多站雷达定位系统的制作方法

本发明涉及雷达定位领域，具体的涉及一种多站雷达定位系统。

背景技术：

雷达在军事领域具有举足轻重的作用，被称为指挥员的眼睛，能够远距离的探测、定位和跟踪飞行器、舰船和武装车辆等潜在威胁目标。随着隐身技术的发展，目标在某一探测方向上反射截面积可以做到很小，导致单站雷达很难在安全警戒范围之外探测到目标。多站雷达可以多角度的探测目标，增强雷达系统目标的探测性能，是一种极具潜力的探测装备。

目前的多站雷达系统，各站点位置被定死，各雷达站点与信息处理中心通过有线媒介传输，一旦需要改变探测场景，需要重新架设各雷达站点，雷达站点与信息处理中心的传输线缆也要重新布设，改装周期长，系统灵活性差，并且定位精度低。

如图5所示是现有的一种多站雷达目标定位跟踪系统，系统有效探测范围为a区，若想要探测b区，则需要重新布设各雷达站点，如图6所示。多站雷达系统为了获得更大的探测范围，各站点间间距可达数十公里到数百公里，各站点到处理中心的距离也达到了数十公里到数百公里，要短时间内疏通各站点到处理中心的有线连接异常困难，将各雷达站点运往指定地点后的安装调试也将耗费很长的时间。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种多站雷达定位系统，增强多站系统灵活性，极大缩短系统建设周期。

根据本发明实施例的一种多站雷达定位系统，包括若干可移动雷达单站、分别与若干可移动雷达单站通过无线链路通信的处理中心；所述可移动雷达单站包括可移动平台、搭载在可移动平台上的雷达探测单元、卫星定位授时单元和无线通信单元，所述可移动平台实现搭载其上的各单元的移动，所述雷达探测单元用于测距和测速，卫星定位授时单元用于获取雷达单站位置信息和当前时间信息，无线通信单元用于接收处理中心发送的信息和返回雷达单站探测到的目标距离量测及探测时间信息给处理中心；所述处理中心包括设参单元和计算单元，所述设参单元用于设定雷达单站数量、位置坐标及探测方向，所述计算单元汇集各雷达单站返回的目标距离量测，并通过定位算法进行目标定位。

所述定位算法包括单目标定位算法和多目标定位算法。

根据本发明的一些实施例，所述单目标定位算法的步骤为

a1、通过直接定位算法计算出目标i的初始位置(x⁰,y⁰,h⁰)；

a2、将目标i的初始位置(x⁰,y⁰,h⁰)作为泰勒级数定位算法的初始值，通过泰勒级数定位算法计算目标i的地心直角坐标(xi,yi,hi)。

根据本发明的一些实施例，所述多目标定位算法的步骤为

b1、列出所有量测配对，运用泰勒级数定位算法估计每一种配对的目标坐标，计算各配对的均方误差度量；

b2、建立配对列表，按各配对求得的均方误差度量大小进行排序，均方误差小的配对在列表最上方，均方误差大的配对在列表最下方；

b3、确认目标，裁剪配对列表，列表最上方的配对被确认为真实目标，将其添加入真实目标列表，并删除配对列表中任意一个包含与确认目标配对量测相同的配对；

b4、当配对列表不为空且列表最上方的配对对应的均方误差不为设定值m时，返回步骤b3；当配对列表为空或列表最上方的配对对应的均方误差为m时，输出真实目标列表中对应配对的定位坐标。m用于标记均方误差大的配对(虚假目标)，m的取值范围与探测场景有关，通常远远大于真实目标配对的均方误差度量值。

根据本发明的一些实施例，所述可移动雷达单站的数量不少于4个。

根据本发明的一些实施例，所述处理中心还包括显示单元，以用于显示各雷达单站坐标和目标坐标。

本发明的多站雷达定位系统，至少具有如下技术效果：

本发明相比于单站雷达可以多角度探测目标信息，具有更稳健的目标探测性能，定位精度高；相比于传统的多站雷达，配置更加灵活，各雷达单站架设在可移动平台上，可移动雷达单站与处理中心通过无线链路通信，使用时只需在处理中心的设参单元设置各雷达单站参数，本系统可以在数小时至数天之间完成建设和调试，极大缩短了多站雷达建设调试时间，更加适合复杂多变的战场探测环境应用。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例中多站雷达定位系统的原理框图；

