一种基于电离层反射的多站时差多变量短波目标定位方法技术

本发明专利技术为一种基于电离层反射的多站时差多变量短波目标定位方法，首先对电离层、地球的反射模型进行建模，采用等效的球面反射模型，得到单个发射站发射短波经电离层反射后到达目标位置的距离模型。随后与可以测得的时差数据结合，得到p发q收的电离层短波反射方程组。其次利用非线性最小二乘将该方程转化成带约束的优化问题，并引入不同电离层虚高作为待优化的变量。最后利用误差传递公式，得到了目标定位误差的一个上界。具体为：第一步：建立短波信号经电离层反射的距离测量值与电离层虚高、发射站、接收站与目标位置信息的非线性方程；第二步：多变量优化问题的转换并求解；第三步：多变量多站时差定位方法的误差范围评估。多变量多站时差定位方法的误差范围评估。多变量多站时差定位方法的误差范围评估。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电离层反射的多站时差多变量短波目标定位方法


[0001]本专利技术涉及一般情形下利用短波在电离层反射进行目标定位的方法，以及定位误差范围评估的方法，其中探测目标为位于地球表面的短波辐射源，属于短波通信辐射源定位


技术介绍

[0002]目标定位是雷达和声纳研究中的经典问题。随着全球卫星定位系统、地图导航等技术的发展，无线信号定位技术的理论和实践应用有了新的要求。在民用或军工领域，对定位的精度与可靠性的要求越来越高。传统的短波辐射源定位方法有很多，包括视距传播情形下的GPS定位；非视距传播场景下的多站时差定位(详见参考文献[3])。视距传播情形下，常见的定位算法包括基于到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、接收信号强度(RSS)和到达角度(AOA)的方法等。参考文献[1]将半正定线性规划算法(Semi
‑
definite Programming，SDP)应用于基于距离测量的目标定位问题中。其先建立关于目标位置的伪线性化方程，利用最小二乘转化为优化问题，通过松弛此凸问题并直接应用SDP算法求解。非视距传播场景下的定位利用电离层反射或折射实现无线电波的传播。通过研究电离层模型与去污染等方式，国内外发展了大量基于电离层模型的目标定位算法，并通过这些算法成功研制了一系列主动雷达目标探测系统。参考文献[2]发现当接收基站位置固定时，低速运动目标的辐射信号在一段时间内到达该基站的电离层虚高几乎不变，其利用此建立了目标位置的定位与追踪方程，并实现了相应算法。
[0003]但已有的方法存在以下局限性：
[0004]1、视距传播情形下的GPS定位方法通常基于直线传播路径(或称为视线传播路径)的时延模型，只适用于直线传播情形(详见参考文献[7、8])。
[0005]2、基于到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、接收信号强度(RSS)和到达角度(AOA)等的参数类方法如半正定线性规划算法(详见参考文献[4、5])、泰勒展开算法(详见参考文献[6])、重要性采样法(详见参考文献[9])等算法存在过度依赖目标位置初始值的精度以及不适用于电离层反射信号的时差定位模型等问题。
[0006]3、传统的基于电离层反射信号的时差定位算法通常假设电离层虚高信息在一定时间内或一定空间内接收到的短波信号相同(详见参考文献[10、11])。
[0007]为了解决上述问题，本专利技术对基于电离层反射信号的多站时差定位模型提出了一种新方法，该方法引入不同电离层虚高作为待优化的变量，具有更高的适用性，可以实现目标定位。新定位方法可以适用于电离层参数未知的情形，同时对电离层参数已知情形也有较精确的结果。本专利技术的应用场景为：目标位置与各发射或接收雷达基站均位于地球表面。

