專利名稱：雙平臺多輻射源測向測時交叉定位方法
技術領域：
本發明涉及一種純角度無源定位時雙平臺多輻射源測向測時交叉定位方法，是紅外搜索與跟蹤系統、無源定位系統、紅外預警系統、大視場目標監視系統、空中交通管制系統等的一項核心技術，在各類軍、民用系統中均可有廣泛的應用。
有源定位是利用雷達、激光、聲納等有源設備來對輻射源進行定位，它具有全天候、高精度等優點。然而有源定位的使用，要發射大功率的信號，這樣很容易暴露自己，被對方發現從而遭受破壞，使定位精度受到很大影響。通過對輻射源信號的截獲、測量獲得目標的位置和航跡，實現定位的方法，稱為無源定位。它不發射自己的信號，具有作用距離遠，隱蔽性好等優點。因而具有極強的生存能力和反隱身能力。和有源定位系統相比具有低耗費、低維修、對環境友好等優點。隨著信號截獲和處理技術的發展，無源定位技術的研究和應用越來越廣泛。
在無源定位方法中，由于方向測量定位方法(測向交叉定位方法)具有方向角度變化慢，對平臺間的時間統一要求低等特點，使得方向測量定位方法成為發展最早、研究最多和使用最廣泛的無源定位技術。它是通過高精度的測向設備，在兩個或兩個以上的觀測平臺對輻射源測向，各個測向線(視線)的交叉點就是輻射源的地理位置。根據在各觀測平臺測得的輻射源的方向和各觀測平臺的位置，通過三角運算就可以確定交叉點的坐標。然而在多輻射源的情況下，此方法的主要缺點是存在虛假定位。對于空間存在N個輻射源，兩個平臺共有2N條方向線，存在N*N個交叉點，其中有N*(N-1)個交叉點是虛假定位。因此從實際應用的角度出發，要求去除這些虛假定位。
國內外研究人員針對虛假點的去除提出了一些方法。對于多平臺(平臺數≥3)無源定位，已經證明其平臺間數據關聯具有NP計算復雜性難題。目前研究人員主要應用圖論、運籌學、組合數學等工具求解該問題，消除虛假定位的方法主要有最小距離法、最大似然法、譜相關法、整數規劃法、拉格朗日松弛算法、神經網絡等，但是平臺過多導致平臺間的數據傳輸、處理和時間的同步都變得十分復雜，限制了其應用。一般情況下，很難依據兩個平臺來去除虛假點，目前雙平臺無源定位主要是結合輻射源的先驗信息或者冗余信息去除虛假點。信號處理的方法要求知道信號的一些先驗信息，通過信號的譜相關理論、盲分離算法等進行定位，平臺接收裝置必須采用均勻陣列，算法復雜。
為實現這樣的目的，本發明的技術方案中采用雙平臺進行定位，主從平臺獨立采集數據。每個掃描周期結束從平臺通過通信傳輸將數據傳送到主平臺進行融合。在主平臺融合中心進行數據處理，計算雙平臺間測量數據的相近度來進行最優匹配，去除虛假定位。對于N個輻射源，每個平臺測量出N組數據，每組數據包括輻射源的方位角以及對應的時間標記。N個輻射源可以形成N*N個交叉點，兩個平臺形成N*N組測量數據和交叉點相對應。在一組數據中，根據兩個方位角可以得到此交叉點和主平臺的斜距，另外，通過測量時間差和主平臺的測量方位角也可以得到此交叉點和主平臺的斜距。根據兩個斜距的誤差程度，可以得到這組測量數據的相近度。根據相近度的數值可以完成虛假點的去除。
本發明的方法包括如下具體步驟1.測量數據采集主平臺從平臺是兩個獨立的系統，每個平臺都可以獨立測量監視區域的輻射源。平臺攜帶的紅外搜索與跟蹤系統(IRST)可以測量目標的方位角，測量精度可以達到3毫弧；平臺采用基于全球定位系統GPS的統一時間基準。GPS的特點是可以為全球各地隨時提供一個高精度的時鐘，從而也就保證了各平臺信號的同步。由GPS接收板、高穩定度晶體震蕩器和時鐘板組成的GPS鐘可以提供高精度的時間標準，時間精度可以達到20納秒。一個掃描周期結束，從平臺通過通信傳輸將數據傳送到主平臺進行后續處理。
2.測量數據處理融合主從平臺的測量數據，對于N個輻射源，形成N*N組測量數據(即N*N個交叉點)。每組測量數據包括三個元素(1)主平臺的測量角度；(2)從平臺的測量角度；(3)主從平臺的測量時差。根據簡單三角公式，由(1)(2)可以計算出輻射源到主平臺的斜距。根據測角測時差定位公式，由(1)(3)可以計算出輻射源到主平臺的斜距。如果不考慮測量誤差的情況下，如果交叉點是輻射源，顯然兩個斜距應該相等。然而實際情況測量噪聲肯定存在的，因此對于真實輻射源，兩個斜距數值也不相等。根據斜距的誤差，定義主從平臺的測量數據的相近度P(P∈
