一種星載測(cè)頻定位方法、裝置和系統(tǒng)與流程
本發(fā)明涉及天基無(wú)線電定位技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種星載測(cè)頻定位方法、裝置和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，掌握戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)的關(guān)鍵在于是否能優(yōu)先感知戰(zhàn)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。其中，無(wú)線電偵察技術(shù)作為戰(zhàn)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)感知的手段之一，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中起著重要的作用，特別是天基無(wú)線電偵察技術(shù)具有覆蓋范圍廣、截獲概率高、布置靈活、情報(bào)反應(yīng)速度快、費(fèi)效比高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為各軍事強(qiáng)國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。
利用天基無(wú)線電偵察技術(shù)，不僅可以獲得偵查目標(biāo)的無(wú)線電特征信息及情報(bào)信息，而且可以對(duì)偵查目標(biāo)進(jìn)行定位、探知其活動(dòng)規(guī)律。通過(guò)融合目標(biāo)的無(wú)線電信息與位置信息，能夠提供更加有價(jià)值的軍事情報(bào)，以感知戰(zhàn)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。天基無(wú)線電定位技術(shù)是重要的技術(shù)要求之一。
對(duì)于天基無(wú)線電定位技術(shù)，按照定位手段，可以分為時(shí)差定位、頻差定位、測(cè)頻定位、測(cè)相位差定位、測(cè)向定位及相互結(jié)合的復(fù)合定位手段。其中，測(cè)頻定位，即依靠偵查目標(biāo)的無(wú)線電輻射特征，對(duì)偵查目標(biāo)進(jìn)行精確定位是最常用的手段。特別是單星測(cè)頻定位，因其具有偵察載荷簡(jiǎn)單、對(duì)平臺(tái)姿態(tài)要求低等特點(diǎn)，可降低定位系統(tǒng)難度與發(fā)射成本，適合于小衛(wèi)星(如，皮納衛(wèi)星)的定位需求。
但是，采用單星測(cè)頻定位進(jìn)行定位時(shí)，最終會(huì)確定出兩個(gè)定位點(diǎn)，一個(gè)是偵查目標(biāo)的真實(shí)位置，另一個(gè)是虛假點(diǎn)，即存在模糊，定位不精確。因?yàn)閱涡菧y(cè)頻定位的模糊是其固有缺陷，僅僅依靠單星定位系統(tǒng)本身是無(wú)法進(jìn)行解模糊的，需要依靠其他信息協(xié)作解模糊，也就是說(shuō)如果沒(méi)有其他信息的輔助，單星測(cè)頻定位無(wú)法實(shí)現(xiàn)偵察目標(biāo)的準(zhǔn)確定位。同時(shí)，單星測(cè)頻定位需要較長(zhǎng)的測(cè)頻弧長(zhǎng)，才能獲得滿意的定位精度，所以定位時(shí)間比較長(zhǎng)，定位效率低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
鑒于現(xiàn)有技術(shù)單星測(cè)頻定位無(wú)法實(shí)現(xiàn)偵察目標(biāo)的準(zhǔn)確定位，定位時(shí)間比較長(zhǎng)，定位效率低的問(wèn)題，提出了本發(fā)明的一種星載測(cè)頻定位方法、裝置和系統(tǒng)，以便解決或至少部分地解決上述問(wèn)題。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種星載測(cè)頻定位方法，所述方法包括：
步驟一，將至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的波束的共同覆蓋區(qū)域確定為地面輻射源的搜索區(qū)域，并按照經(jīng)緯度將所述搜索區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置；
步驟二，根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)在地心固連坐標(biāo)系中的位置矢量；
步驟三，根據(jù)所述至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的在地心固連坐標(biāo)系中的位置矢量、相對(duì)速度矢量以及每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置矢量，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣；
步驟四，根據(jù)所述至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的對(duì)所述地面輻射源的頻率測(cè)量信息以及每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣，計(jì)算所述地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值；
步驟五，根據(jù)所述地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值計(jì)算所述地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的歸一化目標(biāo)函數(shù)，將與所述歸一化目標(biāo)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)的位置確定為所述地面輻射源的位置估計(jì)值，將與所述歸一化目標(biāo)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值確定為所述地面輻射源的頻率估計(jì)值。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種星載測(cè)頻定位裝置，所述裝置包括：
網(wǎng)格劃分單元，用于將至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的波束的共同覆蓋區(qū)域確定為地面輻射源的搜索區(qū)域，并按照經(jīng)緯度將所述搜索區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置；