技术实现思路
：
[0008]本专利技术解决的技术问题：针对一般的多发射多接收雷达基站的情形，提出了一种利用短波在电离层反射进行目标定位的方法，以及定位误差范围评估的方法，属于短波通
信辐射源定位
实现了利用短波在电离层中反射实现目标定位和误差范围评估问题提供了一个有效的解决方案。
[0009]本专利技术的解决方案：首先对电离层、地球的反射模型建模。设短波在电离层球面上的发射点距离地面的高度为电离层虚高。电离层反射信号的具体信号传播场景如图2所示。地球为一半径为R的球体。由图2得到单个发射站发射短波经电离层反射后到达目标位置的距离表达式。随后表示将发射站发射短波经电离层反射至目标，目标反射短波经电离层反射到达接收站的路径长度，与可测的时差数据结合，得到p发q收的电离层短波反射方程组，其包含h
k
(1≤k≤p+q)，x1，x2，x3共p+q+3个待估计变量。其次利用非线性最小二乘将该方程转化为带约束的优化问题，利用优化算法获得虚高及目标位置的估计值。
[0010]下面针对多电离层参数的短波反射定位问题，说明本方法的具体步骤。
[0011]第一步：建立短波信号经电离层反射的距离测量值与电离层虚高、发射站、接收站与目标位置信息的模型。
[0012]1.1建立发射站发射的短波信号经电离层反射到达目标位置的单个非线性关系方程：
[0013][0014]其中A为发射站，B为目标点，O为地球质心，C为短波信号在电离层的等效反射点，h为电离层的虚高参数，R为地球半径。
[0015]1.2建立短波信号自发射站发射，经电离层反射到达目标位置，再由目标位置反射信号，经电离层再次反射到达接收站的路径方程。
[0016][0017][0018]其中，d
iO
为第i个发射站发射出的短波信号到达电离层反射点的路径长；d
Oj
为短波信号由电离层反射点到达第j个接收站的路径长；h
i
为第i个发射站对应的电离层虚高；h
j+p
为第j个接收站对应的电离层虚高；i表示第i个发射站，取值为1，2，，...，p，p为短波发射站的个数；j表示第j个接收站，取值为1，2，，...，q，q为短波接收站的个数；(x
iT
，y
iT
，z
iT
)为第i个发射站在直角坐标系下的位置；(x
iR
，y
iR
，z
iR
)为第j个接收站的直角坐标系下的位置；s
ij
为测得的一定时间内i发射站发射的短波信号到电离层与经电离层反射到达j接收站所经过的总路径长，可以用时差数据获得为：
[0019][0020]其中，c为光速，分别为第k个雷达发射周期，i发射站发射信号的时间点与j接收站接收信号的时刻。式(2)中包含目标位置信息3个未知量以及每个发射站或接收站经电离层反射的虚高p+q个未知量。
[0021]第二步：利用非线性最小二乘方法，建立关于p+q+3个待优化变量的优化问题并求解。
[0022]2.1建立关于目标位置变量、未知的电离层虚高参数变量的非线性优化问题。
[0023]式(2)共p
×
q个关于目标位置的非线性方程。此外，目标位置的约束为
[0024][0025]其中a，b，c为地球椭球模型的常值参数，具体为：
[0026]a＝6378.137km，
[0027]b＝6356.75231414km，
[0028]c＝6378.137km.
[0029]令n＝p+q，发射站用T表示，接收站用R表示，记d
iO
为第i个发射站发射出的短波信号到达电离层反射点的路径长；d
Oj
为短波信号由电离层反射点到达第j个接收站的路径长，具体为
[0030][0031][0032]其中T
i
＝(x
iT
，y
iT
，z
iT
)，R
j
＝(x
jR
，y
jR
，z
jR
)分别为第i个发射站本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电离层反射的多站时差多变量短波目标定位方法，其特征在于：步骤一：建立短波信号经电离层反射的距离测量值与电离层虚高、发射站、接收站与目标位置信息的模型；步骤二：利用非线性最小二乘方法，建立关于p+q+3个待优化变量的优化问题并求解；步骤三：多变量多站时差定位算法的误差范围评估。2.根据权利要求1所述的一种基于电离层反射的多站时差多变量短波目标定位方法，其特征在于：在步骤一中，建立发射站发射的短波信号经电离层反射到达目标位置的单个非线性关系方程：其中A为发射站，B为目标点，O为地球质心，C为短波信号在电离层的等效反射点，h为电离层的虚高参数，R为地球半径。3.根据权利要求2所述的一种基于电离层反射的多站时差多变量短波目标定位方法，其特征在于：在步骤一中，建立短波信号自发射站发射，经电离层反射到达目标位置，再由目标位置反射信号，经电离层再次反射到达接收站的路径方程；目标位置反射信号，经电离层再次反射到达接收站的路径方程；d
iO
+d
Oj
＝s
ij
ꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，d
iO
为第i个发射站发射出的短波信号到达电离层反射点的路径长；d
Oj
为短波信号由电离层反射点到达第j个接收站的路径长；h
i
为第i个发射站对应的电离层虚高；h
j+p
为第j个接收站对应的电离层虚高；i表示第i个发射站，取值为1，2，，...，p，p为短波发射站的个数j表示第j个接收站，取值为1，2，，...，q，q为短波接收站的个数；(x
iT
，y
iT
，z
iT
)为第i个发射站在直角坐标系下的位置；(x
iR
，y
iR
，z
iR
)为第j个接收站的直角坐标系下的位置；s
ij
为测得的一定时间内i发射站发射的短波信号到电离层与经电离层反射到达j接收站所经过的总路径长，用时差数据获得为：其中，c为光速，分别为第k个雷达发射周期，i发射站发射信号的时间点与j接收站接收信号的时刻；式(2)中包含目标位置信息3个未知量以及每个发射站或接收站经电离层反射的虚高P+q个未知量。4.根据权利要求1所述的一种基于电离层反射的多站时差多变量短波目标定位方法，
其特征在于：在步骤二中，建立关于目标位置变量、未知的电离层虚高参数变量的非线性优化问题；式(2)共p
×
q个关于目标位置的非线性方程；此外，目标位置的约束为其中a，b，c为地球椭球模型的常值参数，具体为：a＝6378.137km，b＝6356.75231414kmn，c＝6378.137kmn.令n＝p+q，发射站用T表示，接收站用R表示，记d
iO
为第i个发射站发射出的短波信号到达电离层反射点的路径长；d
Oj
为短波信号由电离层反射点到达第j个接收站的路径长，具体为为其中T
i
＝(x
iT
，y
iT
，z
iT
)，R

【专利技术属性】
技术研发人员：张纪峰，郭健，薛文超，孔垂柳，
申请(专利权)人：中国科学院数学与系统科学研究院，
类型：发明
国别省市：