一種基于導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的目標(biāo)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的目標(biāo)定位方法，它主要是利用發(fā)射機、 接收機和目標(biāo)的幾何位置關(guān)系來求解海面目標(biāo)的三維坐標(biāo)，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。 技術(shù)背景
[0002] 通常情況下提到的雷達(dá)，多是利用有源探測技術(shù)。有源雷達(dá)主要是自身定向輻射 電磁脈沖，照射到目標(biāo)后，通過對反射波信息的接收、分析和計算，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的探測、 定位和跟蹤。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，雷達(dá)技術(shù)已非常成熟。但是，在使用過程中由于發(fā)送探測 信號，容易暴露自己，隱蔽性較差，很容易受到敵方的干擾與攻擊。
[0003] 于是，人們開始研宄自身不輻射電磁波的新體制雷達(dá)，無源探測便應(yīng)運而生。它本 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。因此，即使在目標(biāo)保持"靜默"時，無 源接收站仍能對目標(biāo)進(jìn)行探測和跟蹤。相對常規(guī)雷達(dá)而言，無源雷達(dá)的探測與跟蹤系統(tǒng)具 有獨特的優(yōu)越性。
[0004] GNSS-R(GlobalNavigationSatelliteSystem-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)域研宄熱點之一，它利用導(dǎo) 航衛(wèi)星L波段信號為發(fā)射源，以岸、機、星載或其它接收平臺，通過微波遙感裝置接收處理 海洋、陸地等不同目標(biāo)反射信號，實現(xiàn)要素提取等遙感探測的微波遙感探測技術(shù)。目前，世 界四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是美國的全球定位系統(tǒng)（GPS)、前蘇聯(lián)/俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GLONASS)、歐洲航天局的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)和中國的BD2導(dǎo)航定位系統(tǒng)；日本、印度等 國家的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)也在積極發(fā)展中。隨著各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快和日益完 善，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)的各種應(yīng)用所取得的 成就在現(xiàn)代社會中已達(dá)到了不可替代的層面。因此，基于GNSS-R信號的無源雷達(dá)技術(shù)越來 越多地受到了國內(nèi)外學(xué)者和研宄機構(gòu)的關(guān)注。當(dāng)前，基于GNSS-R的目標(biāo)定位方法大多利用 反射信號和直射信號的時延差列出非線性方程組求解目標(biāo)的三維坐標(biāo)，這類定位方法原理 簡單，但需要多源單宿或者單源多宿的目標(biāo)探測裝置，其設(shè)備復(fù)雜，花銷巨大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 1.為了解決以上不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的目 標(biāo)定位方法，利用發(fā)射機、接收機和目標(biāo)的幾何位置關(guān)系來求解海面目標(biāo)的三維坐標(biāo)，由于 采用單源單宿的目標(biāo)探測裝置，設(shè)備簡單，容易實現(xiàn)，相比于以前多源單宿和單源多宿的裝 置，極大地降低了設(shè)備的復(fù)雜度和花銷，用更少的投入獲得高效的定位。本發(fā)明所提出的幾 何關(guān)系定位只需知道目標(biāo)反射信號和直射信號的時延、發(fā)射機和接收機的位置坐標(biāo)就可以 簡單、便捷地求解海面目標(biāo)的位置坐標(biāo)。
[0006] 2.本發(fā)明在求解目標(biāo)的三維坐標(biāo)過程中，收發(fā)機和目標(biāo)的距離遙遠(yuǎn)，可將目標(biāo)視 為質(zhì)點，GPS信號從發(fā)射到目標(biāo)反射信號被接收機接收時間極短，在此期間將接收機、發(fā)射 機、目標(biāo)視為相對靜止。同時，設(shè)地球半徑為r，且假設(shè)目標(biāo)出現(xiàn)在發(fā)射機、接收機、地心組成 的平面內(nèi)，或者目標(biāo)距離該平面較近。
[0007] 本發(fā)明一種基于導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的目標(biāo)定位方法，該方法具體步驟如下：
[0008] 步驟一：接收機接收到來自GPS衛(wèi)星的直射信號時刻和相關(guān)GPS衛(wèi)星信號對目標(biāo) 的反射信號時刻分別為&和12,GPS信號中的星歷文件中包含發(fā)射信號發(fā)射時刻h。
