一種基于多星gnss-r海面目標(biāo)定位模糊消除方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于多星GNSS-R海面目標(biāo)定位模糊消除方法，屬于海洋遙感及 無源雷達(dá)目標(biāo)探測技術(shù)領(lǐng)域。當(dāng)海面探測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)大型目標(biāo)時，針對星載接收機(jī)平臺海 面目標(biāo)探測定位系統(tǒng)出現(xiàn)的定位模糊問題，提出了一種解決方案。多星定位模糊消除分為 兩種：（1)多星接收-單星發(fā)射模型（2)單星接收-多星發(fā)射模型。
【背景技術(shù)】
[0002] GNSS-R(GNSS-Reflection)遙感技術(shù)是自1997年以來發(fā)展起來的一個新型分支， 是國內(nèi)外遙感和導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域研宄熱點(diǎn)之一。GNSS-R利用導(dǎo)航衛(wèi)星L波段信號為發(fā)射源， 在陸地、航空飛行器、衛(wèi)星或其它平臺上安裝反射信號接收裝置，通過接收并處理海洋、陸 地或移動目標(biāo)的反射信號，實現(xiàn)被測媒質(zhì)的特征要素提取或移動目標(biāo)探測的一種技術(shù)。隨 著世界四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，衛(wèi)星信號的全球和近地空間的立體覆蓋能力日益完善， 同一時間將有更多的可見星供GNSS-R技術(shù)使用。
[0003] 現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，以"千里眼"著稱的雷達(dá)所起的作用越來越重要，對雷達(dá)探測系統(tǒng)提 出了越來越高的要求，不僅要求其具有較高的探測精度和快速的反應(yīng)能力，而且要求其具 有極強(qiáng)的"四抗"能力。在這種情況下，對于無源雷達(dá)探測系統(tǒng)的研宄就顯得越來越重要。 無源探測本身不發(fā)射電磁波，而是利用目標(biāo)自身向外輻射或已有的其他非合作輻射源作為 目標(biāo)的照射源。它通過接收來自照射源的直達(dá)波和經(jīng)目標(biāo)散射的回波，測得目標(biāo)回波的多 普勒頻移、到達(dá)時差及到達(dá)角等，經(jīng)處理后實現(xiàn)目標(biāo)的探測和跟蹤。目前可用的第三方電磁 波信號包括地面廣播電臺、通信臺站、直播電視衛(wèi)星和導(dǎo)航定位衛(wèi)星系統(tǒng)等發(fā)射的信號。利 用移動目標(biāo)所反射的GNSS信號，來探測該目標(biāo)所在的位置和運(yùn)動變化軌跡，是一種非合作 式"雙（多）基"無源雷達(dá)，具有較高的安全性和全球性、全天時、全天候工作等特點(diǎn)。由于 不需要發(fā)送任何探測信號，且其接收機(jī)單獨(dú)部署，該技術(shù)同時具有造價低、隱蔽性強(qiáng)、生存 能力強(qiáng)的優(yōu)勢。
[0004] 反射信號的相關(guān)值需要從時延和多普勒兩方面進(jìn)行分析，而最終目標(biāo)定位的結(jié)果 需要以經(jīng)煒度坐標(biāo)形式表示。但由于空間區(qū)域具有相同時延和多普勒的點(diǎn)不唯一，導(dǎo)致海 面目標(biāo)出現(xiàn)定位模糊問題。傳統(tǒng)的解決方法是使用空域濾波，即通過調(diào)整陣列天線的波束， 使其指向鏡面反射點(diǎn)的一側(cè)。但由于普通波束的形成依賴于陣列幾何結(jié)構(gòu)和波達(dá)方向角， 而與信號環(huán)境無關(guān)，且固定不變、存在旁瓣、抑制干擾能力差等缺點(diǎn)，在星載接收平臺條件 下并不能加以靈活應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明的目的在于：為了解決由于空間區(qū)域具有相同時延和多普勒的點(diǎn)不唯一而 造成的目標(biāo)定位模糊問題，提供一種基于多星GNSS-R海面目標(biāo)定位模糊消除方法。
