[发明专利]三站测时差立体定位方法

说明书

技术领域

本发明是关于雷达探测系统三站无源定位系统，在无源雷达测时差定位只获得两组时差数据时，快速给出辐射源在三维空间内所有可能位置的一种方法。

背景技术

在无线通信领域中，目标源定位问题已越来越受到科学家的关注。目标源定位在现实生活中有着广泛的应用。无源定位是被动地接收辐射源的信号，根据辐射源信号的到达时间、方向等信息来确定辐射源的位置，其中无源测向定位是研究最早、最多的一种定位技术，由此派生出的多站交叉定位和单站多点交叉定位更是研究的重要方向。大多研究的是平面二维的情况，对于三维空间的情况及各种影响因素考虑较少。用两站定位时，无论采用何种方法，其基线附近区域均属定位盲区。一般用三基地布站来解决盲区问题，常用方法是等腰三角形布站。多站时差定位是一种较精确的定位方法,通过处理3个或3个以上测量站采集的信号到达时间来对辐射源定位。时差定位是通过处理3个或更多个测量站采集到的信号到达时间测量数据对辐射源进行定位的。在三维空间中，辐射源信号到达两站的时间差确定了一对以两站为焦点的双曲面，时差定位系统至少需要由3个观察站组成，其中一个是主站，两个是辅站。辅站把接收到的雷达信号传送到主站，由主站测量出雷达脉冲传播到辅站和传播到主站花费的时间之差。这个时间差反映了雷达到这个辅站和主站的路程之差。每一个辅站和主站测到一个时差就能画出一条双曲线轨迹，雷达必定在这条轨迹之上。两个时差确定的双曲线轨迹的交点就是雷达的位置。新的时差测量方法是在各个主、辅站分别测量脉冲的到达时间，再把辅站的数据收数字通信的方式传到主站，各站时钟要通过全球定位系统一类的统一时间校对一致。由于脉冲到达时间差测量可以达到几纳秒到十几纳秒的精度，而且时差定位对距离远近的敏感程度小于测向交叉定位，所以时差定位可以获得比较高的定位精度。时差定位误差也与雷达所在位置有着密切的关系，在主辅站联线，包括延长线附近，三站系统几乎无法正常定位。主辅站的配置也影响着定位的精度。主辅墙间的距离也称基线，基线越长，定位精度越高，两基线间的夹角一般在120°-150°。从以上两种定位方法可以看出，无源定位无非是利用观测量在平面坐标系中画出观测量轨迹曲线，两条测量轨迹曲线的交点就是要找的辐射源位置。如果在立体空间中定位，就需要用三个测量曲面来确定交点。典型的无源探测手段有两种：一种是测向交叉法，即通过多站探测目标相对方位，再进行交叉定位的方法；另一种是测量抵达时间法，包括TOA(TimeofArrival)和TDOA(TimeDifferenceofArrival)。在三维空间中,辐射源信号到达两测量站的时间差规定了1对以两站为焦点的双曲面，若要确定三维空间的任一辐射源，则至少需要4个站形成3个单边双曲面来产生交点，以确定辐射源的位置。但在定位过程中会出现多值现象，即模糊。不管哪种布站，定位模糊区随站间距及高度不同而变化不大，始终在较大的范围内存在定位模糊。测向交叉定位是一种利用目标方位信息确定辐射源位置的定位方法，该方法不仅简单易行，而且测向定位设备本身不辐射电磁波，不易被对方侦察，属于无源定位，因而得到广泛的运用,但它的主要缺点是在多测向站多目标的情况下存在虚假定位点问题，难以判断真实目标的位置，而且虚假定位点的数量随着测向站和目标数目的增多而急剧增多，必须快速、准确地剔除这些虚假定位点。目前通常采用对所有测向站得到的目标辐射源测向数据直接进行关联，随着测向角度误差的增大，正确关联率明显下降。

目前三站测时差定位方法常用的是二维求解方式，例如三个地面观测台站，假定它们位于同一水平面内，主站与两辅站之间的时间差在水平面内确定了两条双曲线，通过求解析解的方法计算出它们的交点，即可得出辐射源的经纬度。这种方法计算比较简便，但有如下几个弊端：(1)布置台站的距离一般达到了数十公里量级，很难保证它们在同一个水平面内，使用这种定位方法得到的结果事实上忽略了站间高度差对辐射源定位的影响；(2)辐射源多来自于上空，加上高度维之后，它们辐射至主站与辅站的时间差跟实际测量值会有细小差异；(3)求解双曲面方程组的繁琐。因只有两个方程，放置三维空间时可能存在无穷个解，这些解的水平位置差异一般可达数公里。如果直接在三维状态下求解，方程组形式如下：