)。P的數值越大，表明平臺間測量數據來自同一輻射源的可能性越大，即此組數據代表真實輻射源。重復上述過程，得到一個N*N的相近度矩陣A=(Pj1,j2)N×N,]]>j1表示主平臺的第j1個測量數據，j2表示從平臺的第j2個測量數據。通過測量數據的處理，最終得到相近度矩陣A。
3.虛假點去除因為平臺的每個測量角度代表一個輻射源，不同的輻射源有不同的角度，因此從A中選出最大的N個不同行不同列元素，則此N個元素對應的測量數據就代表輻射源，其余都為虛假點。從而完成虛假點去除。
本發明可用于兩個測量平臺對多個輻射源進行定位，通過引入時刻量測量，提出相近度的概念，算法簡單有效、實時性強，無需輻射源的先驗信息，降低了平臺間數據傳輸、處理和時間同步的復雜性，運算速度快，正確定位精度高，能夠有效去除無源定位中的虛假點，可廣泛應用于航海、航空、宇航、偵察、測控、救援和地球物理學等各類軍、民用系統，具有廣闊的市場前景和應用價值。
如
圖1所示，E為輻射源，S1，S2為測量平臺。已知測量平臺的位置，測量的角度，以X軸為基準。
圖2為多輻射源情況下測向交叉定位產生虛假點示意圖。
如圖2所示，監視區域存在3個輻射源，共產生9個交叉點，其中3個交叉點是真實輻射源，其余6個是虛假點。
圖3為本發明實施例中輻射源水平編隊態勢圖。
圖4為本發明實施例中輻射源十字編隊態勢圖。
a. 觀測平臺和輻射源都在同一平面內，如XY平面內；b.每個測量平臺都能正常接收到所有輻射源輻射的信號，無雜波干擾；c.信號沒有重疊情況，即有N個目標，可以測到N組數據；d.雙平臺接收數據具有相同的測量精度，并且已經時空配準。1.測量數據采集在這些假設前提下，每個測量站分別測得N個輻射源的方位角α以及對應的時間標記T。本系統采用基于全球定位系統GPS的統一時間基準。GPS的特點是可以為全球各地隨時提供一個高精度的時鐘，從而也就保證了各平臺信號的同步。由GPS接收板、高穩定度晶體震蕩器和時鐘板組成的GPS鐘可以提供高精度的時間標準。因此定義i平臺對j輻射源的觀測向量為zij=αijTij]]>(i＝1，2；j＝1，2....N)。平臺1為主平臺，2為從平臺。平臺2通過通信傳輸將數據傳送到平臺1進行融合，形成N*N的測量數據集。Sj1，j2＝{(α1，j1，α2，j2，T1，j1，T2，j2)}(其中j＝j1，…，jm≤N；為一個交叉點的排列，即第1個觀測平臺測到第j1個輻射源數據，第2個測量平臺測到第j2個輻射源數據)。
2.測量數據處理在圖1中，根據簡單的三角關系有xe=x1tanα1-x2tanα2+y2-y1tanα1-tanα2.....(1)]]>ye=y2tanα1-y1tanα2+(x1-x2)tanα1-tanα2.....(2)]]>設輻射源E到達S1、S2的時間差為ΔT，S1測量的角度為α1，則有ES1‾-ES2‾=cΔT......(3)]]>ES2‾2=ES1‾2+S1S2‾2-2ES1S1S2‾cosα1.....(4)]]>聯立(3)、(4)解得ES1‾=(cΔT)2-S1S2‾22(cΔT-S1S2‾cosα1)......(5)]]>這里c為光速，ES代表ES線段的距離。
定義時差:Δtj1，j2＝T1，j1-T2，j2，重新定義任一個交叉點的測量數據集Sj1，j2＝{(α1，j1，α2，j2，ΔTj1，j2)}，由(1)、(2)、(5)可以得出(xj1,j2,yj1,j2,Ej1,j2S1‾).]]>如果測量組合Sj1，j2來源于同一個輻射源，且沒有測量噪聲，則應滿足如下表達式(xj1,j2-x1)2+(yj1,j2-y1)2=Tj1,j2S1‾.....(6)]]>其中x1，y1為平臺1的坐標。如果存在測量噪聲，則(6)式左右不相等，定義 為(6)式左邊同(6)式右邊距離的不等程度，dj1,j2=abs((xj1,j2-x1)2+(yj1,j2-y1)2-Tj1,j2S1‾)(xj1,j2-x1)2+(yj1,j2-y1)2....(7)]]>在dj1，j2基礎上定義平臺間測量數據的相近度Pj1，j2，Pj1，j2＝exp(-dj1，j2)(8)Pj1，j2數值越大，表明平臺1、2第j1組和第j2組數據來自同一輻射源概率越大，即此交叉點是真實輻射源概率越大。反之，Pj1，j2越接近0，表明平臺1，2第j1組和第j2組數據來自同一輻射源概率越小，即此交叉點是虛假點概率越大。
