；对所述矩阵方程求解得到所述目标辐射源的位置初始解；利用所述位置初始解构造加权矩阵，结合加权最小二乘法对所述矩阵方程求解得到所述目标辐射源的位置精确解。进一步的，根据最小二乘法对所述矩阵方程求解得到所述目标辐射源的位置初始解。进一步的，所述目标辐射源u＝[xyz]T与第i个所述观测站si之间的距离为ri＝||u-si||，i＝1,2，…，M/2，M为所述观测站个数；所述矩阵方程为：其中：Ga＝[fa(1)Tfa(2)T…fa(M/2)T]TGe＝[[fe(1)Tfe(2)T…fe(M/2)T]Tεr＝[εr(1)εr(2)…εr(M/2)]Tεa＝[εa(1)εa(2)…εa(M/2)]Tεe＝…[εe(1)εe(2)…εe(M/2)]T其中，θ为所述方位角，β为所述俯仰角，εa(i)、εr(i)和εe(i)分别为第i个方位角的观测误差、第i个时差方程的观测误差、第i个俯仰角的观测误差；并且有：fa(i)＝[sin(θ2i)-cos(θ2i)0]T然后利用最小二乘法得到所述位置初始解为u1＝(GTG)-1GTh。进一步的，求解得到所述目标辐射源的位置精确解的过程包括：根据所述位置初始解构造所述加权矩阵，结合ε＝B[ΔrT,ΔθT,ΔβT]T得到所述加权矩阵为：W＝(E[εεT])-1＝B-TQ-1B-1利用所述加权最小二乘法得到：u2＝(GTWG)-1GTWh其中u2为所述位置精确解。本专利技术还提供了一种联合时差和角度的分布式无源定位装置，包括处理器和存储器，所述存储器存储有所述处理器实现如下方法的指令：分别将方位角、俯仰角以及时差与目标辐射源和观测站的距离的定位方程转换为线性表达式，根据所述线性表达式构造矩阵方程；对所述矩阵方程求解得到所述目标辐射源的位置初始解；利用所述位置初始解构造加权矩阵，结合加权最小二乘法对所述矩阵方程求解得到所述目标辐射源的位置精确解。进一步的，根据最小二乘法对所述矩阵方程求解得到所述目标辐射源的位置初始解。进一步的，所述目标辐射源u＝[xyz]T与第i个所述观测站si之间的距离为ri＝||u-si||，i＝1，2，…，M/2，M为所述观测站个数；所述矩阵方程为：其中：Ga＝[fa(1)Tfa(2)T…fa(M/2)T]TGe＝[fe(1)Tfe(2)T…fe(M/2)T]Tεr＝[εr(1)εr(2)…εr(M/2)]Tεa＝…[εa(1)εa(2)…εa(M/2)]Tεe＝[εe(1)εe(2)…εe(M/2)]T其中，θ为所述方位角，β为所述俯仰角，εa(i)、εr(i)和εe(i)分别为第i个方位角的观测误差、第i个时差方程的观测误差、第i个俯仰角的观测误差；并且有：fa(i)＝[sin(θ2i)-cos(θ2i)0]T然后利用最小二乘法得到所述位置初始解为u1＝(GTG)-1GTh。进一步的，求解得到所述目标辐射源的位置精确解的过程包括：根据所述位置初始解构造所述加权矩阵，结合ε＝B[ΔrT，ΔθT，ΔβT]T得到所述加权矩阵为：W＝(E[εεT])-1＝B-TQ-1B-1利用所述加权最小二乘法得到：u2＝(GTWG)-1GTWh其中u2为所述位置精确解。本专利技术的有益效果是：通过将方位角、俯仰角以及时差的定位方程线性化，然后进行最小二乘法求解得到目标辐射源的位置初始解，根据位置初始解构造加权矩阵，进一步由加权最小二乘法求解得到目标辐射源的位置精确解。本专利技术降低了观测点之间的同步难度，减小了系统对参考站的依赖性；而且可以在不需要目标辐射源位置初值先验的情况下实现联合时差和角度的分布式目标辐射源定位；同时本专利技术由于是关于未知参数代数闭式解的形式，因此为全局最优解。附图说明图1是本专利技术的流程图；图2是本专利技术中目标辐射源与观测站地理位置示意图；图3是本专利技术观测站和目标辐射源几何位置示意图；图4是本专利技术随时差测量误差变化时与单利用时差或角度定位时的性能仿真对比图；图5是本专利技术随角度测量误差变化时与单利用时差或角度定位时的性能仿真对比图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细的说明。