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一种三站时差定位性能试验评估方法
【专利摘要】本发明属于无源探测【技术领域】，公开一种三站时差定位性能试验评估方法，是建立三站时差定位性能试验评估模型，设计时差定位系统的部署和机载辐射源或机载雷达信号模拟器的飞行航线，然后基于整条航线的定位误差试验结果，解算综合时间测量误差模型中未知参数，最后利用综合时间测量误差模型和定位误差GDOP模型，得到任意位置的定位误差或任意平面的定位误差，本发明给出了综合时间测量误差模型中相关参数的求解方法，及任意布站模式和任意辐射源位置的定位误差。解决了【背景技术】中的三站时差定位性能试验评估问题。弥补了理想或固定的综合时间测量误差模型的不足。还能够推广到不需辐射源挂飞的地面试验模式。
【专利说明】一种三站时差定位性能试验评估方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于无源探测【技术领域】，尤其适用于一种三站时差定位性能试验评估方 法。

【背景技术】
[0002] 时差定位系统能够对空间辐射源进行侦察定位，具有侦察距离远、抗干扰能力 强、定位精度高和反应速度快等特点，因此被广泛应用到导航、航空、航天和电子战等领域。 时差定位系统由多个基站组成，包括一个主站和若干副站，主站是时差定位系统信息处理 中心，在无约束情况下，要实现任意空间辐射源的三维无源定位至少需要四站。辐射源信号 同时被两个不同位置的接收机接收，时差相同的点在平面上为双曲线，在三维空间为双曲 面，多站时差定位通过求解曲线或曲面的交点获取辐射源位置信息。三站时差定位主站和 副站侦察接收到空间辐射源信号，并获取侦察信号时差数据，然后主站通过求解两条曲线 的交点获取辐射源位置信息。由于三站时差定位系统结构简单，因此得到广泛应用。
[0003] 影响时差定位性能的因素包括基站空间位置、站址测量误差、定位模型误差、时间 测量误差等，其中时间测量误差是影响时差定位系统定位性能的关键因素之一。如何根据 试验数据评估多站时差定位性能是一个紧迫的课题。由于试验时间和经费的限制，试验不 可能直接获取多站时差定位系统对空间任意一点的定位性能，时差定位性能试验评估目的 就是根据试验航线的外场时差定位数据，推算辐射源任意位置的定位精度。为了评估时差 定位系统的定位性能，通常采用时差定位系统地面布站方式，机载辐射源按照预定航线飞 行，通过试验数据处理得到任意位置的定位误差或任意平面的定位误差几何稀释GD0P，下 面用定位误差⑶OP表示定位误差几何稀释。
[0004] 现有技术一的技术方案
[0005] 文献[1]:北京国防工业出版社，1996.孙仲康，周一宇，何黎星著的单多基地有 源无源定位技术[M].给出了三站时差定位性能试验评估方法。
[0006] 现有技术一的缺点
[0007] 常规时差定位误差模型通常将时差测量误差假定为常数[1][2]，文献[2]给出了三 站时差定位直线布站情况下的定位精度推算模型，但没有考虑时差测量误差随侦察信号信 噪比的变化，因此评估方法存在模型误差缺陷。时差测量误差模型是时差定位系统GDOP计 算的基�。�文献[3]给出了时间/频率测量误差和信噪比模型、文献[4]对时间测量误差模 型进行了完善，文献[5] [6] [7] [8]也给出了SNR模型，以上文献认为采样时间段内信号是 连续的，没有考虑信号占空比对SNR的影响，例如对于雷达信号，相干处理时间内可能存在 一个或多个雷达脉冲情况。实际时间测量误差方差和辐射源系统参数及信号参数、侦察设 备系统参数、两者距离等因素有关。系统参数确定后，距离远近决定了时间测量能力和测量 误差。无限远处侦察设备不能侦察到信号，时差测量无从谈起，随着距离的减�。�逐渐能侦 察到信号且时差测量误差逐渐减小。
[0008] 文献[2]:电子学报，2004, 32 (9) : 1452-1455.陈永光，李昌锦，李修和著的三站 时差定位的精度分析与推算模型[J]。给出了三站时差定位直线布站情况下的定位精度推 算模型，采用了固定时差测量误差模型或称为固定系数模型，没有考虑时差测量误差随侦 察信噪比的变化，即随着基站与信号源距离变化，信噪比也变化，最终导致时间测量误差方 差的变化，因此评估方法存在模型误差缺陷。


【发明内容】

[0009] 为了克服【背景技术】中的不足，本发明提供一种三站时差定位性能试验评估方法， 是针对平面三站协同时差定位性能试验评估需求，综合考虑时间测量误差模型，给出了多 站时差定位性能试验评估方法，将解决试验过程中时差定位性能评估问题，同时给出了三 站时差定位性能试验评估方法。
[0010] 为了实现上述发明目的，本发明采用技术方案如下：
