一種基于方位和自時(shí)差測量的固定單站無源定位系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的純方位觀測問題的研究已具有60多年歷史，本發(fā)明公開了一種基于方位和自時(shí)差測量獲得移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的固定單站無源定位方法，在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)相鄰移動(dòng)距離不相等的一般情況下，通過充分利用簡單的平面幾何關(guān)系和自時(shí)差測量方程，以及迭代計(jì)算方法，完整和準(zhǔn)確的給出了求解運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的航向角、移動(dòng)速度和移動(dòng)時(shí)差、目標(biāo)與單測向站之間徑向距離等參量的解析計(jì)算公式，所提出的新方法突破了在一般情形下，現(xiàn)有固定單站純方位無源探測僅能獲得目標(biāo)航向，以及速度與初始距離比值的局限性。
【專利說明】-種基于方位和自時(shí)差測量的固定單站無源定位系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線電定位測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種固定單站對移動(dòng)目標(biāo)的無源 定位方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在被動(dòng)測量的情況下，僅僅利用目標(biāo)的方位信息，估計(jì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的過程，稱為 純方位目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析炬TMA)。對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的純方位觀測問題的研究已具有60多年歷史， 已有的經(jīng)典分析表明，在二維平面上，當(dāng)目標(biāo)不是在相對于單觀測站的徑向方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，利 用靜止單觀測站所測量到的勻速直線運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的方位W及時(shí)差，僅可W估計(jì)出目標(biāo)的航向 角、目標(biāo)通過航路勾徑點(diǎn)的時(shí)刻、W及速度與初距的比值。
[0003] 此外，已有的研究也表明，如在推導(dǎo)過程中限定；被測目標(biāo)從一個(gè)位置移動(dòng)到另一 個(gè)位置的移動(dòng)時(shí)間差或移動(dòng)距離相等，則目標(biāo)與觀測站之間的距離就能夠被解析求解。但 該種附加條件極大的限制了工程可應(yīng)用性，事實(shí)上，對于單站測向定位方式，除非是對于定 周期的脈沖信號(hào)，一般情況下被測目標(biāo)從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置的移動(dòng)時(shí)間差或移動(dòng) 距離差是無法通過直接測量獲得的。
[0004] 純方位目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析的一個(gè)最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是水下無源定位，在水下一般只能 通過聲波來傳送信息，而聲傳感器通常只能獲得目標(biāo)的方位信息。伴隨著海洋開發(fā)活動(dòng)的 日益發(fā)展，對于海底地貌勘測、水文數(shù)據(jù)采集、水下搜索W及水下機(jī)器人的應(yīng)用等等的需 要，都已經(jīng)使得水下無源定位技術(shù)越來越受到人們的重視，并在海底作業(yè)中發(fā)揮著越來越 重要的作用。例如，長時(shí)期潛伏于水下的銷系潛器系統(tǒng)，可用于長時(shí)間監(jiān)測記錄海洋環(huán)境噪 聲，并具有探測、定位、記錄過往艦船目標(biāo)信息和遠(yuǎn)程通信的功能，是海洋環(huán)境監(jiān)測的一種 重要裝備。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有純方位目標(biāo)運(yùn)動(dòng)定位方法所存在的不足，本發(fā)明的目的是針對運(yùn)動(dòng)目標(biāo) 相鄰移動(dòng)距離不相等的一般情況，充分利用簡單的平面幾何關(guān)系和自時(shí)差測量方程，W及 迭代計(jì)算方法，完整和準(zhǔn)確的給出了求解運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航向角、移動(dòng)速度和移動(dòng)時(shí)差、目標(biāo)與觀 測站之間徑向距離等參量的解析計(jì)算公式，所提出的新方法突破了在一般情形下，固定單 站純方位無源探測僅能獲得目標(biāo)航向，W及速度與初始距離比值的局限性。
[0006] 現(xiàn)有的純方位目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析的研究歷史似乎是十分復(fù)雜而又艱難的，其經(jīng)典的求 解方法之所W得不到完整的定位解。原因在于僅利用了距離與速度之間的關(guān)系。事實(shí)上， 必須注意的事實(shí)是；在現(xiàn)有的純方位目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析中是包含有目標(biāo)移動(dòng)時(shí)差測量的，因此， 基于幾何和時(shí)差約束條件，通過D0A和T0A測量，固定單站的純方位無源定位是完全能被解 析分析的，且通過一次迭代計(jì)算，即可消除在自時(shí)差測量方程中所存有的不穩(wěn)定特性，并獲 得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。