位置矢量計(jì)算單元，用于根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)在地心固連坐標(biāo)系中的位置矢量；
狀態(tài)矩陣計(jì)算單元，用于根據(jù)所述至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的在地心固連坐標(biāo)系中的位置矢量、相對(duì)速度矢量以及每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置矢量，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣；
頻率估計(jì)值計(jì)算單元，用于根據(jù)所述至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的對(duì)所述地面輻射源的頻率測(cè)量信息以及每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣，計(jì)算所述地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值；
位置估計(jì)單元，用于根據(jù)所述地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值計(jì)算所述地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的歸一化目標(biāo)函數(shù)，將與所述歸一化目標(biāo)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)的位置確定為所述地面輻射源的位置估計(jì)值，將與所述歸一化目標(biāo)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)的所述頻率估計(jì)值確定為所述地面輻射源的頻率估計(jì)值。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了一種星載測(cè)頻定位系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星和如前所述的星載測(cè)頻定位裝置；
所述至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星，向所述星載測(cè)頻定位裝置分別發(fā)送各自在地心固連坐標(biāo)系中的位置矢量、相對(duì)速度矢量以及對(duì)地面輻射源的頻率測(cè)量信息；
所述星載測(cè)頻定位裝置，將所述至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的波束的共同覆蓋區(qū)域確定為所述地面輻射源的搜索區(qū)域，并按照經(jīng)緯度將所述搜索區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置；根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)在地心固連坐標(biāo)系中的位置矢量；根據(jù)所述至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的在地心固連坐標(biāo)系中的位置矢量、相對(duì)速度矢量以及每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置矢量，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣；根據(jù)所述至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的對(duì)所述地面輻射源的頻率測(cè)量信息以及每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣，計(jì)算所述地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值；根據(jù)所述地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值計(jì)算所述地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的歸一化目標(biāo)函數(shù)，將與所述歸一化目標(biāo)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)的位置確定為所述地面輻射源的位置估計(jì)值，將與所述歸一化目標(biāo)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值確定為所述地面輻射源的頻率估計(jì)值。
綜上所述，本發(fā)明的技術(shù)方案利用至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星，首先將它們波束的共同覆蓋區(qū)域確定為地面輻射源的搜索區(qū)域，減少搜索區(qū)域的盲目性；接著按照經(jīng)緯度將搜索區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置，將搜索區(qū)域使用網(wǎng)格點(diǎn)的位置進(jìn)行標(biāo)定；之后通過(guò)根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)在地心固連坐標(biāo)系中的位置矢量；根據(jù)至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的在地心固連坐標(biāo)系中的位置矢量、相對(duì)速度矢量以及每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置矢量，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣；根據(jù)至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的對(duì)地面輻射源的頻率測(cè)量信息以及每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣，計(jì)算地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值；根據(jù)地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值計(jì)算地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的歸一化目標(biāo)函數(shù)，將與歸一化目標(biāo)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)的位置確定為地面輻射源的位置估計(jì)值。