專利名稱：基于蜂窩移動(dòng)基站的無源定位系統(tǒng)中非合作目標(biāo)的定位方法
專利說明本發(fā)明涉及空間目標(biāo)定位技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于蜂窩移動(dòng)基站的無源定位 系統(tǒng)中非合作目標(biāo)的定位方法。
背景技術(shù)：
無源定位系統(tǒng)采用基于無線電通信和傳播的雙(多)基地雷達(dá)技術(shù)，發(fā)射機(jī)和信 號偵收設(shè)備分別設(shè)置在不同地方，具有抗干擾、抗反輻射導(dǎo)彈、抗低空突防和反隱身的綜合 “四抗”潛力。采用蜂窩移動(dòng)基站作為外輻射源，不僅節(jié)約了能源，減少了電磁污染，也解決 了雙(多)基地雷達(dá)系統(tǒng)的隱蔽性。無源定位方法按實(shí)現(xiàn)定位的方法原理，可分為方位定位法、時(shí)差定位法、多普勒頻 差定位法和參考相位變化量定位法等。時(shí)差定位法根據(jù)目標(biāo)對蜂窩移動(dòng)基站的反射信號到達(dá)不同偵收設(shè)備的相對時(shí)間 差以及偵收設(shè)備布置的空間位置，通過目標(biāo)和偵收設(shè)備間的幾何關(guān)系列出方程并進(jìn)行求 解，可得到目標(biāo)的位置。時(shí)差定位定位法要求各信號偵收設(shè)備間時(shí)間精確同步，具有較強(qiáng)的 工程可實(shí)現(xiàn)性和較高的定位精度，因此被廣泛運(yùn)用于雷達(dá)、聲納及輻射源定位系統(tǒng)中。實(shí)際 應(yīng)用中，時(shí)差定位法所得到的觀測方程通常為非線性方程，要對其求解計(jì)算，首先要進(jìn)行線 性化處理。常規(guī)的求解方法有兩種方法一是用基于兩步加權(quán)最小二乘法(WLS)的Chan算 法估計(jì)未知向量，但該方法需要提供TDOA測量值誤差的先驗(yàn)信息(Q矩陣)，這在實(shí)際應(yīng)用 中往往具有一定困難，而且該方法得到的目標(biāo)位置解不只一個(gè)，存在定位模糊的問題。方法 二是用泰勒展式(Taylor-series)將非線性觀測方程轉(zhuǎn)化為線性方程，再通過迭代的方法 估計(jì)未知向量。這種方法的主要缺點(diǎn)是需要設(shè)定一個(gè)與實(shí)際位置偏差不大的初始值以保證 迭代運(yùn)算收斂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種不同于傳統(tǒng)無源定位系統(tǒng)中目標(biāo)的時(shí)差定位方法，該 方法確定目標(biāo)位置的計(jì)算公式簡潔，定位精度高，實(shí)時(shí)性好。本發(fā)明的方法不僅適用于無源 定位系統(tǒng)中，還可以方便地應(yīng)用到其他類似的定位技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為—種基于蜂窩移動(dòng)基站的無源定位系統(tǒng)中非合作目標(biāo)的時(shí)差定位方法，該方法適 用于相關(guān)的目標(biāo)定位，它包括以下步驟(一 )擁有一套至少四個(gè)可同時(shí)接收由目標(biāo)在同一時(shí)刻對蜂窩移動(dòng)基站的反射信 號以及蜂窩移動(dòng)基站直達(dá)信號的信號偵收設(shè)備系統(tǒng)；( 二)將上述系統(tǒng)的至少四個(gè)信號偵收設(shè)備布置在蜂窩移動(dòng)基站信號覆蓋區(qū)域 內(nèi)，并且各偵收設(shè)備的位置和蜂窩移動(dòng)基站的位置為已知；
(三)接收目標(biāo)的反射信號和直達(dá)信號，確定到達(dá)各偵收設(shè)備反射信號與直達(dá)信號的時(shí)差；
(四)根據(jù)各偵收設(shè)備和蜂窩移動(dòng)基站的位置，確定目標(biāo)到達(dá)各偵收設(shè)備之間的
距離差；(五)建立坐標(biāo)系，推導(dǎo)出確定目標(biāo)位置的計(jì)算公式；(六)將各已知參數(shù)代入確定目標(biāo)位置的計(jì)算公式，用最小二乘法得到目標(biāo)位置 的初始位置，用泰勒展開最終確定目標(biāo)的三維位置。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為確定目標(biāo)位置的計(jì)算公式輸入值簡單，定位精度高、實(shí)時(shí)性好。本發(fā)明的方法還可 以方便地應(yīng)用到其他類似的定位問題中。