對于N2個交叉點，分別計算其相近度P，組成一個N×N相近度矩陣A=(Pj1,j2)N×N.]]>3.虛假點去除從相近度矩陣中選出N個不同行不同列的元素，則對應著N個真實目標，其余為虛假點。從而實現虛假點去除。具體實現方法首先從A中選出最大元素，則此元素為一真實輻射源，然后把此元素對應的行列去除，在剩下的元素中再次選擇最大元素，然后再去除此元素對應的行列，依此類推，得到N個不同行不同列的元素。
以下給出兩種典型輻射源編隊計算實例。
設測向交叉定位系統由兩平臺組成，平臺1在直角坐標系站址為(0km，0km)，平臺2為(5km，0km)。空間輻射源為5個，采用兩種輻射源編隊進行Monte Carlo仿真。紅外測角精度為3毫弧，GPS時鐘測時精度為20納秒。定義正確定位概率為正確定位概率＝正確定位次數/仿真次數 (9)(1)水平編隊假設k時刻輻射源位置如下輻射源1(100km，100km)；輻射源2(100+d km，100km)；輻射源3(100-d km，100km)；輻射源4(100+2d km，100km)；輻射源5(100-2d km，100km)。d為目標間距。圖3為輻射源水平編隊態勢圖。表1為一隨機情況每個點的相近度計算。從表中可以看出，(1，1)、(2，2)、(3，3)、(4，4)、(5，5)組合最有可能是輻射源，其余都是虛假點。針對不同編隊間距做1000次Monte Carlo仿真，正確定位概率如表2所示。
表1水平編隊交叉點相近度(d＝1km)
表2水平編隊正確定位概率
(2)十字編隊假設k時刻目標位置如下輻射源1(100km，100km)；輻射源2(100+d km，100km)；輻射源3(100-d km，100km)；輻射源4(100km，100-d km)；輻射源5(100km，100+d km)。d為目標間距。圖4為輻射源十字編隊態勢圖。表3為一隨機情況每個點的相近度計算。從表中可以看出，(1，1)、(2，2)、(3，3)、(4，4)、(5，5)最有可能是輻射源，其余都是虛假點。針對不同編隊間距做1000次Monte Carlo仿真，正確定位概率如表4所示。
表3十字編隊交叉點相近度(d＝1km)
表4十字編隊正確定位概率
通過Monte Carlo仿真可以看出，水平編隊正確定位概率對輻射源間距離信息不敏感，在相同噪聲情況下，正確定位概率基本上沒有什么變化。十字編隊正確定位概率對輻射源距離信息很敏感，隨著距離的增大，正確定位概率顯著增大。在此仿真條件下，對于水平編隊飛行來說，角度標準差在3mrad內，時間標準差在20ns內，正確定位概率就可以達到99％，而對于十字編隊來說，在相同測量精度條件下，間距d大于1.5km情況下正確定位率可以達到80％以上，都可以滿足實際系統的需求。
權利要求
1.一種雙平臺多輻射源測向測時交叉定位方法，其特征在于包括如下具體步驟1.測量數據采集主平臺從平臺是兩個獨立的系統，平臺攜帶紅外搜索與跟蹤系統IRST測量目標的方位角，平臺采用基于全球定位系統GPS的統一時間基準，一個掃描周期結束，從平臺通過通信傳輸將數據傳送到主平臺進行后續處理；2.測量數據處理融合主從平臺的測量數據，對于N個輻射源，形成N*N組測量數據，即N*N個交叉點，根據每組測量數據分別計算出兩個輻射源到主平臺的斜距，根據斜距的誤差，定義主從平臺的測量數據的相近度P(P∈
)，P的數值越大，表明平臺間測量數據來自同一輻射源的可能性越大，即此組數據代表真實輻射源，重復上述過程，得到一個N*N的相近度矩陣A=(Pj1,j2)N×N,]]>j1表示主平臺的第j1個測量數據，j2表示從平臺的第j2個測量數據；3.虛假點去除從相近度矩陣A中選出最大的N個不同行不同列元素，則此N個元素對應的測量數據就代表真實輻射源，其余都為虛假目標，從而完成虛假點去除。
全文摘要
本發明涉及一種雙平臺多輻射源測向測時交叉定位方法，主從平臺獨立采集數據，每組數據包括輻射源的方位角以及對應的時間標記，N個輻射源形成N
文檔編號G01S5/16GK1477406SQ0312927
公開日2004年2月25日 申請日期2003年6月12日 優先權日2003年6月12日
發明者敬忠良, 胡洪濤, 胡士強 申請人:上海交通大學