本發(fā)明由于利用了至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的位置矢量、相對(duì)速度矢量以及對(duì)地面輻射源的頻率測(cè)量信息，不需要較長(zhǎng)的測(cè)頻弧長(zhǎng)，就可獲得足夠的測(cè)頻數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地面輻射源的定位，相比于單星測(cè)頻定位不能解模糊的缺點(diǎn)，本發(fā)明的方案不僅可以解模糊，同時(shí)可以提高定位精度及減少定位時(shí)間，非常適用于功能簡(jiǎn)單、成本低的皮納衛(wèi)星作戰(zhàn)群的地面低速或靜止輻射源目標(biāo)定位需求。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的一種星載測(cè)頻定位方法的流程示意圖；
圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的地心固連坐標(biāo)系下的測(cè)頻衛(wèi)星與地面輻射源的位置關(guān)系示意圖；
圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的一種星載測(cè)頻定位裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的一種星載測(cè)頻定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例提供的一種星載測(cè)頻定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的一種單星測(cè)頻定位中的衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡與地面輻射源的位置關(guān)系；
圖7為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的一種單星測(cè)頻定位中歸一化目標(biāo)函數(shù)分布示意圖；
圖8為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的一種單星測(cè)頻定位的定位點(diǎn)的示意圖；
圖9為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的一種雙星測(cè)頻定位中的衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡與地面輻射源的位置關(guān)系；
圖10為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的一種雙星測(cè)頻定位中歸一化目標(biāo)函數(shù)分布示意圖；
圖11為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的一種雙星測(cè)頻定位的定位點(diǎn)的示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路是：為充分發(fā)揮單星測(cè)頻定位的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)其缺陷，本發(fā)明提出采用至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星進(jìn)行地面輻射源的定位的技術(shù)方案，求解的定位結(jié)果不存在模糊問(wèn)題，定位準(zhǔn)確；且能夠在不需要較長(zhǎng)的測(cè)頻弧長(zhǎng)的情況下，獲得足夠多的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，定位時(shí)間短，定位效率高。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的一種星載測(cè)頻定位方法的流程示意圖。如圖1所示，該方法包括：
步驟110，將至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的波束的共同覆蓋區(qū)域確定為地面輻射源的搜索區(qū)域，并按照經(jīng)緯度將搜索區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置。
本實(shí)施例中需要采用至少2個(gè)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進(jìn)行地面輻射源的定位，所以在確定搜索區(qū)域是，需要將在至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的波束的共同覆蓋區(qū)域確定為地面輻射源的搜索區(qū)域。且在本實(shí)施例中，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置都是以經(jīng)度和緯度進(jìn)行表示的，例如，網(wǎng)格點(diǎn)
步驟120，根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)在地心固連坐標(biāo)系中的位置矢量。
步驟130，根據(jù)至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的在地心固連坐標(biāo)系中的位置矢量、相對(duì)速度矢量以及每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置矢量，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣。
步驟140，根據(jù)至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的對(duì)地面輻射源的頻率測(cè)量信息以及每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣，計(jì)算地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值。