图2为本发明实施例中可移动雷达单站的原理框图；

图3为本发明实施例中处理中心的功能框图；

图4为本发明实施例中多站多目标的定位仿真结果；

图5为一种现有的多站雷达目标定位跟踪系统探测范围示意图；

图6为另一种现有的多站雷达目标定位跟踪系统探测范围示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参考图1，一种多站雷达定位系统，包括：若干可移动雷达单站100、分别与若干可移动雷达单站100通过无线链路通信的的处理中心200，为了提高定位精度，优选的，可移动雷达单站100的数量不少于4个。

参考图2，可移动雷达单站100包括可移动平台、搭载在可移动平台上的雷达探测单元、卫星定位授时单元和无线通信单元，可移动平台采用定制车辆、定制舰船等运载设备实现各可移动雷达单站内各单元的移动，雷达探测单元通过雷达实现测距和测速的功能，卫星定位授时单元(可为装载gps或北斗等授时功能的设备)用于获取雷达单站位置信息和当前时间信息，无线通信单元(为保证远距离通信，优选卫星通信或低频段的通信设备)用于接收处理中心200发送的信息和返回雷达单站探测到的目标距离及探测时间信息给处理中心200。

参考图3，处理中心200包括设参单元、计算单元和显示单元，显示单元用于三维显示各雷达单站坐标和目标的坐标，设参单元用于设定雷达单站数量、位置坐标及探测方向，计算单元汇集各雷达单站返回的目标距离量测，并通过定位算法进行目标定位。

定位算法包括单目标定位算法和多目标定位算法。定位时，从每个单站选择一个距离量测进行单目标定位，再根据多目标定位算法中的准则判断所选的量测配对是否为正确的目标配对；每个单站只有一个距离量测时，即退化为单目标定位，采用单目标定位算法即可计算出目标坐标。

单目标定位算法的步骤为：

a1、通过直接定位算法计算出目标i的初始位置(x⁰,y⁰,h⁰)，

直接定位算法的计算步骤为：

汇集各雷达单站返回的目标距离量测按探测时间对齐，假设雷达单站s(s＝1,2,...,n，表示雷达单站索引)的地心直角坐标为(xs,ys,hs)，t时刻目标i坐标为(xi,yi,hi)，则目标i的距离量测可表示为：

其中，表示目标i在雷达单站s中的距离量测误差。忽略已知各雷达单站坐标，唯一确定目标i的坐标(xi,yi,hi)，至少需要4个雷达单站，将(1)式两边平方，整理可得：

选择4个雷达单站(s＝1,2,3,4)，可得：

将(4)式-(3)式，(5)式-(3)式，(6)式-(3)式联立可得：

将(7)式表示为矩阵形式：

qx＝b(8)

其中，

x＝[xi,yi,hi]^t,则目标i的值可通过(9)式求解。

x＝q^-1b(9)

但是使用式(9)直接定位算法求解的目标坐标估计精度低，泰勒级数定位算法定位精度较直接定位法高，但其对初始坐标设定敏感，初始坐标设定不合理，会导致算法迭代发散，得不到目标坐标准确估计，本实施例使用式(9)的直接定位结果作为泰勒级数定位算法的初始值，保证了即使迭代发散，目标定位结果的仍然置信。

a2、将目标i的初始位置(x⁰,y⁰,h⁰)作为泰勒级数定位算法的初始值，通过泰勒级数定位算法计算目标i的地心直角坐标(xi,yi,hi)。具体步骤为：

根据(1)式，目标i距离雷达单站s的理想距离可表示为：

泰勒级数定位算法采用泰勒级数展开对函数fs(xi,yi,hi)进行线性近似，估计距离量测误差，并用误差估计量修正目标当前位置，不断迭代，使目标位置逼近真实值。

泰勒级数定位算法的具体步骤如下：

a21、初始化：迭代次数变量k＝0，由直接定位算法算出目标初始位置(x⁰,y⁰,h⁰)；

a22、将函数fs(xi,yi,hi)在(x^k,y^k,h^k)处展开，忽略二次以上项：

将式(11)表示成矩阵形式：

aδ≈d-e(12)

其中，δ＝[δx,δy,δh]^t，通过式(12)求得误差δ的最小二乘估计为

δ＝(a^tc^-1a)^-1a^tc^-1d(13)

