一种基于一维测向的三维定位方法与流程

本发明属于电子信息技术领域，涉及一种通过多个观测站对目标的一维测向来实现对目标的三维定位的方法。

背景技术：

无线定位技术基于对信号的不同度量方式，可分为测距定位、测向定位以及惯性定位等。其中测向定位方法由于其可探测距离远，隐蔽性好等特性，在无线电探测等领域中应用广泛。

传统的测向定位方法，每个观测站利用线阵或面阵分别对目标进行一维或二维测向，然后结合观测站的地理坐标进行交叉定位，计算目标位置的二维坐标或三维坐标。使用现有的测向定位方法对目标进行三维定位，需要每个观测站使用面阵同时测量目标的方位角和俯仰角，导致布设的天线阵列成本较高，且难以布设在某些特定的狭窄区域内。但是，通过多个观测站对目标的一维测向来实现对目标的三维定位的方法尚未有发明专利公开。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对背景技术中目标三维测向定位需要每个观测站用面阵同时测量目标的方位角和俯仰角的问题，利用多个观测站的线阵与x轴的夹角的不同，弥补了线阵无法测量目标俯仰角的不足，使每个观测站只需要利用线阵测量目标的方位角也能实现对目标的三维定位。

本发明的技术方案为：首先，将观测站放置于地平面上，初始化确定观测站数目n以及每个观测站位置坐标bn，确定每个观测站线阵的阵元个数m以及阵元间距d，确定每个观测站的线阵与地平面直角坐标x轴的夹角αn以及信号中心频率f；然后，每个观测站利用线阵接收目标信号，每个线阵获得接收信号向量sn；其次，将(-1,1)区间等分成l个网格点gi∈(-1,1)，构造方向向量a(gi)并分别与每个观测站的线阵的接收信号向量sn作相关得到每个线阵测向的代价函数cn(gi)；接着，对网格点gi进行一维搜索，找出使得代价函数cn(gi)取最大值对应的网格点gi，得到每个线阵对目标方位角的估计然后利用每个观测站坐标bn、每个线阵与地平面直角坐标x轴夹角αn以及每个线阵对目标方位角的估计建立方程组；最后，对方程组进行伪线性处理后得到线性方程组的矩阵形式pμ＝q，并计算线性方程组的最小二乘解利用最小二乘解得到目标位置的三维坐标估计

一种基于一维测向的三维定位方法，具体步骤如下：

s1、将观测站放置于地平面上，初始化确定观测站数目n以及每个观测站位置坐标bn，确定每个观测站线阵的阵元个数m以及阵元间距d，确定每个观测站的线阵与地平面直角坐标x轴的夹角αn以及信号中心频率f，其中，n＝1,2,...,n；

s2、每个观测站利用线阵接收目标信号，第n个观测站的线阵获得接收信号向量sn；

s3、将(-1,1)区间等分成l个网格点gi∈(-1,1)，构造方向向量并分别与第n个观测站的接收信号向量sn作相关得到第n个观测站的线阵测向的代价函数cn(gi)为cn(gi)＝|a^h(gi)sn|，其中，^t表示向量的共轭转置，^h表示向量的共轭转置，i＝1,2,...,l；

s4、对网格点gi进行一维搜索，找出使得代价函数cn(gi)取最大值对应的网格点gi，得到第n个观测站的线阵对目标方位角的估计为

s5、利用每个观测站坐标bn、每个线阵与地平面直角坐标x轴夹角αn以及每个观测站的线阵对目标方位角的估计建立方程组

其中，

s6、对方程组进行伪线性处理后得到线性方程组的矩阵形式pμ＝q，并计算线性方程组的最小二乘解利用最小二乘解得到目标位置的三维坐标估计其中，

q＝(q1,q2,...,qn)^t。

本发明的有益效果是：

本发明利用多个观测站的线阵与x轴的夹角的不同，弥补了线阵无法测量目标俯仰角的不足，使每个观测站只需要利用线阵对测量目标的方位角，就可以实现对目标的三维定位，将三维定位所需的天线阵列降到一维，不仅降低了天线阵列的成本和测向系统的复杂度，还解决了一维以上阵列难以布设在某些特定的狭窄区域内的问题。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明方法进行进一步说明。

本实施方式以7个位置已知的观测站和1个需要在三维平面进行定位的目标为例，每观测站位置坐标分别为(236.9,-254.3,0)、(2.4,-250.6,0)、(37.3,-114.1,0)，(173.6,213.2,0)、(-89.4,-15.4,0)、(-167.8,-105.4,0)、(193.6,-23.9,0)(单位:米)，每个观测站具有一个5阵元均匀线阵，阵元间距为0.5米，每个线阵与地平面直角坐标x轴的夹角分别为(4.2360；3.6069；5.2956；0.4764；1.6327；4.3201；2.7175)(单位:弧度)，信号中心频率为300mhz以及目标位置的三维坐标为(623.7,346.0,810.3)(单位:米)。

在本实施方式中，实施本发明的目的就是利用多个不同位置的观测站对目标的一维测向完成目标的三维定位，将三维定位所需的天线阵列降到一维，不仅降低了天线阵列的成本和测向系统的复杂度，还解决了一维以上的阵列难以布设在某些特定的狭窄区域内的问题。

本发明的具体实施方式的流程如下：

步骤1：将观测站放置于地平面上，初始化确定观测站数目(n)为7，以及观测站位置坐标(bn)分别为(236.9,-254.3,0)、(2.4,-250.6,0)、(37.3,-114.1,0)，(173.6,213.2,0)、(-89.4,-15.4,0)、(-167.8,-105.4,0)、(193.6,-23.9,0)(单位:米)，确定每个观测站线阵的阵元个数(m)为5，以及阵元间距(d)为0.5米，确定第n个线阵与地平面直角坐标x轴的夹角(αn)分别为(4.2360，3.6069，5.2956，0.4764，1.6327，4.3201，2.7175)以及信号中心频率(f)为300mhz；

步骤2：7个观测站利用线阵接收目标信号，每个线阵获得的接收信号向量(sn)分别为

步骤3：将(-1,1)区间等分成(l)为2001个网格点gi∈(-1,1),i＝1,2,...,2001，构造方向向量(a(gi))为并分别与7个线阵接收信号向量sn作相关得到每个线阵测向的代价函数cn为cn(gi)＝|a^h(gi)sn|,n＝1,2,...,7；

步骤4：对网格点(gi)进行一维搜索，找出使得代价函数(cn(gi))取最大值对应的网格点(gi)，得到7个线阵对目标方位角的估计分别为(0.6580，0.6960，0.0560，-0.4920，-0.2780，0.5900，0.2420)；

步骤5：利用每个观测站坐标(bn)、每个线阵与地平面直角坐标x轴夹角(αn)以及每个观测站的线阵对目标方位角的估计建立方程组为

其中

步骤6：对方程组进行伪线性处理后得到线性方程组的矩阵形式为pμ＝q，其中

q＝[3853218289-13378-45241539-12443-32515]^t

计算线性方程组的最小二乘解为利用最小二乘解得到目标位置的三维坐标估计为(单位:米)。

定义目标的绝对定位误差为目标的定位位置坐标与目标的实际位置坐标之间的距离。在本实施例中，目标的实际位置坐标为(623.7,346.0,810.3)(单位:米)，可见，实施本发明方法的绝对定位误差等于23.811米。