一种外辐射源位置未知的目标定位方法转让专利
申请号 : CN202110825620.9
文献号 : CN113484854B
文献日 : 2023-04-11
发明人 : 万群 , 刘宁 , 张通 , 陈新宇 , 王青平 , 刘翼鹏 , 郭贤生
申请人 : 电子科技大学
摘要 :
本发明属于雷达定位技术领域，具体涉及一种外辐射源位置未知的目标定位方法。本发明首先获取外辐射源直达波信号来波方向估计、目标反射信号来波方向估计、目标反射信号与外辐射源直达波信号的到达时差估计；然后，由目标反射信号与外辐射源直达波信号的到达时差估计，基于获取的数据，依次计算得到外辐射源距离关联向量、目标位置横坐标关联向量、目标速度横坐标关联向量、外辐射源距离与目标位置横坐标乘积的关联向量、外辐射源距离与目标速度横坐标乘积的关联向量；进而获得定位矩阵，由定位矩阵和外辐射源距离关联向量获得中间向量；最后，由中间向量的第二个元素，获得目标的横坐标估计和纵坐标估计。
权利要求 :
1.一种外辐射源位置未知的目标定位方法，将定位站设置在坐标原点，定位站同时接收外辐射源直达波信号以及目标反射外辐射源产生的目标反射信号，其特征在于，定位方法包括以下步骤：S1、通过定位站接收的信号，获取外辐射源的直达波来波方向估计为 当前时刻t以及前L‑1个时刻的目标反射信号来波方向估计 目标反射信号与外辐射源直达波信号之间的时差估计
S2、由目标反射信号与外辐射源直达波信号的到达时差估计，获取外辐射源距离关联向量q1为：其中，c为光速；
S3、由外辐射源距离关联向量和目标反射信号来波方向估计，获取目标位置横坐标关联向量q2为：其中⊙表示两个阶数相同的向量的对应阶的元素相乘；
S4、由目标位置横坐标关联向量，获取目标速度横坐标关联向量q3为：S5、由外辐射源信号来波方向估计和目标反射信号来波方向估计，获取外辐射源距离与目标位置横坐标乘积的关联向量q4为：S6、由外辐射源距离与目标位置横坐标乘积的关联向量，确定外辐射源距离与目标速度横坐标乘积的关联向量q5为：S7、由外辐射源距离关联向量、目标位置横坐标关联向量、目标速度横坐标关联向量、外辐射源距离与目标位置横坐标乘积的关联向量、外辐射源距离与目标速度横坐标乘积的关联向量，获取定位矩阵Q为：Q＝[q1 q2 q3 q4 q5]
S8、由定位矩阵和外辐射源距离关联向量，获取中间向量p为：T ‑1
其中Q表示矩阵Q的转置，() 表示括号内矩阵的逆；
S9、由中间向量的第二个元素p2，获得目标的横坐标估计为：x1(t)＝p2
由中间向量的第二个元素p2和当前时刻t的目标反射信号来波方向估计，获得目标的纵坐标估计为：
说明书 :
一种外辐射源位置未知的目标定位方法
技术领域
[0001] 本发明属于雷达定位技术领域，具体涉及一种外辐射源位置未知的目标定位方法。
背景技术
[0002] 利用定位站接收外部环境中的辐射源(简称外辐射源)直接到达定位站的直达波信号(简称外辐射源直达波信号)、外辐射源信号照射到目标并被目标反射到定位站的信号(简称目标反射信号)，并对接收信号进行参数估计，可以确定目标反射信号来波方向估计、外辐射源直达波信号来波方向估计、目标反射信号与外辐射源直达波信号的时差估计等，进而实现对目标的定位和跟踪。这种利用外辐射源实现目标定位的技术统称为基于外辐射源的目标定位技术。
[0003] 一方面，由于自身不辐射信号，基于外辐射源的目标定位技术与传统的雷达探测技术不同，具有隐蔽定位的优点，不易受到定向性的干扰；另一方面，基于外辐射源的目标定位技术与无源电子侦察监视技术不同，具有单站定位的优点，系统复杂度和成本都较低。因此，基于外辐射源的目标定位技术近年来受到了越来越多的重视。基于外辐射源的目标定位技术常常假设外辐射源的位置是已知的。但是，在实际应用场景中，由于周围环境对定位站而言可能是陌生的，或者外辐射源可能是新出现的，使得外辐射源的位置信息难以事先确定，导致定位站虽然能接收到外辐射源直达波信号和目标反射信号，却因为外辐射源位置未知引起的距离模糊而难以利用外辐射源进行目标定位和跟踪。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的问题就是在外辐射源位置未知、定位站接收到外辐射源直达波和目标反射波信号并确定了外辐射源直达波信号来波方向估计、目标反射信号来波方向估计、目标反射信号与外辐射源直达波信号的到达时差估计的情况下，如何利用外辐射源直达波信号来波方向估计、目标反射信号来波方向估计、目标反射信号与外辐射源直达波信号的到达时差估计实现确定目标位置的目的。