如图1所示，本专利技术提供的一种联合时差和角度的分布式无源定位方法，包括：1)利用方位角参数，将方位角与目标辐射源与各观测站si之间的距离关系变形为线性表达式；2)利用俯仰角参数，将方位角与目标辐射源与各观测站si之间的距离关系变形为线性表达式；3)借助角度信息，将时差参数变形为关于目标辐射源与各观测站si的线性表达式；4)整合方位角、俯仰角和时差各自的线性表达式，利用最小二乘得到目标辐射源的位置初始解；5)利用步骤4)中的位置初始解构造加权矩阵，借助加权最小二乘得到目标辐射源的位置精确解。具体过程如下：1、利用方位角参数，将方位角与目标辐射源与各观测站si之间的距离关系变形为线性表达式的具体求解方法如下：目标辐射源u＝[xyz]T与第i个观测节点之间的距离为ri＝||u-si||。根据图2中目标辐射源与观测站之间的节点几何关系，分布式时差、方位角以及俯仰角定位方程为：r2i,2i-1＝r2i-r2i-1(1)式中，i＝1,2，…，M/2，，M表示观测站个数，而后利用三角函数关系式tan(θ2i)＝sin(θ2i)/cos(θ2i)，公式(2)变形为：其中，fa(i)＝[sin(θ2i)-cos(θ2i)0]T；将角度测量误差带入公式(4)，得到了步骤1)中的方位角线性表达式：其中，εa(i)为第i个方位角时的观测误差，2、利用俯仰角参数，将俯仰角与目标辐射源与各观测站si之间的距离关系变形为线性表达式的具体过程如下：根据观测站和目标辐射源的几何位置关系，利用坐标与角度之间的关系式，公式(3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种联合时差和角度的分布式无源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：分别将方位角、俯仰角以及时差与目标辐射源和观测站的距离的定位方程转换为线性表达式，根据所述线性表达式构造矩阵方程；对所述矩阵方程求解得到所述目标辐射源的位置初始解；利用所述位置初始解构造加权矩阵，结合加权最小二乘法对所述矩阵方程求解得到所述目标辐射源的位置精确解。

【技术特征摘要】
1.一种联合时差和角度的分布式无源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：分别将方位角、俯仰角以及时差与目标辐射源和观测站的距离的定位方程转换为线性表达式，根据所述线性表达式构造矩阵方程；对所述矩阵方程求解得到所述目标辐射源的位置初始解；利用所述位置初始解构造加权矩阵，结合加权最小二乘法对所述矩阵方程求解得到所述目标辐射源的位置精确解。2.根据权利要求1所述的一种联合时差和角度的分布式无源定位方法，其特征在于：根据最小二乘法对所述矩阵方程求解得到所述目标辐射源的位置初始解。3.根据权利要求2所述的一种联合时差和角度的分布式无源定位方法，其特征在于，所述目标辐射源u＝[xyz]T与第i个所述观测站si之间的距离为ri＝||u-si||，i＝1,2，…，M/2，M为所述观测站个数；所述矩阵方程为：其中：Ga＝[fa(1)Tfa(2)T…fa(M/2)T]TGe＝[fe(1)Tfe(2)T…fe(M/2)T]Tεr＝[εr(1)εr(2)…εr(M/2)]Tεa＝[εa(1)εa(2)…εa(M/2)]Tεe＝[εe(1)εe(2)…εe(M/2)]T其中，θ为所述方位角，β为所述俯仰角，εa(i)、εr(i)和εe(i)分别为第i个方位角的观测误差、第i个时差方程的观测误差、第i个俯仰角的观测误差；并且有：fa(i)＝[sin(θ2i)-cos(θ2i)0]T然后利用最小二乘法得到所述位置初始解为u1＝(GTG)-1GTh。4.根据权利要求3所述的一种联合时差和角度的分布式无源定位方法，其特征在于，求解得到所述目标辐射源的位置精确解的过程包括：根据所述位置初始解构造所述加权矩阵，结合ε＝B[ΔrT,ΔθT,ΔβT]T得到所述加权矩阵为：W＝(E[εεT])-1＝B-TQ-1B-1利用所述加权最小二乘法得到：u2＝(GTWG)-1GTWh其中u2为所述位置精确解。5.一种联合时差和角度的分...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡德秀，刘智鑫，赵拥军，黄洁，赵勇胜，张睿，刘亚奇，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，
类型：发明
国别省市：河南,41