[发明专利]一种借助虚拟观测和距离等效交换的单站短基线相差定位方法

说明书

本发明公开了一种采用长度仅为数十个波长的短基线即可实现远距高精度单站相差定位的方法。先借助相似递推和近似测向法，将长基线程差测距方程转为仅基于测向的双站测距式。在此基础上，一方面在借助单站异端虚拟观测法将双站定位转化为单站探测的同时，保留了有助于提高定位精度的双站间的虚拟长基线。另一方面在利用单站短基线相差定位法将双站间未知的交会角消除掉的同时，将单站短基线相差测量所获得的目标距离和由虚拟双站所获得的目标距离进行等效交换，由此就能在数学形式上使测距误差函数与距离变量成反比。借助于虚拟长基线和误差与距离成反比的特性，最终可获得小于1％R的远程测距精度。

技术领域

本发明涉及无线电定位技术，具体涉及一种基于短基线相差测量，并能实现远距高精度测量的单站定位方法。

背景技术

无源定位跟踪系统大致可以分为两大类型：多站系统和单站系统。多站系统需要各站之间同步工作并进行大量的数据传输，此外还要求对集中的数据进行融和处理，这不仅使定位系统变得复杂，也限制了系统的机动性。而单站系统恰好克服了这些缺点，具有良好的独立性、灵活性等优势，但由于单站所能获取的信息量相对少于多个观测站，故实现难度相对很大。

传统固定单站定位方法主要是利用到达方位角(DOA)信息对辐射源进行测向交叉定位，但由于该方法对测角精度的敏感性，仅利用DOA信息不仅定位精度低，而且还会导致算法收敛时间长等不良后果。

由于存有相对运动，运动单站具有更多的可观测量，可用于运动单站的传统方法有：测向定位法、到达时间定位法、多普勒频率定位法、方位-到达时间联合定位法、方位-频率联合定位法、幅度-方位定位法等等。

为提高定位精度，目前正在发展的各种新的定位技术是将目标的方位角变化率、相位差变化率、多普勒变化率等作为观测量。

传统的测量方法不仅定位精度低，而且收敛速度慢，缺乏实时性。而引入变化率的方法，因观测量本身就是关于时间导数的物理量，且在单站短基线应用的情况下，由于量级很小，所以在对实时性有较高要求的情况下检测相对比较困难，亦难以获得较好的测量精度。

实际上，相移与距离有着直接的对应关系，且根据这种对应关系即可获得与多站时差定位方程完全类似的相差定位方程。但各类基于程差的定位测量方法都具有测量精度是与基线长度成正比的特性，所以采用短基线通常无法实现远距精确定位。已有的基本分析表明，为实现较好的测距精度，用于定位系统的天馈阵列的基线长度至少需要几百米。

发明内容

针对目前单站短基线相差测量系统无法实时的实现远距高精度测距定位的问题，本发明的目的是先借助相似递推和近似测向法，将长基线程差测距方程转为仅基于测向的双站测距式。在此基础上，一方面在借助单站异端虚拟观测法将双站定位转化为单站探测的同时，保留了有助于提高定位精度的双站间的虚拟长基线。另一方面在利用单站短基线相差定位法将双站间未知的交会角消除掉的同时，将单站短基线相差测量所获得的目标距离和由虚拟双站所获得的目标距离进行等效交换，由此就能在数学形式上使测距误差函数与距离变量成反比。最终给出了一种采用长度仅为数十个波长的短基线即可实现远距高精度单站相差定位的方法。

本发明是通过如下技术方案实现的。

首先，采用相似递推法，将基于短基线的程差测量结果拓展到长基线，并利用短基线近似测向公式将长基线程差方程变换为仅基于角度测量的函数。由此得到一个仅含有角度变量，包括主站和辅站的目标方位角，以及两站之间交会角的双站测距公式。

然后，采用单站异端虚拟观测的方法利用主站短基线相差测向和测距的结果，并借助于两站之间的长基线，求解出辅站的目标方位角，由此将一个与高阶几何量相关的、基于角度测量的双站测距方程转化为一个借助于虚拟观测的单站定位问题。

随后再次利用主站短基线相差测向和测距的结果，由三角函数关系将双站间未知的交会角予以消除。