[0006] 目標(biāo)必須處于GPS衛(wèi)星波束和LEO低軌衛(wèi)星波束的共同覆蓋區(qū)，才能夠?qū)崿F(xiàn)定位。 從定位性能上講，多星發(fā)射-單星接收和多星接收-單星發(fā)射模型二者是相同的。多星接 收（多個LEO衛(wèi)星）單星發(fā)射（單顆GPS衛(wèi)星）模型下，因為LEO衛(wèi)星數(shù)量多，且運(yùn)行速度 較快，波束覆蓋范圍較易重疊。另外因為GPS分布廣且均勻，能夠保證在同一時刻多顆GPS 衛(wèi)星的波束同時覆蓋同一區(qū)域，隨著導(dǎo)航衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，導(dǎo)航衛(wèi)星信號資源將會日 益豐富，同一時刻可觀測衛(wèi)星數(shù)目將會日益增加，所以多星發(fā)射（多顆GPS衛(wèi)星）單星接收 (單顆LEO衛(wèi)星）模型對無源雷達(dá)定位是可行的。綜上，雙星定位模糊消除分為兩種：（1) 多星接收-單星發(fā)射模型；（2)多星發(fā)射-單星接收模型。利用以上兩種模型將多顆衛(wèi)星或 多個星載接收平臺得到的不同定位結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合處理，消除定位虛點(diǎn)，從而提高GNSS-R在 海面目標(biāo)探測領(lǐng)域的實用性。
[0007] 具體的技術(shù)方案為：
[0008] 本發(fā)明一種基于多星GNSS-R海面目標(biāo)定位模糊消除方法，該方法具體步驟如下：
[0009] 步驟一：接收機(jī)通過右旋極化天線接收直射信號、通過左旋極化天線接收反射信 號。由于海面GNSS散射信號微弱，在不同平臺高度需采用不同增益的天線，在400km至 3800km低軌衛(wèi)星平臺，通常需要大于20dB高增益陣列天線。經(jīng)海面反射的GNSS信號通 過多普勒延遲映射接收機(jī)（DDMR)相關(guān)處理后以獲得較高的增益進(jìn)行分析。反射信號的時 延-多普勒二維相關(guān)函數(shù)為：
【主權(quán)項】
1. 一種基于多星GNSS-R海面目標(biāo)定位模糊消除方法，其特征在于：該方法具體步驟如 下： 步驟一：接收機(jī)通過右旋極化天線接收直射信號、通過左旋極化天線接收反射信號； 由于海面GNSS散射信號微弱，在不同平臺高度需采用不同增益的天線，在400km至3800km 低軌衛(wèi)星平臺，通常需要大于20dB高增益陣列天線，經(jīng)海面反射的GNSS信號通過多普勒延 遲映射接收機(jī)即DDMR相關(guān)處理后以獲得較高的增益進(jìn)行分析；反射信號的時延-多普勒二 維相關(guān)函數(shù)為：
其中Ti為積分時間，f。為接收信號的中心頻率，為本地多普勒估計值，DDMR輸出不 同時延多普勒的相關(guān)功率值； 步驟二：當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在探測區(qū)域海面時，由于目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積RCS通常與同面 積的海面RCS差異很大，改變了該區(qū)域的散射系數(shù)分布，從而使探測區(qū)域的相關(guān)功率發(fā)生 相應(yīng)變化；通常，目標(biāo)探測模塊通過獲取探測區(qū)域的相關(guān)功率的最大值來探測目標(biāo)的存在， 將相關(guān)功率峰值的時延多普勒坐標(biāo)確定為目標(biāo)所在位置的時延多普勒坐標(biāo)（ T，fd); 步驟三：將得到的目標(biāo)時延多普勒域坐標(biāo)（τ，fd)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)（lon，lat，h)即能 對海上目標(biāo)進(jìn)行定位；計算方法如下： (1) 首先計算鏡點(diǎn)在本地坐標(biāo)系下的位置，采取兩步法計算；首先假定參考面為橢球 面，按照迭代方法先計算后校正，由式： M = R+He/ (He+Ht) (T-R) 計算出向量R的位置以及Yt、丫^根據(jù)三角關(guān)系計算得到a t和a ^通常，（^和α ^ 經(jīng)上述計算是不相等的，按照如下公式進(jìn)行加權(quán)重新估計at和a ^ α，r=a， t=(HTa t+HE a r)/ (HT+HE) 式中符號說明如下：％和H KST、R相對于橢球的高度，a t與a 別為鏡點(diǎn)的入射角 和反射角； 根據(jù)三角形關(guān)系分別重新計算yt、γρ為γ\、γ\，平均值按照式 (Yt+Y !