步驟150，根據(jù)地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值計(jì)算地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的歸一化目標(biāo)函數(shù)，將與歸一化目標(biāo)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)的位置確定為地面輻射源的位置估計(jì)值，將與歸一化目標(biāo)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值確定為地面輻射源的頻率估計(jì)值。
在單星測(cè)頻定位時(shí)，計(jì)算歸一化目標(biāo)函數(shù)值后，會(huì)得到兩個(gè)歸一化目標(biāo)函數(shù)峰值，一個(gè)是地面輻射源的位置的歸一化目標(biāo)函數(shù)值，另一個(gè)是虛假點(diǎn)的歸一化目標(biāo)函數(shù)值，兩者大小相當(dāng)，無(wú)法依靠目標(biāo)函數(shù)值大小進(jìn)行虛假點(diǎn)與輻射源真實(shí)位置的區(qū)分。而本發(fā)明采用的是至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，該至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星得到的地面輻射源的位置與地面輻射源的實(shí)際位置相同或相近，即會(huì)得到同一個(gè)地面輻射源位置，而虛假點(diǎn)位置則不同，所以在利用至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的歸一化目標(biāo)函數(shù)值后，雖然同樣會(huì)得到兩個(gè)歸一化目標(biāo)函數(shù)峰值，但其大小具有明顯區(qū)別，與虛假點(diǎn)對(duì)應(yīng)的歸一化目標(biāo)函數(shù)值明顯小于與地面輻射源位置對(duì)應(yīng)的歸一化目標(biāo)函數(shù)值，所以最終得到的歸一化目標(biāo)函數(shù)最大值是唯一的，即地面輻射源的位置是唯一的。本發(fā)明由于利用了至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的位置矢量、相對(duì)速度矢量以及對(duì)地面輻射源的頻率測(cè)量信息，不需要較長(zhǎng)的測(cè)頻弧長(zhǎng)，就可獲得足夠的測(cè)頻數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地面輻射源的定位，相比于單星測(cè)頻定位不能解模糊的缺點(diǎn)，本發(fā)明的方案不僅可以解模糊，同時(shí)可以提高定位精度及減少定位時(shí)間，非常適用于功能簡(jiǎn)單、成本低的皮納衛(wèi)星作戰(zhàn)群的地面低速或靜止輻射源目標(biāo)定位需求。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，步驟110中，具體是將至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的波束的共同覆蓋區(qū)域確定為地面輻射源的第一搜索區(qū)域，將第一搜索區(qū)域進(jìn)行第一預(yù)設(shè)步長(zhǎng)的粗網(wǎng)格劃分，并通過(guò)步驟120至步驟150得到地面輻射源的初步位置估計(jì)值。
得到初步位置估計(jì)值后，圖1所示的方法還包括：以初步位置估計(jì)值為中心確定出地面輻射源的第二搜索區(qū)域，將第二搜索區(qū)域進(jìn)行小于所述第一預(yù)設(shè)步長(zhǎng)的第二預(yù)設(shè)步長(zhǎng)的細(xì)網(wǎng)格劃分，并重復(fù)步驟二至步驟五得到地面輻射源的精確位置估計(jì)值。
本實(shí)施例中，第二預(yù)設(shè)步長(zhǎng)小于第一預(yù)設(shè)步長(zhǎng)，是為了對(duì)第二搜索區(qū)域進(jìn)行更細(xì)的網(wǎng)格劃分。本實(shí)施例首先將第一搜索區(qū)域粗網(wǎng)格劃分后，進(jìn)行地面輻射源位置的初步估計(jì)，然后以初步位置估計(jì)值為中心確定出地面輻射源的第二搜索區(qū)域，將第二搜索區(qū)域進(jìn)行第二預(yù)設(shè)步長(zhǎng)的細(xì)網(wǎng)格劃分，進(jìn)行地面輻射源位置的精確估計(jì)。一方面，可以減少系統(tǒng)的運(yùn)算量，節(jié)省系統(tǒng)資源，提高運(yùn)算速度，進(jìn)一步提高定位效率，另一方面，在粗網(wǎng)格的情況下進(jìn)行地面輻射源位置的初步估計(jì)后，再在細(xì)網(wǎng)格的情況下進(jìn)行精確估計(jì)，可以提高定位的精確度。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，圖1所示的步驟120包括：
簡(jiǎn)化地球模型為正球體，根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置
其中，λk、
圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的地心固連坐標(biāo)系下的測(cè)頻衛(wèi)星與地面輻射源的位置關(guān)系示意圖。如圖2所示，簡(jiǎn)化地球模型為正球體，正球體的圓心為地心固連坐標(biāo)系se的中心o，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，測(cè)頻衛(wèi)星的數(shù)量為2，分別為衛(wèi)星s1和衛(wèi)星s2，在該地心固連坐標(biāo)系中，地面輻射源p的位置矢量是
因?yàn)椋芍诘孛孑椛湓吹妮椛漕l率達(dá)到衛(wèi)星s1和衛(wèi)星s2的多普勒頻率f1和f2分別為：
其中，
同時(shí)，由于地面輻射源是靜止或慢速運(yùn)動(dòng)的，在短時(shí)間內(nèi)
其中，
如果測(cè)頻衛(wèi)星進(jìn)行不同時(shí)刻的采集，則有
其中，ε1i、ε2j分別為衛(wèi)星s1、衛(wèi)星s2的測(cè)頻隨機(jī)誤差(即高斯白噪聲)。
將上述公式寫(xiě)成矩陣形式為：
其中，
從上述推倒中可知，測(cè)頻衛(wèi)星測(cè)得的頻率測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)頻衛(wèi)星的位置矢量、相對(duì)速度矢量、地面輻射源的位置矢量有方程關(guān)系。
如果獲得衛(wèi)星s1與衛(wèi)星s2在不同時(shí)刻的位置矢量、相對(duì)速度矢量以及地面輻射源的位置矢量得到狀態(tài)矩陣，然后通過(guò)上述公式建立狀態(tài)矩陣和測(cè)頻衛(wèi)星測(cè)得的頻率測(cè)量信息的關(guān)系。