[0009] 步驟二：根據(jù)信號的到達(dá)時刻，計算信號的直射信號的路徑長度L1和反射信號的 路徑長度l2+l3。
[0010] (1)直射信號路徑長度A= (t「tQ)XC。
[0011] 其中，c為光速，c=SXloV/^tjP為信號的發(fā)射時間和接收機接收直射信號 的時刻。
[0012] (2)反射路徑長度：L2+L3=(t2_tQ)Xc。
[0013] 其中，c為光速，c= 3X108m/s，L2為發(fā)射機到目標(biāo)的距離，L3為目標(biāo)到接收機的 距離，h和12為信號的發(fā)射時間和接收機接收反射信號的時刻。
[0014] 步驟三：從星歷數(shù)據(jù)中，計算發(fā)射機T的位置（XT，YT，Zt)和接收機R的位置(?,YK，Zk)。
[0015] 步驟四：計算發(fā)射機到地心的距離H和接收機到地心的距離h。
[0016]
【主權(quán)項】
1. 一種基于導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的目標(biāo)定位方法，其特征在于：該方法具體步驟如下： 步驟一：接收機接收到來自GPS衛(wèi)星的直射信號時刻和相關(guān)GPS衛(wèi)星信號對目標(biāo)的反 射信號時刻分別為&和1 2, GPS信號中的星歷文件中包含發(fā)射信號發(fā)射時刻 步驟二：根據(jù)信號的到達(dá)時刻，計算信號的直射信號的路徑長度L1和反射信號的路徑 長度l2+l3; (1) 直射信號路徑長度！L1= (t ft。）Xe ; 其中，c為光速，c = 3 X 108m/s，tjP t i為信號的發(fā)射時間和接收機接收直射信號的時 刻； (2) 反射路徑長度：L2+L3= (t2-tQ) Xe ; 其中，c為光速，c = 3 X 108m/s，L2為發(fā)射機到目標(biāo)的距離，L 3為目標(biāo)到接收機的距離， '和12為信號的發(fā)射時間和接收機接收反射信號的時刻； 步驟三：從星歷數(shù)據(jù)中，計算發(fā)射機T的位置（XT，YT，Zt)和接收機R的位置（X K，YK，Zk); 步驟四：計算發(fā)射機到地心的距離H和接收機到地心的距離h ; (1) 發(fā)射機到地心的距離
其中（XT，YT，Z t)為發(fā)射機的位置坐 標(biāo)； (2) 接收機到地心的距離
.其中（XK，YK，Z k)為接收機的位置坐 標(biāo)； 步驟五：計算發(fā)射機、地心、接收機組成的Z TOR，即α， 在發(fā)射機、地心、接收機組成的ATOR中，利用余弦定理
，即 可求出α ; 其中，H為發(fā)射機到地心的距離，h為地心到接收機的距離，L1S直射信號路徑長度； 步驟六：計算發(fā)射機到目標(biāo)的距離LdP目標(biāo)到接收機的距離L 3;
(1)在發(fā)射機、地心、目標(biāo)組成的ΔΤ0Ρ中，利用余弦定理， ①； 其中，a 發(fā)射機、地心、目標(biāo)組成的Z Τ0Ρ，Η為發(fā)射機到地心的距離，r為地球半徑， L2為發(fā)射機到目標(biāo)的距離；
⑵在接收機、地心、目標(biāo)組成的AROP中，利用余弦定理， ②； 其中，α 2為接收機、地心、目標(biāo)組成的Z R0P，h為接收機到地心的距離，r為地球半徑， L3為目標(biāo)到發(fā)射機的距離； (3) L2+L3= (t2_t0)Xc ③ (4) a 2= α ④ 其中，a 發(fā)射機、地心、目標(biāo)組成的Z TOP，a 2為接收機、地心、目標(biāo)組成的Z ROP， α為發(fā)射機、地心、接收機組成的Z TOR ; 聯(lián)立①②③④方程，進(jìn)而求解出發(fā)射機到目標(biāo)的距離LdP目標(biāo)到接收機的距離L 3; 步驟七：聯(lián)立方程組，求解目標(biāo)位置（XP，Yp，ZP); 發(fā)射機到目標(biāo)距離的方程為（Xt-Xp)2+(Yt-Y p)2+(Zt-Zp)2=L 22⑤ 目標(biāo)到接收機距離的方程為（Xp-Xk)2+(Yp-Y k)2+(Zp-Zk)2=L 32⑥ 目標(biāo)在地球表面的方程為XP2+YP2+Z P2=r2⑦ 聯(lián)立⑤⑥⑦方程，進(jìn)而求解出目標(biāo)坐標(biāo)（XP，YP，Zp)。
【專利摘要】一種基于導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的目標(biāo)定位方法，它有七大步驟：一、接收機接收到來自GPS衛(wèi)星的直射信號時刻和相關(guān)GPS衛(wèi)星信號對目標(biāo)的反射信號時刻分別為t1和t2，GPS信號中的星歷文件中包含發(fā)射信號發(fā)射時刻t0；二、根據(jù)信號的到達(dá)時刻，計算信號的直射信號的路徑長度L1和反射信號的路徑長度L2+L3；三、從星歷數(shù)據(jù)中，計算發(fā)射機T的位置(XT,YT,ZT)和接收機R的位置(XR,YR,ZR)；四、計算發(fā)射機到地心的距離H和接收機到地心的距離h；五、計算發(fā)射機、地心、接收機組成的∠TOR，即α；六、計算發(fā)射機到目標(biāo)的距離L2和目標(biāo)到接收機的距離L3；七、聯(lián)立方程組，求解目標(biāo)位置(XP,YP,ZP)。
【IPC分類】G01S19-42
【公開號】CN104678417
【申請?zhí)枴緾N201510072195
【發(fā)明人】沈海鴻, 趙勇達(dá), 高超群, 楊東凱
【申請人】中國地質(zhì)大學(xué)（北京）
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年2月11日