[0011] -种二站时差定位性能试验评估方法，是建立二站时差定位性能试验评估模型， 并且通过三站时差定位性能试验评估模型，设计外场时差定位系统的部署方法和机载辐射 源的飞行航线，然后基于整条航线的定位误差试验结果，解算综合时间测量误差模型中未 知参数，最后利用综合时间测量误差模型和定位误差模型，得到任意位置的定位误差或任 意平面的定位误差⑶0P，其具体步骤如下：
[0012] 步骤一试验布站设计
[0013] 按照直线、三角形、T形或任意空间位置部署三站时差定位系统的定位站空间位 置，根据定位主站和副站间通讯能力和定位系统确定最小基线长度，基线长度要满足系统 的站间通信距离以及发射站的信号辐射功率、波束宽度条件，同时满足最小基线长度和站 间的通讯；另外定位站的选择也要满足实际空域试验的飞行航线；
[0014] 步骤二定位误差的归一化⑶OP
[0015] 根据步骤一的定位站部署位置，按照三站时差定位系统的定位方法，计算机载辐 射源飞行高度H或飞行器载辐射源的巡航高度的平面的归一化定位误差GDOP ;
[0016] 设置三个时差定位站和辐射源位于同一平面，基站和辐射源坐标用二维坐标表 示，基站位置分别为Rq (X。，yQ)，R1 (X1,Y1)和R2 (x2,y2)，其中R(i(x。，y。）为主站坐标，福射源位 置为T(x,y);
[0017] 辐射源信号到各基站的时刻分别为和t2，时差测量表达式为：

【权利要求】
1. 一种二站时差定位性能试验评估方法，其特征在于：是建立二站时差定位性能试验 评估模型，并且通过三站时差定位性能试验评估模型，设计时差定位系统的部署和机载辐 射源或机载雷达信号模拟器的飞行航线，然后基于整条航线的定位误差试验结果，解算综 合时间测量误差模型中未知参数，最后利用综合时间测量误差模型和定位误差GDOP模型， 得到任意位置的定位误差或任意平面的定位误差GD0P，其具体步骤如下： 步骤一试验布站设计 按照直线、三角形、T形或任意空间位置部署三站时差定位系统的定位站空间位置，根 据定位主站和副站间通讯能力和定位系统确定最小基线长度，基线长度要满足系统的站间 通信距离以及发射站的信号辐射功率、波束宽度条件，同时满足最小基线长度和站间的通 讯；另外定位站的选择也要满足实际空域试验的飞行航线； 步骤二定位误差的归一化⑶OP 根据步骤一的定位站部署位置，按照三站时差定位系统的定位方法，计算机载辐射源 飞行高度H或飞行器载辐射源的巡航高度平面的归一化定位误差GDOP; 设置三个时差定位站的位置和辐射源位于同一平面，基站和辐射源坐标用二维坐标表 示，基站位置分别为R0 (X。，yQ)，R1 (X1,Y1)和R2 (x2,y2)，其中R(i(x。，y。）为主站坐标，福射源位 置为T(x,y); 辐射源信号到各基站的时间分别为h，h和t2，时差测量表达式为：
式中：C为光速，辐射源信号到达第i副站与到达主站的距离差Cli = C (ti-O，i=1，2 ;通过求解该方程组可得到辐射源位置； (1)式两边求微分，得到
写成矩阵形式 cdT=AdX+dXs(3)其中dT= [dt「dt。dt2_dt〇]T，dX=[dxdy]T，
dXs = [ki+kok2+k〇]T ； 利用（3)式，解得定位误差为： dX=A-1 (cdT-dXs) (4) 进而得到定位误差方差为： Pdx =E[dX(dX)T] =A-1Pe [A-T(5) Pε =E[ (cdT-dXs) (cdT-dXs)τ] (6) =C2E[dTdTT]+E[dXs (dXs)T] 其中Pe为综合时间测量误差矩阵；E□为求均值函数； 设置各测量误差是零均值且不相关的高斯白噪声，基站位置测量和时间测量之间相互 独立，站置误差= = / =()丄2,时间测量误方差为： (7) 其中i= 0, 1，2,由于受基站和辐射源天线动态扫描、两者之间的距离、辐射源发射信 号样式和功率资源调度等因素的影响，侦察信号强度是时变，侦察信号的互相关输出也是 时变的，因此时差测量精度是一个动态过程，因此<4是不同的，而且均随侦察距离变化而变 化；常规定位误差模型将时差测量误差方差'假定为常数[2]，即4(4/1 = 4 =α--称之为 Ti L· 固定时差测量模型； 通常站址测量误差值满足三维正态分布，即g=4=cri=crs2,利用
其中In为η阶单位矩阵，En为η阶方阵，η= 2 ;对于固定时差测量模型， E [iTiTr J = CT^fe+0*? 1 综合时间测量误差矩阵的迹为： trace(〇C2 (2<7;20 + σΧ) + 4〇;2 ( 10) 三站时差定位系统中，多个基站的综合时间测量误差方差表示为综合时间测量误差矩 阵迹的形式为：
其中〇Pt= 〇s/c为基站的站址测量误差，即已经转换为时间； 平面（XY)三站时差定位误差GDOP为： ?
