一种基于天线周期扫描时间差无源定位方法_3

文档序号:9488598阅读:来源:国知局
个方程,利用连续四个点,每相邻两点为一 组,分别代入公式(8),得到三个方程,方程组为公式(9)。
【具体实施方式】 [0106] 三:本实施方式与一或二不同的是:所述步骤四中求 解递推最小二乘法的参数民、矣和Pc的具体过程为:
[0107]民的求解过程为:
[0108] 由于误差在时间测量值t上,对公式(8)两侧求时间t的偏导,可得:
[0109]
[0110] 取连续四点,每相邻两点为一组,分别代入公式(12),得到三个方程,改写为矩阵 形式如下:
[0111]
[0112]公式(13)可表示为A3X3d3X1=b3X1,则有:
[0114] 根据观测误差协方差定义可知,民计算式为:
[0116] 由公式(14)和公式(15)可得到民,< 为时间测量值的误差的方差;
[0117] 和P。的求解过程为:
[0118] 所述戈^为初始的状态估计值,P。为初始的状态协方差,若没有给出氧和P。,则可 以先解公式(9)所示方程,以解得结果作为初始值爲和匕,或可以将;^设置为一充分小的 向量,P。设置为充分大的矩阵,等待最小二乘法自行收敛;
[0119] 为加快收敛速度,采用前一方法。
[0122] 其中/7和f由起始天线扫描时间测量数据和平台状态数据,所述状态包括位 置和速度,所得的相应矩阵作为分块矩阵组合而成,即:

[0126] 所述H3X3表示三阶单位阵;
[0127] 利用公式(17)-(21)可求得最小二乘递推初始值,即10和P。。
【具体实施方式】 [0128] 四:本实施方式与一至三之一不同的是:所述步骤四 中得到民'的具体过程为:
[0129] 考虑递推计算过程中,协方差矩阵P(k)随着递推的进程将衰减很快,此时算法 中矩阵/〗///』//,、/X1也急剧衰减,使得新数据失去对估计值的修正能力,因此需 要考虑修正方案,以保持新数据对参数估计值一定的修正能力,使得能得到更准确的估计 值或适应目标位置的慢速变化。一般修正方法有遗忘因子法和协方差重调法,对于定位在 一定误差时数据即失去修正能力的情况,本发明采用遗忘因子进行处理。
[0130] 采用遗忘因子进行修正处理,将遗忘因子作用在民上时如式(16)所示:
[0131] R,1=e(1 1)〇^ (16)
[0132] 其中1是选择用于位置估计的R阵总个数,α是根据经验选取的常数本文中选取 为0. 05,民是用公式(15)计算所得结果,进行递推时将R'i带入递推最小二乘的基本公 式;
【具体实施方式】 [0133] 五:本实施方式与一至四之一不同的是:所述步骤四 中递推最小二乘的基本公式为公式(10)和(11):
[0134] 由于直接求解的结果仍有一定抖动,而且处理过程中测量数据具有时间顺序,考 虑实际应用中对存储容量的限制,本发明采用递推最小二乘法对定位数据进行处理,利用 通过时间观测值计算得到的O^yuTi)估计目标的真实位置(x,y,T),\为目标坐标系中 第i时刻平台的X'方向坐标,X'为目标坐标系中的横坐标。
[0137] 其中龙表示第i时刻的估计值矩阵(Htf*Zi表示第i时刻的观测向量 (XbynTy,Pi表示第i时刻的协方差矩阵,Hi表示第i时刻的测量矩阵在此处即是3X3 的单位阵,Ri表示第i时刻的观测误差协方差;
[0138] 实施例一:
[0139] 1、目标位置求解准确性验证
[0140] 本部分实验用于验证步骤一到步骤三建立的目标位置求解方法的正确性和在带 有误差情况下的稳定性,以及讨论在不同条件下的可观测性。
[0141] 1.1仿真环境设置
[0142] 仿真时设置目标在距离观测平台300km处,与观测平台坐标系X轴成60°夹角,目 标扫描周期设置为20s和10s,观测平台速度为550km/h并处于匀速直线运动状态,时间测 量值精度为1μs,定位时采用公式(9)。
