一种基于gnss-r信号几何关系的星载无源雷达定位方法
【专利摘要】一种基于GNSS-R信号几何关系的星载无源雷达定位方法，步骤：一：接收机接收到GPS卫星的直射信号时刻为t1，接收到相关GPS卫星信号对目标的反射信号时刻为t2；二：根据信号的到达时刻，计算信号的直射路径长度L和反射路径长度D；三：计算发射机和接收机的位置T(xt，yt，zt)和R(xr，yr，zr)；四：计算直射信号和反射信号的夹角α，确定反射信号的向量；五：在反射信号的向量沿传播的反方向延长至点N，使接收机R到点N距离同反射信号路径距离相同，并求解N的坐标；六：设发射机T到点N的向量TN中点为M，求M坐标；七：在平面TRN上过M点作TN的垂线，交RN向量于P点，P点即目标当时刻位置，计算点P坐标。本发明降低了结算难度，提高了定位的效率，减少了定位成本。
【专利说明】—种基于GNSS-R信号几何关系的星载无源雷达定位方法(-)【技术领域】:
[0001]本发明涉及一种单星无源雷达海面以及近海目标定位方法，特别涉及与接收机、发射机和目标的几何关系有关基于全球导航卫星系统反射信号(Global NavigationSatellite System Reflect signal,GNSS-R)的定位方法,该方法可用于对近海低空目标以及海面单目标定位，适用于无源雷达接收机具有旋转接收天线或具有测角功能的系统。该方法可实现简洁高效的单星定位，属于无线通信【技术领域】。
(二)技术背景:
[0002]雷达系统是国土防空的重要支柱，它们自从二十世纪四十年代正式配装以来，由于其具有作用距离远、全天候、受环境和气候变化影响小等优点而在目标探测、定位和跟踪方面发挥着其它传感器所无法替代的重要作用。但是到了现代，随着电子干扰、隐身技术、反辐射导弹攻击和低空、超低空突防等雷达对抗技术的产生和发展，传统的雷达系统已很难像过去一样发挥威力，而且其自身的生存也成了紧迫问题，无源探测技术就是在这种背景下产生和发展起来的。
[0003]无源定位方法具有作用距离远、抗干扰能力强、实现对目标的隐蔽接收、定位和跟踪的能力对于提高系统在电子战环境下的生存能力和作战能力有重要作用。由于导航卫星信号的频率和功率固定，且接收机可通过其信号中的星历文件读取信号发射的时刻和卫星的速度等因素，遍布全球的全球定位系统(Global Positioning System, GPS)卫星信号成为了无源定位雷达用于目标探测、遥感和定位的主要信号。
[0004]基于GNSS-R的无源雷达目标定位 算法是一种兼顾了无源雷达和GPS双重优势的定位技术，有效地利用GNSS-R信号进行无源定位既增加了系统的隐蔽性，又扩大了无源雷达的定位范围，且可根据导航信号中的星历数据计算出发射机(GPS卫星)和接收机(低轨卫星,Low Earth Orbit,LEO)的位置,减少定位计算的复杂性,方便对反射信号进行几何关系建模，实现最优化定位，这是其他信号所不具有的特性。
[0005]随着基于GNSS-R信号的无源雷达遥感、探测以及定位等技术的发展，天基无源雷达定位方法受到国内外研究者越来越多的关注，如单星测频无源定位技术，基于到达时间差的目标技术等。目前定位方法大多利用反射信号和直射信号的时延差列出非线性方程组，运用方程组中的冗余将非线性方程转化为线性方程进行计算或者根据测量的多普勒参数进行定位，这类定位方法原理简单，但由于参数过多，增加了定位算法的复杂性，同时引入了大量的测量误差。由GPS卫星作为无源雷达接收机的发射站，因其本身具有定位功能，故可提供有效的反射信号几何关系，并利用反射信号同收发机间的几何关系进行定位。由于此方法的简捷方便，它成为了定位算法的研究热点之一。其原理是在对GPS卫星和LEO星载接收机位置确定后，根据接收反射信号路径和收发机间的关系，用立体几何领域相关知识解算出目标的相对位置的算法。该算法把三维目标定位转换到二维空间的目标定位，精简了定位计算难度，有利于实时定位。利用反射信号几何关系定位的缺点是对测量差错比较敏感，可以进一步通过对目标相关参数多次测量，对前后测量结果取平均去除误差等手段降低误差的影响。该以几何关系为基础的无源雷达定位方法用于的对海面低空目标或海面目标定位，使得对目标的定位解算难度大大降低，减少了计算量，从而简化设备，用更少的投入获得高效的定位。
(三)
【发明内容】
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[0006]1、目的:为实现利用GNSS-R信号几何关系的星载无源雷达在近海低空目标以及海面目标的定位，基于GNSS-R信号几何关系和星载无源雷达相结合的方法称为该【技术领域】近年来的热门研究方向。然而，传统的几何关系定位算法，局限在反射信号和直射信号路径所围成的区域的进行解析几何运算，不仅需要测得直射和反射路径延迟，还需要发射机的波束角度等关系，运算步骤多且计算量大，对发射信号的角度关系依赖于估计而非测量，造成误差较大。根据收发机和目标的距离遥远，本发明将目标视为质点，目标的反射信号视为射线，GPS信号从发射到其目标反射信号被接收机接收只需0.06s，在此期间将目标、接收机和发射机视为相对静止，为了改善传统几何关系定位方法计算步骤繁多以及对发射信号角度关系的依赖性，将三维目标定位转化为在发射机接收机连线以及反射信号组成的二维平面上通过分析目标和收发机的几何关系，对目标进行精确定位。