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] 一种外辐射源位置未知的目标定位方法，首先，获取外辐射源直达波信号来波方向估计、目标反射信号来波方向估计、目标反射信号与外辐射源直达波信号的到达时差估计；然后，由目标反射信号与外辐射源直达波信号的到达时差估计，确定外辐射源距离关联向量；接着，由外辐射源距离关联向量和目标反射信号来波方向估计，确定目标位置横坐标关联向量；接着，由目标位置横坐标关联向量，确定目标速度横坐标关联向量；接着，由外辐射源信号来波方向估计和目标反射信号来波方向估计，确定外辐射源距离与目标位置横坐标乘积的关联向量；接着，由外辐射源距离与目标位置横坐标乘积的关联向量，确定外辐射源距离与目标速度横坐标乘积的关联向量；进而由外辐射源距离关联向量、目标位置横坐标关联向量、目标速度横坐标关联向量、外辐射源距离与目标位置横坐标乘积的关联向量、外辐射源距离与目标速度横坐标乘积的关联向量，确定定位矩阵；接着，由定位矩阵和外辐射源距离关联向量，确定中间向量；最后，由中间向量的第二个元素，确定目标的横坐标估计；由中间向量的第二个元素和当前时刻的目标反射信号来波方向估计，确定目标的纵坐标估计。
[0007] 本发明具体包括以下步骤：
[0008] 将定位站设置在坐标原点，定位站同时接收外辐射源直达波信号以及目标反射外辐射源产生的目标反射信号，定位方法包括以下步骤：
[0009] S1、通过定位站接收的信号，获取外辐射源的直达波来波方向估计为 当前时刻t以及前L‑1个时刻的目标反射信号来波方向估计 目标反射信号与外辐射源直达波信号之间的时差估计
[0010] S2、由目标反射信号与外辐射源直达波信号的到达时差估计，获取外辐射源距离关联向量q1为：
[0011]
[0012] 其中，c为光速；
[0013] S3、由外辐射源距离关联向量和目标反射信号来波方向估计，获取目标位置横坐标关联向量q2为：
[0014]
[0015] 其中⊙表示两个阶数相同的向量的对应阶的元素相乘；
[0016] S4、由目标位置横坐标关联向量，获取目标速度横坐标关联向量q3为：
[0017]
[0018] S5、由外辐射源信号来波方向估计和目标反射信号来波方向估计，获取外辐射源距离与目标位置横坐标乘积的关联向量q4为：
[0019]
[0020] S6、由外辐射源距离与目标位置横坐标乘积的关联向量，确定外辐射源距离与目标速度横坐标乘积的关联向量q5为：
[0021]
[0022] S7、由外辐射源距离关联向量、目标位置横坐标关联向量、目标速度横坐标关联向量、外辐射源距离与目标位置横坐标乘积的关联向量、外辐射源距离与目标速度横坐标乘积的关联向量，获取定位矩阵Q为：
[0023] Q＝[q1 q2 q3 q4 q5]
[0024] S8、由定位矩阵和外辐射源距离关联向量，获取中间向量p为：
[0025]
[0026] 其中QT表示矩阵Q的转置，()‑1表示括号内矩阵的逆；
[0027] S9、由中间向量的第二个元素p2，获得目标的横坐标估计为：
[0028] x1(t)＝p2
[0029] 由中间向量的第二个元素p2和当前时刻t的目标反射信号来波方向估计，获得目标的纵坐标估计为：
[0030]
[0031] 本发明的有益效果为，在外辐射源位置未知的陌生外部环境，或者出现新的位置未知的外辐射源时，使用本发明提出的一种外辐射源位置未知的目标定位方法，利用外辐射源直达波信号来波方向估计、当前时刻及前4个以上的时刻目标反射信号来波方向估计、目标反射信号与外辐射源直达波信号的到达时差估计，即可实现确定目标位置的目的。
具体实施方式
[0032] 下面结合实施例对本发明的实用性进行分析。
[0033] 实施例
[0034] 在本例中，定位站位于坐标原点；外辐射源位置坐标为(1.0071，0.5089)km；目标位置坐标为(0.5030，1.0043)km；外辐射源直达波来波方向为26.8083度；当前时刻及前15个时刻目标反射信号来波方向分别为63.3958、65.3747、67.4865、69.7389、72.1386、74.6914、77.4011、80.2696、83.2955、86.4738、89.7955、93.2467、96.8087、100.4582、