用单个基站综合时间测量误差对⑶OP归一化，得到归一化⑶OP为：
其中归一化⑶OP为C2< =Im时的定位误差； 假设可以得到^叫iT，]+E[概輕,f]=[;;]，从而 ⑶OP为：
证明归一化GDOP与基站、辐射源位置有关，与综合时间测量误差方差矩阵Pe无关； 步骤三机载辐射源的直线航线设计 利用步骤1，2获取巡航高度H平面的归一化定位误差几何稀释设置直线飞行航线，选 取的航线变化趋势平缓，用于避免通过定位误差梯度变换比较快的位置，以便分段统计定 位误差；同时当目标飞机沿设计的航线飞行时，要满足在有效航线上辐射源信号始终能被 定位基站接收到；包括：航路最远点、航线长度、航线高度以及有效飞行航次； 所述航线最远点能够满足飞行空域限制、飞机有效航程、最远侦察距离因素的限制；所 述航线高度按照飞机巡航高度，试验航线最近点位置相对最近基站的俯仰角设置小于三站 时差定位系统俯仰覆盖的范围； 飞行架次的确定：飞行架次根据距离单元的大小进行推算，首先计算所需的飞行航次 数 (15) AR X J 式中：Fn为试验航次，AR为航线距离取样区间大�。╩)，N为航线距离取样区间AR内 需统计的定位数据总量，通常为60,V为目标机飞行速度（m/s)，T为定位系统数据录取周期 (s); 步骤四试验数据的获取与处理 获取试验数据的数据量，根据统计数据量设置目标飞机一架沿航线水平、直线、往返飞 行的航线往返次数Fn; 当机载辐射源开机，被试装备主站、副站天线对准预定航线进行扇扫，分别对机载辐射 源的目标信号进行侦收；副站将数据传送到主站，主站进行数据处理，用相关处理法得到主 站和所有副站的侦察信号时差数据，然后主站按照系统定位算法联合处理时差信息，获取 空间辐射源的位置； 标准位置测量设备为机载GPS系统或精密测量雷达，全航路跟踪目标获取辐射源真实 位置。 当机载辐射源不在定位平面时，三站时差定位存在系统模型误差，由于时间测量误差 和系统模型误差是相互独立的，因此实际三站时差定位系统的理论定位误差模型为： σχ: ^σ~+σ?+σ：=^GDOPtr +σ^'=^a2mGDOPi1 +σ： C16) 其中为辐射源高度引入的定位模型误差方差； 以三个基站为平面建立定位平面（XY)，其中主站坐标为（X(l，y(l，0)，两副站坐标分别为 (Xl，yi，0)和（x2，y2,0)，辐射源坐标为（x，y，z)，解算出实际辐射源到各定位基站的距离或 时延，为：
然后根据三站定位算法解算出目标位置测量值（X'，y'，〇); 由目标的真实位置和测量位置就可以得到辐射源高度引起的定位模型误差方差< 为： σ：=(x-x'Y+(y-y'Y+ζ2 (18) 由（13,16)式，得到综合时间测量误差方差的试验统计值为：
其中c为光速，。x2由三维定位误差试验结果统计得到，不同航线位置。x2不同的，< 为基站和辐射源坐标位置确定的定位模型误差方差，GDOP6为基站和辐射源坐标位置确定 的归一化误差； 用相关处理方法，计算多个基站的综合时间测量误差方差< :
其中〇Pt= 〇s/c为站址测量误差，B为辐射信号带宽，τ=1/B，TcS相参处理时间 长度，fs为采样率，Ri为辐射源距离第i个基站的距离，4 +c%1和Ktl为固定常数，同等信号 参数情况下，Ktl越�。�距离产生的影响越大； 当辐射源系统参数和各基站系统参数确定后，Ktl为常数；另外由于三站时差定位各主 副站间距一般比较小，而侦察天线波束比较宽，在远距离各站的参数Ki基本相同，即：
其中Pt为辐射源峰值功率，Gt((^)为辐射源在第i个侦察接收机方向的增益，Gi (Θ^ 为第i个侦察接收机的接收增益，λ为雷达工作波长，L#为侦察接收机功率接收损耗，Lt 为发射机系统损耗，彳为第i个接收机噪声功率，Np为侦察脉冲数目，?；为辐射信号脉冲宽 度，fs为采样率； 三站时差定位性能的评估，就是通过试验结果?，求取参数of和Ktl的值，通过 (19, 20)式，建立方程，即综合时间测量误差模型为：