那么，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，圖1所示的步驟130包括：
接收衛(wèi)星s1和衛(wèi)星s2的gps數(shù)據(jù)，根據(jù)gps數(shù)據(jù)分別獲得衛(wèi)星s1與衛(wèi)星s2在不同時(shí)刻的位置矢量
其中，
則每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣
其中，c為光速。
圖1所示的方法步驟140包括：
根據(jù)衛(wèi)星s1和衛(wèi)星s2的對(duì)地面輻射源的頻率測(cè)量信息，獲得頻率測(cè)量矩陣
其中，f1i(i＝1，2，…，n)、f2j(j＝1，2，…，m)分別為衛(wèi)星s1和衛(wèi)星s2對(duì)地面輻射源的頻率測(cè)量信息。
根據(jù)頻率測(cè)量矩陣和每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣計(jì)算地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值
步驟150中，根據(jù)地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值計(jì)算地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的歸一化目標(biāo)函數(shù)
然后將與歸一化目標(biāo)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)的位置確定為地面輻射源的位置估計(jì)值，將與歸一化目標(biāo)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值確定為地面輻射源的頻率估計(jì)值。
這里所依據(jù)的公式為：
其中，∑為將搜索區(qū)域網(wǎng)格劃分后獲得的網(wǎng)格點(diǎn)集。
這個(gè)公式所表示的為，將歸一化目標(biāo)函數(shù)
這樣，地面輻射源的位置即可確定，同時(shí)也可獲得地面輻射源的輻射特征頻率。
圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的一種星載測(cè)頻定位裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，該星載測(cè)頻定位裝置300包括：
網(wǎng)格劃分單元310，用于將至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的波束的共同覆蓋區(qū)域確定為地面輻射源的搜索區(qū)域，并按照經(jīng)緯度將搜索區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置；
位置矢量計(jì)算單元320，用于根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)在地心固連坐標(biāo)系中的位置矢量。
狀態(tài)矩陣計(jì)算單元330，用于根據(jù)至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的在地心固連坐標(biāo)系中的位置矢量、相對(duì)速度矢量以及每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置矢量，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣。
頻率估計(jì)值計(jì)算單元340，用于根據(jù)至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的對(duì)地面輻射源的頻率測(cè)量信息以及每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣，計(jì)算地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值。
位置估計(jì)單元350，用于根據(jù)地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值計(jì)算地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的歸一化目標(biāo)函數(shù)，將與歸一化目標(biāo)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)的位置確定為地面輻射源的位置估計(jì)值，將與歸一化目標(biāo)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值確定為地面輻射源的頻率估計(jì)值。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，網(wǎng)格劃分單元310，具體用于將至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的波束的共同覆蓋區(qū)域確定為地面輻射源的第一搜索區(qū)域，將第一搜索區(qū)域進(jìn)行第一預(yù)設(shè)步長(zhǎng)的粗網(wǎng)格劃分，并通過(guò)位置矢量計(jì)算單元、狀態(tài)矩陣計(jì)算單元、頻率估計(jì)值計(jì)算單元、位置估計(jì)單元得到地面輻射源的初步位置估計(jì)值；以初步位置估計(jì)值為中心確定出地面輻射源的第二搜索區(qū)域，將第二搜索區(qū)域進(jìn)行小于所述第一預(yù)設(shè)步長(zhǎng)的第二預(yù)設(shè)步長(zhǎng)的細(xì)網(wǎng)格劃分，并重復(fù)步驟二至步驟五得到地面輻射源的精確位置估計(jì)值，同時(shí)獲得與精確位置估計(jì)值對(duì)應(yīng)的地面輻射源的頻率估計(jì)值。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，位置矢量計(jì)算單元320，用于簡(jiǎn)化地球模型為正球體，根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置
其中，λk、
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，測(cè)頻衛(wèi)星的數(shù)量為2，分別為衛(wèi)星s1和衛(wèi)星s2，
狀態(tài)矩陣計(jì)算單元330，用于接收衛(wèi)星s1和衛(wèi)星s2的gps數(shù)據(jù)，根據(jù)gps數(shù)據(jù)分別獲得衛(wèi)星s1與衛(wèi)星s2在不同時(shí)刻的位置矢量