[0007]2、技术方案:本发明的主要特征在于:将三维定位的问题通过几何关系的转换，变成二维平面的定位，减少了运算量，尤其对于海面低空运行的目标，省去了估计其高度的步骤。由于传统利用几何关系定位方法局限在反射信号和直射信号所围成的区域内，所以定位依赖于发射机发射信号的扫描角度等因素，对角度的估计造成估计误差会导致最终定位结果的不准确，这也是几何关系定位多用于理论定位，而实际定位效果不理想的原因。本发明所提出的几何关系定位只需知道目标反射信号和直射信号的时延、以及反射信号方向角就可以对海面低空目标或海面目标进行简捷定位。
[0008]本方法的具体步骤如下:
[0009]步骤一:接收机接收到来自GPS卫星的直射信号时刻为t1;GPS信号中的星历文件中包含发射信号发射时间h，此外接收机接收到相关GPS卫星信号对目标的反射信号时刻为。
[0010]步骤二:根据信号的到达时刻，计算信号的直射路径长度L和反射路径长度D。计算过程如下:
[0011]I)直射路径长度:L = (t「t0) Xc
[0012]其中c为光速，c = 3 X108m/s, h和&为信号的发射时间和直射信号的接收时间。
[0013]2)反射路径长度:D = L+(t2_tl) Xe
[0014]其中c为光速，L为直射路径长度，t2和h为反射信号接收时间和直射信号的接收时间。
[0015]步骤三:计算发射机和接收机的位置T (xt, yt, zt)和R (xr, yr, zr)
[0016]计算发射机位置T(xt，yt, zt)和接收机的位置R (xr, yr, zr)和速度为常用方法，故省略。
[0017]步骤四:计算直射信号和反射信号的夹角α，确定反射信号的向量
[0018]计算直射路径和反射信号的夹角α:
[0019]接收机拥有旋转天线，反射信号和直射信号分别由接收机上两个不同方位的天线接收，此二者的夹角α已知。
[0020]求反射信号向量步骤:
[0021]I)反射信号接收天线与接收机轨道切平面夹角β'已知。则可得出反射信号射线与接收机轨道切平面内法线夹角为
【权利要求】
1.一种基于GNSS-R信号几何关系的星载无源雷达定位方法，其特征在于:该方法具体步骤如下: 步骤一:接收机接收到来自GPS卫星的直射信号时刻为t1; GPS信号中的星历文件中包含发射信号发射时间h，此外接收机接收到相关GPS卫星信号对目标的反射信号时刻为l2 ? 步骤二:根据信号的到达时刻，计算信号的直射路径长度L和反射路径长度D ;其计算过程如下: 1)直射路径长度:L= (trt0) Xe 其中c为光速，c = 3X108m/s, t0和&为信号的发射时间和直射信号的接收时间； 2)反射路径长度:D= L+(Vt1) Xe 其中c为光速，L为直射路径长度，t2和h为反射信号接收时间和直射信号的接收时间； 步骤三:计算发射机和接收机的位置T(xt, yt, zt)和R(Xy yr, zr): 按照常用方法计算发射机位置T(xt，yt，zt)和接收机的位置R(\，yr, zr)和速度； 步骤四:计算直射信号和反射信号的夹角α，确定反射信号的向量； 计算直射路径和反射信号的夹角α: 接收机拥有旋转天线，反射信号和直射信号分别由接收机上两个不同方位的天线接收，此二者的夹角α已知； 求反射信号向量的步骤如下: 1)反射信号接收天线与接收机轨道切平面夹角β'已知，则得出反射信号射线与接收机轨道切平面内法线夹角为
2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS-R信号几何关系的星载无源雷达定位方法，其特征在于:在步骤五中所述的“并求解N的坐标”，其求解N的坐标的方法如下:反射信号的路径长度为D，由步骤二中2)得出， 设N坐标为(xn, yr,则有:
3.根据权利要求1所述的一种基于GNSS-R信号几何关系的星载无源雷达定位方法，其特征在于:在步骤六中所述的“求M坐标”，其求M坐标的计算步骤如下: 求M坐标: 设M坐标为(xm，ym,则有:
4.根据权利要求1所述的一种基于GNSS-R信号几何关系的星载无源雷达定位方法，其特征在于:在步骤七中所述的“计算点P坐标”，其P坐标的计算过程如下: 设P的坐标为(xp，yt
【文档编号】G01S13/06GK103576138SQ201310593866
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月21日 优先权日:2013年11月21日
【发明者】修春娣, 吕佩珊, 寄文星, 姚崇斌, 周勃 申请人:北京航空航天大学, 上海航天电子通讯设备研究所