其中c为光速，〇x2为试验获取的定位误差方差，GDOP6为由辐射源位置和定位站位置 得到的归一化误差，和Ktl为固定常数，十杧）和>,,2(杧 +杧+#}由辐射 源位置和定位站位置得到，Τ。为相关处理长度，fs为采样率，B为信号带宽，/ = <为< 的 估计数值，通过试验能够获取综合时间测量误差方差σ；)的估计值f; 综合时间测量误差的方差f分布是非平稳的，采用等距离段分段统计，判断距离段内 是平稳随机号； 设置第m个距离段得到L个定位实测结果Xi，对应真实位置为Xtli，以及L个定位点对 应的辐射源和定位站位置； 通过（23)式、辐射源和定位站位置直接计算g"^Pqm参数均值；对分段数据f用3 〇准 则剔除异常误差，统计得到各距离段内fm ;第m个距离段的综合时间测量误差方差fm为：
其中，L为距离段内定位点数，IIII为向量范数或取向量长度，< 为第i个辐射源位置 对应的定位模型误差方差，GDOPei为第i个辐射源位置归一化定位误差； 由（22)式得到第m个距离段的综合时间测量误差方差为：
其中m为1?M;得到M个位置的综合时间测量误差方差fm，及参数gm和qm ; 步骤五参数化求解过程 将方程（25)简化为： fm =a+bxm+b2ym (26) 其中= =士m，Λ = CT01+CJft1, 6 = + ο 按照最小二乘法，定义： 齡⑷=i(? +<+心r/J(27) mI 判断a，b最优估计的问题，就是求解Q(a，b)最小值的问题，Q(a，b)分别对a，b求偏导， 并令它们等于零，解方程组就能够得到a，b的估计数值，即
解（28)式可得到b的方程为： U(b) =Sxf+Syfxxb+Sxyb2+Syyb3 =O(29) __ \1VI mImI mI /
根据三次方程求解方法得到该方程的解析解，或采用MTLAB中roots函数多项式求根 方法；再根据辐射源和时差定位系统参数，估计出Ktl的数量级或近似数值范围； 根据b的取值范围，可得到b的一个有效解，解得b，代入（31)式得到a为：
按照最小二乘法得到待估计参数士和K0; 或通过曲线插值方法获取两位置的综合时间测量误差方差参数fc，fD，由基站和辐射源 位置，按照（23)式得到C和D两个位置参数g。，q。的gD，qD，通过求二元方程组得到估计综 合时间测量误差参数^/^^和Ktl ; 步骤六任意布站模式下定位性能 三站时差定位存在系统模型误差，由于时间测量噪声误差和系统模型误差是相互独立 的，则三站时差定位系统定位精度的任意航线或任意X位置的定位误差，即综合时间测量 误差模型定位误差（或综合时间测量误差模型法定位误差模型）为：
其中（GDOP上由步骤二获�。�,由步骤五获�。�σ丨由（18)式获取。
2. 根据权利要求1所述的一种三站时差定位性能试验评估方法，其特征在于：所述三 站时差定位性能试验评估模型，包括：建立综合时间测量误差模型和定位误差模型，所述综 合时间测量误差模型由信噪比引起的时差测量误差和综合时间测量误差组成，综合时间测 量误差包括基站站址测量误差和系统固有时间测量误差。
3. 根据权利要求1所述的一种三站时差定位性能试验评估方法，其特征在于：所述飞 行辐射源设置为在两固定位置上的固定辐射源；固定辐射源在地面上支撑两个杆的固定位 置TpT1上，通过两个杆的固定位置上辐射源在两固定位置TpT1的多次测试结果，计算辐射 源任意位置的定位精度；通过试验获取两固定位置的综合时间测量误差方差参数为fc，fD， 由基站和辐射源位置，按照（23)式得到C和D两个位置参数gc，qc的gD，qD，通过求二元方 程组得到估计综合时间测量误差参数^^7和Ktl，进而按照步骤六得到任意布站模式 和任意辐射源位置的定位误差。
【文档编号】G01S5/00GK104316903SQ201410380137
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年8月1日 优先权日:2014年8月1日
【发明者】李文臣, 李宏, 陆静, 袁翔宇, 满莹, 张政超, 周磊, 徐少坤, 王凌艳, 陈东东, 马孝尊, 徐忠富 申请人:中国人民解放军63891部队