104.1681、107.9082度；当前时刻及前15个时刻目标反射信号与外辐射源直达波信号的到达时差分别为2.3388、2.3050、2.2850、2.2783、2.2843、2.3029、2.3339、2.3772、、2.5819、
2.6756、2.7824、2.9024、3.0357、3.1823微秒。
104.1681、107.9082度；当前时刻及前15个时刻目标反射信号与外辐射源直达波信号的到达时差分别为2.3388、2.3050、2.2850、2.2783、2.2843、2.3029、2.3339、2.3772、、2.5819、
2.6756、2.7824、2.9024、3.0357、3.1823微秒。
[0035] 外辐射源直达波信号来波方向估计为27.6079度，误差为0.7996度；当前时刻及前15个时刻目标反射信号来波方向估计分别为63.5250、64.7276、67.6767、70.2696、
74.0850、74.6988、78.6680、81.0764、84.2084、85.7815、89.8659、94.4776、95.7051、
99.6724、104.5649、108.2864度，误差分别0.1291、‑0.6471、0.1902、0.5307、1.9464、
0.0075、1.2668、0.8068、0.9129、‑0.6924、0.0704、1.2309、‑1.1036、‑0.7857、0.3968、
0.3782为度；当前时刻及前15个时刻目标反射信号与外辐射源直达波信号的到达时差估计分别为2.3552、2.2840、2.2825、2.2735、2.2868、2.2900、2.3302、2.3826、2.4317、2.5164、
2.5728、2.6687、2.7796、2.9032、3.0209、3.1766微秒，误差分别为16.4485、‑21.0561、‑
2.5425、‑4.7222、2.4710、‑12.8982、‑3.6709、5.4342、‑1.1259、15.3988、‑9.1150、‑
6.9535、‑2.7730、0.8201、‑14.7819、‑5.6993纳秒。本发明方法利用外辐射源直达波信号来波方向估计、当前时刻及前15个时刻目标反射信号来波方向估计、目标反射信号与外辐射源直达波信号的到达时差估计，确定的目标位置坐标估计为(0.4985，1.0010)km。可见，本发明方法对目标的定位误差为(‑4.4869，‑3.3317)m，相对误差(定位误差的Frobenius范数除以外目标与定位站之间的距离)为0.5％，在外辐射源位置未知的情况下，实现了对目标定位的目的。
74.0850、74.6988、78.6680、81.0764、84.2084、85.7815、89.8659、94.4776、95.7051、
99.6724、104.5649、108.2864度，误差分别0.1291、‑0.6471、0.1902、0.5307、1.9464、
0.0075、1.2668、0.8068、0.9129、‑0.6924、0.0704、1.2309、‑1.1036、‑0.7857、0.3968、
0.3782为度；当前时刻及前15个时刻目标反射信号与外辐射源直达波信号的到达时差估计分别为2.3552、2.2840、2.2825、2.2735、2.2868、2.2900、2.3302、2.3826、2.4317、2.5164、
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2.5425、‑4.7222、2.4710、‑12.8982、‑3.6709、5.4342、‑1.1259、15.3988、‑9.1150、‑
6.9535、‑2.7730、0.8201、‑14.7819、‑5.6993纳秒。本发明方法利用外辐射源直达波信号来波方向估计、当前时刻及前15个时刻目标反射信号来波方向估计、目标反射信号与外辐射源直达波信号的到达时差估计，确定的目标位置坐标估计为(0.4985，1.0010)km。可见，本发明方法对目标的定位误差为(‑4.4869，‑3.3317)m，相对误差(定位误差的Frobenius范数除以外目标与定位站之间的距离)为0.5％，在外辐射源位置未知的情况下，实现了对目标定位的目的。