一种基于方位和自时差测量的固定单站无源定位系统的制作方法
【专利摘要】对运动目标的纯方位观测问题的研究已具有60多年历史，本发明公开了一种基于方位和自时差测量获得移动目标运动参数的固定单站无源定位方法，在运动目标相邻移动距离不相等的一般情况下，通过充分利用简单的平面几何关系和自时差测量方程，以及迭代计算方法，完整和准确的给出了求解运动目标的航向角、移动速度和移动时差、目标与单测向站之间径向距离等参量的解析计算公式，所提出的新方法突破了在一般情形下，现有固定单站纯方位无源探测仅能获得目标航向，以及速度与初始距离比值的局限性。
【专利说明】-种基于方位和自时差测量的固定单站无源定位系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线电定位测量【技术领域】，具体涉及一种固定单站对移动目标的无源 定位方法。
【背景技术】
[0002] 在被动测量的情况下，仅仅利用目标的方位信息，估计目标运动参数的过程，称为 纯方位目标运动分析炬TMA)。对运动目标的纯方位观测问题的研究已具有60多年历史， 已有的经典分析表明，在二维平面上，当目标不是在相对于单观测站的径向方向运动时，利 用静止单观测站所测量到的匀速直线运动目标的方位W及时差，仅可W估计出目标的航向 角、目标通过航路勾径点的时刻、W及速度与初距的比值。
[0003] 此外，已有的研究也表明，如在推导过程中限定；被测目标从一个位置移动到另一 个位置的移动时间差或移动距离相等，则目标与观测站之间的距离就能够被解析求解。但 该种附加条件极大的限制了工程可应用性，事实上，对于单站测向定位方式，除非是对于定 周期的脉冲信号，一般情况下被测目标从一个位置移动到另一个位置的移动时间差或移动 距离差是无法通过直接测量获得的。
[0004] 纯方位目标运动分析的一个最主要的应用领域是水下无源定位，在水下一般只能 通过声波来传送信息，而声传感器通常只能获得目标的方位信息。伴随着海洋开发活动的 日益发展，对于海底地貌勘测、水文数据采集、水下搜索W及水下机器人的应用等等的需 要，都已经使得水下无源定位技术越来越受到人们的重视，并在海底作业中发挥着越来越 重要的作用。例如，长时期潜伏于水下的销系潜器系统，可用于长时间监测记录海洋环境噪 声，并具有探测、定位、记录过往舰船目标信息和远程通信的功能，是海洋环境监测的一种 重要装备。
【发明内容】
[0005] 针对现有纯方位目标运动定位方法所存在的不足，本发明的目的是针对运动目标 相邻移动距离不相等的一般情况，充分利用简单的平面几何关系和自时差测量方程，W及 迭代计算方法，完整和准确的给出了求解运动目标航向角、移动速度和移动时差、目标与观 测站之间径向距离等参量的解析计算公式，所提出的新方法突破了在一般情形下，固定单 站纯方位无源探测仅能获得目标航向，W及速度与初始距离比值的局限性。
[0006] 现有的纯方位目标运动分析的研究历史似乎是十分复杂而又艰难的，其经典的求 解方法之所W得不到完整的定位解。原因在于仅利用了距离与速度之间的关系。事实上， 必须注意的事实是；在现有的纯方位目标运动分析中是包含有目标移动时差测量的，因此， 基于几何和时差约束条件，通过D0A和T0A测量，固定单站的纯方位无源定位是完全能被解 析分析的，且通过一次迭代计算，即可消除在自时差测量方程中所存有的不稳定特性，并获 得准确的计算结果。
[0007] 本发明是通过如下技术方案实现的：
[000引假设移动目标近似匀速直线运动，首先利用自时差方程和前置角与观测方位角之 间的几何关系证明目标端相邻移动距离之比能间接地由观测处相邻观测时差之比近似估 算；然后，利用前置角与观测方位角之间的几何关系解出目标端的前置角和目标的航向角。 随后的分析表明，一旦利用近似估算所得到的前置角来直接解算目标端相邻移动距离的比 值，并再次利用前置角与观测方位角之间的几何关系进行一次迭代计算，则即可获得准确 度足够高的前置角，且由此就能直接从自时差方程准确的求得移动目标的各个运动参数。