圖1為發(fā)明的定位原理示意圖；圖2為本發(fā)明的定位方法流程圖。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方法作進(jìn)一步的說明。實(shí)施例參見圖1所示，將至少四個(gè)信號偵收設(shè)備按照一定的幾何分布布置在蜂 窩移動(dòng)基站信號可覆蓋的區(qū)域，并測量出各偵收設(shè)備的位置(Xi, Yi, Zi)和蜂窩移動(dòng)基站的 位置(Χο，\，Ztl)。當(dāng)有目標(biāo)進(jìn)入到探測區(qū)域時(shí)，目標(biāo)對蜂窩移動(dòng)基站的反射信號和該基站 的直達(dá)信號同時(shí)被各偵收設(shè)備接收，偵收設(shè)備測量得到這兩路信號的到達(dá)時(shí)差TDOAi,設(shè)電 磁波的傳播速度為c，目標(biāo)的待確定位置為(x，y，z)。令Riil表示目標(biāo)與偵收站i和偵收站 1的距離差，則
Rll = c■ (TDOAi -TDOA1 ) + = Rl-Ri< = yl(Xt -χ)2 +(Yi -y)2 +(Zi-Z)2 h -χ)2 +(Y1 -yf +(Z1 -zf (1)
r, = ^,-^ο Hr-KfHzi-zO)2(2).i = 1,2,3,4, c表示電磁波傳播速度。上式化簡整理得(XfXi) χ+ (YfYi) y+ (ZfZi) ζ = !^+R1 · Ria(3)式中弋=|[虼+(<+}；2+硿)-(足2+!；2+Ζ,2)]。由式⑶表示的方程構(gòu)成了一
個(gè)非線性方程組，為了求解這個(gè)方程組，先將R1看成是一個(gè)已知量，由此可以得到一個(gè)矩陣 表達(dá)式如下AX = F(4)式中
'χ,-X2 Yi-Y2 ^i--Z2I Γχ 「、+ν _A= Xi-X3 Y1-Y3 Z1-Z3 ,X= y ,F= Zc3+R1. R31
X1-X4 Yi-Y4 Z1-Z4J LzJ只要四個(gè)偵收設(shè)備不在同一平面上，就有rank (A) = M_l，求解式(4)中X的最小
二乘解，得
權(quán)利要求
一種基于蜂窩移動(dòng)基站的無源定位系統(tǒng)中非合作目標(biāo)的時(shí)差定位方法，該方法適用于相關(guān)的目標(biāo)定位，它包括以下步驟(一)擁有一套至少四個(gè)可同時(shí)接收由目標(biāo)在同一時(shí)刻對蜂窩移動(dòng)基站的反射信號以及蜂窩移動(dòng)基站直達(dá)信號的信號偵收設(shè)備系統(tǒng)；(二)將上述系統(tǒng)的至少四個(gè)信號偵收設(shè)備布置在蜂窩移動(dòng)基站信號覆蓋區(qū)域內(nèi)，并且各偵收設(shè)備的位置和蜂窩移動(dòng)基站的位置為已知；(三)接收目標(biāo)的反射信號和直達(dá)信號，確定到達(dá)各偵收設(shè)備反射信號與直達(dá)信號的時(shí)差；(四)根據(jù)各偵收設(shè)備和蜂窩移動(dòng)基站的位置，確定目標(biāo)到達(dá)各偵收設(shè)備之間的距離差；(五)建立坐標(biāo)系，推導(dǎo)出確定目標(biāo)位置的計(jì)算公式；(六)將各已知參數(shù)代入確定目標(biāo)位置的計(jì)算公式，用最小二乘法得到目標(biāo)位置的初始位置，用泰勒展開最終確定目標(biāo)的三維位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于蜂窩移動(dòng)基站的無源定位系統(tǒng)中非合作目標(biāo)的定位方法。主要包括將至少四個(gè)信號偵收設(shè)備布置在蜂窩移動(dòng)基站信號覆蓋區(qū)域內(nèi)，接收基站的直達(dá)信號以及目標(biāo)對基站的反射信號，確定到達(dá)各偵收設(shè)備的反射信號與直達(dá)信號的時(shí)差，由各偵收設(shè)備的位置、蜂窩基站的位置和信號傳播速度最終確定目標(biāo)的位置。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算目標(biāo)位置的公式輸入值簡單，定位精度高、實(shí)時(shí)性好。本發(fā)明的方法還可以方便地應(yīng)用到其他類似的定位問題中。
文檔編號H04W4/02GK101986724SQ20101024943
公開日2011年3月16日 申請日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者張繼宏 申請人:重慶星熠導(dǎo)航設(shè)備有限公司