+Y t'-Y/)/2進(jìn)行計算，從而根據(jù)新的Yt值重新計算M、R，然后計算a t和a ^ 并進(jìn)行迭代運(yùn)算，直到a t= a y (2) 由步驟二得到的相關(guān)功率最大值點(diǎn)的時延和多普勒值（i，fd)，根據(jù)最大值點(diǎn)與鏡 點(diǎn)值之間對應(yīng)的時延值和多普勒值插值，估算得出其距離，分別記為屯和d 2,繼而計算得到 海面目標(biāo)的物理坐標(biāo)（x，y，z);由于空間區(qū)域具有相同時延和多普勒的點(diǎn)不唯一，此處將 會得到兩個結(jié)果，分別表示為（X 1, Y1, Z1)和（x2, y2, Z2)，此時出現(xiàn)在GNSS-R目標(biāo)探測中的定 位模糊問題，無法確定得到的兩個結(jié)果中哪個是海面目標(biāo)的真實坐標(biāo)位置；利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 方法分別將（X 1, Y1, Z1)和（x2, y2, Z2)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)（Ion1, Iat1, hi)、（Ion2, Iat2, h2)，從地 心地固直角坐標(biāo)（X，y，z)到大地坐標(biāo)（Φ，λ，h)的變換公式如下：
Φ、λ、h分別表不大地 的煒度、經(jīng)度、高度，a、b分別為基準(zhǔn)橢球體的長半徑和短半徑，e為橢球偏心率，一般經(jīng)過 3~4次循環(huán)迭代后就能結(jié)束計算； 步驟四：利用多星接收-單星發(fā)射模型或單星接收-多星發(fā)射模型分別構(gòu)成多個相對 獨(dú)立的探測系統(tǒng)，并且確保這幾個相對獨(dú)立的并行探測系統(tǒng)具有共同的探測區(qū)域；當(dāng)目標(biāo) 出現(xiàn)在共同的探測區(qū)域時，經(jīng)過步驟一、二、三會得到多組不同的目標(biāo)真實點(diǎn)物理坐標(biāo)和虛 點(diǎn)物理坐標(biāo)；由于目標(biāo)的真實位置只有一個，多組探測結(jié)果得到的真實目標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)煒度坐 標(biāo)會發(fā)生重疊，這樣就能通過將多星探測結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合處理，從多個目標(biāo)定位結(jié)果中剔除 虛點(diǎn)的影響，從而確定目標(biāo)的真實物理坐標(biāo)。
【專利摘要】一種基于多星GNSS-R海面目標(biāo)定位模糊消除方法，它有四大步驟：一、接收機(jī)通過右旋極化天線接收直射信號、通過左旋極化天線接收反射信號；二、目標(biāo)探測模塊通過獲取探測區(qū)域的相關(guān)功率的最大值來探測目標(biāo)的存在，將相關(guān)功率峰值的時延多普勒坐標(biāo)確定為目標(biāo)所在位置的時延多普勒坐標(biāo)(τ,fd)；三、將得到的目標(biāo)時延多普勒域坐標(biāo)(τ,fd)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)(lon,lat,h)即能對海上目標(biāo)進(jìn)行定位；四、通過將多星探測結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合處理，從多個目標(biāo)定位結(jié)果中剔除虛點(diǎn)的影響，從而確定目標(biāo)的真實物理坐標(biāo)。本發(fā)明在海洋遙感及無源雷達(dá)目標(biāo)探測技術(shù)領(lǐng)域里有實用價值。
【IPC分類】G01S19-42, G01S7-41
【公開號】CN104678418
【申請?zhí)枴緾N201510072486
【發(fā)明人】楊東凱, 齊雅男, 沈海鴻, 高超群
【申請人】北京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年2月11日