其中，c是各雷达单站距离量测估计误差e的协方差矩阵。

a23、k＝k+1，判别是否小于给定门限δt，且k是否大于设定的最大迭代次数km。若||δ||2＞δt，则输出目标坐标估计若||δ||2＜δt且k＞km，则输出若||δ||2＜δt且k＜km，执行下一步a24。

a24、更新目标坐标：(x^k,y^k,h^k)＝(x^k-1+δx,y^k-1+δy,h^k-1+δh)，返回步骤a22。

当探测区域只有一个目标，且每个雷达单站都可以获取目标的距离量测时，通过直接定位算法结合泰勒级数定位算法可以较为准确的计算出目标的地心直角坐标估计。然而当探测区域有多个目标时，每个雷达单站都有多个距离量测，实现多目标定位需要解决各雷达站真实目标距离量测配对问题。

因此当探测区域内有多个目标时，处理中心采用多目标定位算法计算各目标的地心直角坐标，假设探测区域有nt个目标(nt数值未知)，雷达单站s(s＝1,2,3,4)获取距离量测数目为ns，由于存在漏检和杂波，n1、n2、n3和n4数目可能不同。考虑四个站的量测配对，雷达单站s的量测集合定义为探测区域内系统的量测集合定义为任一4量测配对定义为即从每个雷达单站中各取一个量测进行配对。将输入泰勒级数定位算法可得到一个潜在目标j坐标(xj,yj,hj)，定义配对的均方误差度量为

其中是根据估计位置(xj,yj,hj)计算的反推距离值，是各站量测与其对应的反推距离的均方误差。通常配对源于同一目标量测时的均方误差比配对源于不同目标量测时的均方误差要小。当配对根据泰勒级数定位算法得到的坐标估计在探测区域外或是得到的均方误差较大时，表示配对不是真实目标正确配对，置为一个较大的常量m。将各雷达站所有的量测进行4量测配对，按求得的均方误差进行排序，构成配对列表，均方误差小的配对在列表上方，均方误差大的配对在列表下方。每次选择列表最上方的配对作为真实目标估计，根据每个站中的每个量测至多源于一个目标准则，删除列表中包含任意选中配对量测的其余配对。

因此综上，多目标定位算法的具体步骤为：

b1、列出所有4量测配对，运用泰勒级数定位算法估计每一种配对的目标坐标，计算各配对的均方误差度量；

b2、建立配对列表，按各配对求得的均方误差度量大小进行排序，均方误差小的配对在列表最上方，均方误差大的配对在列表最下方；

b3、确认目标，裁剪配对列表，列表最上方的配对被确认为真实目标，将其添加入真实目标列表，并删除配对列表中任意一个包含与确认目标配对量测相同的配对；

b4、当配对列表不为空且列表最上方的配对对应的均方误差不为m时，返回步骤b3；当配对列表为空或列表最上方的配对对应的均方误差为m时，输出真实目标列表中对应配对的定位坐标，此定位坐标为各目标的坐标。

下面模拟一种试验场景，以4个可移动雷达单站100为例，分别设置为单站1、单站2、单站3、单站4，单站1的坐标为(1000,40000,500)，单站2坐标(0,15000,100)，单站3的坐标为(0,-15000,300)，单站4坐标(2000,-40000,600)，雷达探测区域内有5个目标，坐标分别为(50000,0,6000)、(80000,30000,10000)、(80000,-30000,10000)、(100000,60000,13000)、(100000,-80000,18000)，雷达单站的测距方差均为σ²＝4，假设雷达探测不存在漏检，每个雷达单站中都有一个杂波量测，图6为按照本发明技术方案的仿真试验多站多目标定位结果，估计得到的目标坐标分别为(50007,0,5937)，(79901,30002,10775)，(80107,-30007,9048)，(100099,60007,12159)，(100023,-80009,17826)，因此采用本发明的系统能够正确估计多目标真实坐标。

本发明的运行流程为：

在处理中心的设参单元中设定雷达单站数量、位置坐标及探测方向，各雷达单站响应处理中心下发的坐标信息，通过可移动平台到达自身设定坐标位置，调整探测方向，并通过无线通信单元上传探测到的目标距离量测及探测时刻至处理中心，处理中心汇集各雷达单站探测到目标的距离量测，按时间对齐，运行定位算法，得到各时刻的目标定位结果，显示到处理中心的显示单元上。

综上，本发明相比于单站雷达可以多角度探测目标信息，具有更稳健的目标探测性能，定位精度高；相比于传统的多站雷达，配置更加灵活，各雷达单站架设在可移动平台上，可移动雷达单站与处理中心通过无线链路通信，使用时只需在处理中心的设参单元设置各雷达单站参数，本系统可以在数小时至数天之间完成建设和调试，极大缩短了多站雷达建设调试时间，更加适合复杂多变的战场探测环境应用。上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。