每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣
其中，c為光速；
頻率估計(jì)值計(jì)算單元340，用于
根據(jù)衛(wèi)星s1和衛(wèi)星s2的對(duì)地面輻射源的頻率測(cè)量信息，獲得頻率測(cè)量矩陣
其中，f1i(i＝1，2，…，n)、f2j(j＝1，2，…，m)分別為衛(wèi)星s1和衛(wèi)星s2對(duì)地面輻射源的頻率測(cè)量信息；
根據(jù)地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的頻率測(cè)量矩陣和每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣計(jì)算地面輻射源的頻率估計(jì)值
位置估計(jì)單元350，用于根據(jù)頻率估計(jì)值計(jì)算地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的歸一化目標(biāo)函數(shù)
圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的一種星載測(cè)頻定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，該星載測(cè)頻定位系統(tǒng)，包括至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星和如圖3所示的星載測(cè)頻定位裝置300。
至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星，向星載測(cè)頻定位裝置分別發(fā)送各自在地心固連坐標(biāo)系中的位置矢量、相對(duì)速度矢量以及對(duì)地面輻射源的頻率測(cè)量信息。
星載測(cè)頻定位裝置300，將至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的波束的共同覆蓋區(qū)域確定為地面輻射源的搜索區(qū)域，并按照經(jīng)緯度將搜索區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置；根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)在地心固連坐標(biāo)系中的位置矢量；根據(jù)至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的在地心固連坐標(biāo)系中的位置矢量、相對(duì)速度矢量以及每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置矢量，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣；根據(jù)至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的對(duì)地面輻射源的頻率測(cè)量信息以及每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣，計(jì)算地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值；根據(jù)地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值計(jì)算地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的歸一化目標(biāo)函數(shù)，將與歸一化目標(biāo)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)的位置確定為地面輻射源的位置估計(jì)值，將與歸一化目標(biāo)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值確定為地面輻射源的頻率估計(jì)值。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，上述的星載測(cè)頻定位裝置300可應(yīng)用于地面運(yùn)控及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，并且適用于小衛(wèi)星(例如，皮納衛(wèi)星)作戰(zhàn)群的地面輻射源定位需求。
圖5為本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例提供的一種星載測(cè)頻定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，該星載測(cè)頻定位系統(tǒng)包括衛(wèi)星1、衛(wèi)星2和地面運(yùn)控及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。地面運(yùn)控及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中包括有星載測(cè)頻定位裝置。
需要說(shuō)明的是，圖3所示的裝置和圖4、圖5所示的系統(tǒng)的各實(shí)施例與圖1所示方法的各實(shí)施例對(duì)應(yīng)相同，上文已有詳細(xì)說(shuō)明，在此不再贅述。
為使本發(fā)明的技術(shù)效果更加明顯，下面將通過(guò)單星測(cè)頻定位和本發(fā)明技術(shù)方案的仿真結(jié)果的對(duì)比進(jìn)行說(shuō)明。在仿真實(shí)驗(yàn)中，本發(fā)明技術(shù)方案中采用雙星測(cè)頻定位。
令單星測(cè)頻定位系統(tǒng)的衛(wèi)星軌道為500km高的太陽(yáng)同步軌道，偵收天線覆蓋地面波束寬度為120度，地面存在一靜止輻射源，衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡與輻射源的位置關(guān)系如圖6所示。