[0143] 仿真时所用时间测量值可通过下式求出:
[0145] 其中i即表示第i次定位,i= 1,2, 3· · ·。
[0146] 根据仿真设置可知目标距离很远,每次扫描到观测平台的时间与上次扫描时间的 差值均近似为扫描周期Τ,因此可以合理简化求解过程,对h仅在tii+T附近求解。
[0147] 由于公式(28)中涉及到超越函数形式求解较为复杂,为简化时间测量值的获取 可以采用如下方法:
[0149] 其中i表示探测次数,公式(29)利用目标每次扫描到观测平台的时间均在扫描周 期倍数附近的规律,在每个周期平台所在位置点处求一次扫描时间,将其累加到总时间后 减去初始时间即可得到时间测量值。由于求时间测量值时公式(28)右侧变量均为已知,故 直接带入求解即可,运算量大幅减小。
[0150] 然而该方法忽略了观测平台应当不断运动的情况,因此将带来额外的误差,对定 位结果将带来一定影响。
[0151] 综上所述,虽然公式(28)的精度受限但其计算量较小,适合仿真实验时采用,因 此本部分中实验所需时间测量值均使用公式(28)所示方法得到。
[0152] 1.2仿真结果分析
[0153] 为便于比较分析,仿真结果图均在统一坐标尺度下绘制。
[0154] 图7至图18是取扫描周期T= 20S时的仿真结果。
[0155] 图7至图12是在获取时间测量值后直接带入求解所得到的定位结果。由图可知, 虽然定位仍有抖动,初始定位的存在误差,但随着时间推移定位误差逐渐减小,解算结果趋 近于真值,且结果的均值也接近真值,说明了定位公式的正确性。定位误差主要来源于精度 受限的时间测量值,另一方面也和观测性有关,随着时间推移,两次扫描之间时间差增大使 得观测性变好,从而有误差随时间减小的现象。
[0156] 图13至图18是在时间测量值基础上叠加了方差为lus的高斯白噪声后再带入求 解所得到的定位结果。从图中可以发现初始定位误差较大,而误差随时间增加而减小,这和 未加入高斯白噪声时是相似的,最终定位结果趋于真值,说明定位公式的准确性。
[0157] 对比两组结果可以发现,加入白噪声后定位误差增加明显,且收敛时间增长,这和 利用扫描时间差定位方法本身有关。在该问题中有效信息蕴含在两次扫描时间差与扫描周 期的差值中,目标距离远,时间差接近扫描周期,有效信息少,因此在此基础上的微量时间 测量值误差也会导致较大的定位误差。
[0158] 图19至图36是取扫描周期T= 10S时的仿真结果。
[0159] 图19至图24是在获得时间测量值后直接带入求解所得到的定位结果。由图可知 在初始之后相当长一段时间内定位误差都较大且有偏向,定位结果收敛较弱。在80~100 点时定位点值有趋于平缓的趋势,但误差仍有20~40km,说明此时定位不准确。
[0160] 图25至图30是在获得时间测量值后隔一点取一点带入公式求解所得到的结果。 从图中可以发现,虽然初始定位有一定的误差但能以较快的速度收敛,最终收敛到真值附 近,说明此时定位准确。相比于未间隔取点的结果,间隔取点结果的误差分布更为均匀,误 差较小而且收敛快速,在60点左右已经降至10km以内,这是由于间隔取点后利用了连续两 点所积累的信息,相当于扫描周期T= 20S的结果。因此,未采用间隔点方法时的定位不准, 原因在于时间间隔中所含信息不足导致可观测性不好,而非定位公式问题。
[0161] 将图25至图30与图7至图12相比较可以看到周期10S间隔取点定位的误差和 收敛速度均逊于周期为20S时的结果,这是由于扫描周期短所造成的,因为周期短则会在 更短的时间扫过相同的角度,使得扫描时间间隔稍小,降低了目标的可观测性。
[0162] 图31至图36是进行隔两
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