[0009] 具体包括W下步骤：
[0010] 步骤1、测向基准
[0011] 固定单站可利用其它定位装置或定位系统确定自身的地理位置，并设定测向基 准，测向基准和地理位置坐标可在初始安置固定观测站时利用外置设备设定，亦能在固定 单站观测平台上直接安置相关的用于确定测向基准及地理位置坐标的模块或系统，对于极 为简单的应用场合，测向基准和地理位置的设定也可被省略；
[0012] 步骤2、目标方位的测量
[0013] 利用测向设备连续探测目标的方位01，且在假定目标近似为匀速直线运 动的条件下，测向单元至少必须连续进行H次测向，由此亦能获得方位的相邻角度差 A目i=目i+i_目i ;
[0014] 步骤3、观测时差的测量
[0015] 在测量及记录目标方位的同时，利用时间记录设备检测和记录时间的绝对值Ti， 并由此获得两次相邻测向之间的观测时差ATi=Tw-Ti ;
[0016] 步骤4、目标端相邻移动距离比值的近似估计
[0017] 在通过测向和自时差检测获得H组数据序列；方位角0 1、方位角差A 0 i和观测 时差A Ti的基础上，利用几何关系和自时差方程证明目标端相邻移动距离di之比近似等于 观测处相邻观测时差A Ti之比： 凹\ ^1、
[001引今巧U) d、 at；
[0019] 步骤5、目标前置角的近似解析计算
[0020] (1)利用目标处的相邻移动距离之比和前置角、观测方位角之间的函数关系解出 目标的前置角目：
[0021]
【权利要求】
1. 一种固定单站无源定位方法，其特征在于通过连续检测移动目标的方向、w及两次 测向之间的观测时差，即可完整和正确的获得移动目标的运动参数。
2. 根据权利要求1所述的无源定位方法，其特征是，在假定目标近似为匀速直线运 动的条件下，测向单元至少连续H次检测移动目标的信号方向0 1，并在测量及记录目标 方位的同时，利用时间记录设备检测和记录时间的绝对值Ti，由此获得方位的相邻角度差 A 0 1= 0 目i和两次相邻测向之间的观测时差ATi=Tw-Ti。
3. 基于权利要求2所述的测量结果，其特征是： (1) 先利用几何关系和自时差方程证明目标端相邻移动距离di之比近似等于观测处相 邻观测时差A Ti之比：
(1) (2) 随后利用目标处的相邻移动距离之比和前置角、观测方位角之间的函数关系解出 目标端的前置角：
(3) 进一步由观测方位角差A 0 1，可获得目标在其余位置处的前置角： 目1=目厂A 0 1 (3A) 目 3=目 2+ A 0 2 (3B) (4) 再由内外角关系；a = 0 目1，解出目标的航向角a，在目标前置角0<目1<180° 时，航向角的计算式为：
在目标前置角90<目1<180°时，航向角为：
4. 如权利要求1所述的无源定位方法，其特征在于： (1)利用近似估计得到的前置角，按下式直接求解目标移动距离的比值：
上式中在相邻径向距离之间的比值和在移动距离与径向距离之间的比值是：
(2)在直接求得目标相邻移动距离比值的基础上，再次利用前置角、观测方位角之间的 函数关系即可解出准确性更好的目标前置角：
5.基于权利要求4利用迭代计算所得到的前置角，其特征是，先重新计算在相邻径向 距离之间的比值和在移动距离与径向距离之间的比值，随后按下列各式解算目标的运动参 数： (1) 目标的移动速度
式中；V。为声速。 (2) 目标的移动时差
(3) 目标与观巧IJ站之间的径向距离
【文档编号】G01S5/18GK104422921SQ201310369622
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月22日 优先权日:2013年8月22日
【发明者】郁涛 申请人:郁涛