令衛(wèi)星位置自定位誤差5m(1σ)、速度自定位誤差0.1m/s(1σ)，測(cè)頻隨機(jī)誤差為1khz(1σ)，衛(wèi)星偵收無(wú)線電信號(hào)的觀測(cè)時(shí)間為200s，1s給出一次測(cè)頻結(jié)果，地面輻射源的輻射頻率為2.7ghz。通過(guò)仿真計(jì)算，可獲得圖7的本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的一種單星測(cè)頻定位中歸一化目標(biāo)函數(shù)分布示意圖。如圖7所示，歸一化目標(biāo)函數(shù)存在兩個(gè)峰值且比較接近，其中一個(gè)為輻射源位置的估計(jì)值，另一個(gè)為虛假點(diǎn)。該虛假點(diǎn)是單星測(cè)頻定位系統(tǒng)的固有現(xiàn)象，只能依靠其他輔助信息將其剔除。具體定位結(jié)果如圖8所示，單星測(cè)頻定位的兩個(gè)定位點(diǎn)分別在衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡的左右兩邊，定位點(diǎn)1與地面輻射源的實(shí)際位置比較接近，定位點(diǎn)2為虛假點(diǎn)，與定位點(diǎn)1對(duì)應(yīng)的輻射源頻率估計(jì)值為2.700001723ghz，與定位點(diǎn)2對(duì)應(yīng)的輻射源頻率估計(jì)值為2.699999825ghz。
在本發(fā)明的技術(shù)方案中，在單星的基礎(chǔ)上另外增加一顆衛(wèi)星，形成雙星測(cè)頻定位系統(tǒng)。新增衛(wèi)星軌道仍為500km高的太陽(yáng)同步軌道，偵收天線覆蓋地面波束寬度仍為120度。雙星軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)與相位角都相差2度，則雙星星下點(diǎn)軌跡與輻射源的位置關(guān)系如圖9所示。其他仿真條件與單星測(cè)頻定位系統(tǒng)相同。通過(guò)仿真計(jì)算，可獲得雙星測(cè)頻定位的歸一化目標(biāo)函數(shù)如圖10所示。從圖中可以看出，歸一化目標(biāo)函數(shù)雖然存在兩個(gè)峰值，但是其中一個(gè)相對(duì)另外一個(gè)非常小，故不存在虛假點(diǎn)，最大峰值即為地面輻射源位置的估計(jì)值。具體定位結(jié)果如圖8所示，只存在一個(gè)定位結(jié)果，位于輻射源真實(shí)位置的附近，對(duì)應(yīng)的輻射源頻率估計(jì)值為2.700001751ghz。
再采用monto-carlo方法分別對(duì)單星、雙星測(cè)頻定位系統(tǒng)進(jìn)行定位誤差分析。分別針對(duì)單星偵收無(wú)線電信號(hào)的觀測(cè)時(shí)間為200s、150s、100s、50s，雙星同時(shí)偵收無(wú)線電信號(hào)的觀測(cè)時(shí)間為200s、150s、100s、50s，進(jìn)行1000次monto-carlo仿真計(jì)算，其統(tǒng)計(jì)的定位誤差結(jié)果如表1所示。
表1單、雙星測(cè)頻定位系統(tǒng)的定位誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果(1σ)
從表1中可以看出：在相同觀測(cè)時(shí)間的條件下，雙星測(cè)頻定位精度優(yōu)于單星測(cè)頻定位精度；在相同定位精度的條件下，雙星測(cè)頻定位所需的定位時(shí)間小于單星所需的定位時(shí)間；單星測(cè)頻定位在定位時(shí)間小于100s后，其定位精度急劇惡化，雙星測(cè)頻定位在定位時(shí)間小于50s之后，其定位精度才急劇惡化，即雙星測(cè)頻定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好。
綜上所述，本發(fā)明的技術(shù)方案利用至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星，首先將它們波束的共同覆蓋區(qū)域確定為地面輻射源的搜索區(qū)域，減少搜索區(qū)域的盲目性；接著按照經(jīng)緯度將搜索區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置，將搜索區(qū)域使用網(wǎng)格點(diǎn)的位置進(jìn)行標(biāo)定；之后通過(guò)根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)在地心固連坐標(biāo)系中的位置矢量；根據(jù)至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的在地心固連坐標(biāo)系中的位置矢量、相對(duì)速度矢量以及每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置矢量，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣；根據(jù)至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的對(duì)地面輻射源的頻率測(cè)量信息以及每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的狀態(tài)矩陣，計(jì)算地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值；根據(jù)地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的頻率估計(jì)值計(jì)算地面輻射源在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的歸一化目標(biāo)函數(shù)，將與歸一化目標(biāo)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)的位置確定為地面輻射源的位置估計(jì)值。本發(fā)明由于利用了至少2個(gè)測(cè)頻衛(wèi)星的位置矢量、相對(duì)速度矢量以及對(duì)地面輻射源的頻率測(cè)量信息，不需要較長(zhǎng)的測(cè)頻弧長(zhǎng)，就可獲得足夠的測(cè)頻數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地面輻射源的定位，相比于單星測(cè)頻定位不能解模糊的缺點(diǎn)，本發(fā)明的方案不僅可以解模糊，同時(shí)可以提高定位精度及減少定位時(shí)間，非常適用于功能簡(jiǎn)單、成本低的皮納衛(wèi)星作戰(zhàn)群的地面低速或靜止輻射源目標(biāo)定位需求。
以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，在本發(fā)明的上述教導(dǎo)下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上進(jìn)行其他的改進(jìn)或變形。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，上述的具體描述只是更好的解釋本發(fā)明的目的，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
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