[0007] 本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[000引假設(shè)移動(dòng)目標(biāo)近似勻速直線運(yùn)動(dòng)，首先利用自時(shí)差方程和前置角與觀測方位角之 間的幾何關(guān)系證明目標(biāo)端相鄰移動(dòng)距離之比能間接地由觀測處相鄰觀測時(shí)差之比近似估 算；然后，利用前置角與觀測方位角之間的幾何關(guān)系解出目標(biāo)端的前置角和目標(biāo)的航向角。 隨后的分析表明，一旦利用近似估算所得到的前置角來直接解算目標(biāo)端相鄰移動(dòng)距離的比 值，并再次利用前置角與觀測方位角之間的幾何關(guān)系進(jìn)行一次迭代計(jì)算，則即可獲得準(zhǔn)確 度足夠高的前置角，且由此就能直接從自時(shí)差方程準(zhǔn)確的求得移動(dòng)目標(biāo)的各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
[0009] 具體包括W下步驟：
[0010] 步驟1、測向基準(zhǔn)
[0011] 固定單站可利用其它定位裝置或定位系統(tǒng)確定自身的地理位置，并設(shè)定測向基 準(zhǔn)，測向基準(zhǔn)和地理位置坐標(biāo)可在初始安置固定觀測站時(shí)利用外置設(shè)備設(shè)定，亦能在固定 單站觀測平臺(tái)上直接安置相關(guān)的用于確定測向基準(zhǔn)及地理位置坐標(biāo)的模塊或系統(tǒng)，對于極 為簡單的應(yīng)用場合，測向基準(zhǔn)和地理位置的設(shè)定也可被省略；
[0012] 步驟2、目標(biāo)方位的測量
[0013] 利用測向設(shè)備連續(xù)探測目標(biāo)的方位01，且在假定目標(biāo)近似為勻速直線運(yùn) 動(dòng)的條件下，測向單元至少必須連續(xù)進(jìn)行H次測向，由此亦能獲得方位的相鄰角度差 A目i=目i+i_目i ;
[0014] 步驟3、觀測時(shí)差的測量
[0015] 在測量及記錄目標(biāo)方位的同時(shí)，利用時(shí)間記錄設(shè)備檢測和記錄時(shí)間的絕對值Ti， 并由此獲得兩次相鄰測向之間的觀測時(shí)差A(yù)Ti=Tw-Ti ;
[0016] 步驟4、目標(biāo)端相鄰移動(dòng)距離比值的近似估計(jì)
[0017] 在通過測向和自時(shí)差檢測獲得H組數(shù)據(jù)序列；方位角0 1、方位角差A(yù) 0 i和觀測 時(shí)差A(yù) Ti的基礎(chǔ)上，利用幾何關(guān)系和自時(shí)差方程證明目標(biāo)端相鄰移動(dòng)距離di之比近似等于 觀測處相鄰觀測時(shí)差A(yù) Ti之比： 凹\ ^1、
[001引今巧U) d、 at；
[0019] 步驟5、目標(biāo)前置角的近似解析計(jì)算
[0020] (1)利用目標(biāo)處的相鄰移動(dòng)距離之比和前置角、觀測方位角之間的函數(shù)關(guān)系解出 目標(biāo)的前置角目：
[0021]

【權(quán)利要求】
1. 一種固定單站無源定位方法，其特征在于通過連續(xù)檢測移動(dòng)目標(biāo)的方向、w及兩次 測向之間的觀測時(shí)差，即可完整和正確的獲得移動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無源定位方法，其特征是，在假定目標(biāo)近似為勻速直線運(yùn) 動(dòng)的條件下，測向單元至少連續(xù)H次檢測移動(dòng)目標(biāo)的信號(hào)方向0 1，并在測量及記錄目標(biāo) 方位的同時(shí)，利用時(shí)間記錄設(shè)備檢測和記錄時(shí)間的絕對值Ti，由此獲得方位的相鄰角度差 A 0 1= 0 目i和兩次相鄰測向之間的觀測時(shí)差A(yù)Ti=Tw-Ti。
3. 基于權(quán)利要求2所述的測量結(jié)果，其特征是： (1) 先利用幾何關(guān)系和自時(shí)差方程證明目標(biāo)端相鄰移動(dòng)距離di之比近似等于觀測處相 鄰觀測時(shí)差A(yù) Ti之比：
(1) (2) 隨后利用目標(biāo)處的相鄰移動(dòng)距離之比和前置角、觀測方位角之間的函數(shù)關(guān)系解出 目標(biāo)端的前置角：
(3) 進(jìn)一步由觀測方位角差A(yù) 0 1，可獲得目標(biāo)在其余位置處的前置角： 目1=目廠A 0 1 (3A) 目 3=目 2+ A 0 2 (3B) (4) 再由內(nèi)外角關(guān)系；a = 0 目1，解出目標(biāo)的航向角a，在目標(biāo)前置角0<目1<180° 時(shí)，航向角的計(jì)算式為：
在目標(biāo)前置角90<目1<180°時(shí)，航向角為：
4. 如權(quán)利要求1所述的無源定位方法，其特征在于： (1)利用近似估計(jì)得到的前置角，按下式直接求解目標(biāo)移動(dòng)距離的比值：
上式中在相鄰徑向距離之間的比值和在移動(dòng)距離與徑向距離之間的比值是：



(2)在直接求得目標(biāo)相鄰移動(dòng)距離比值的基礎(chǔ)上，再次利用前置角、觀測方位角之間的 函數(shù)關(guān)系即可解出準(zhǔn)確性更好的目標(biāo)前置角：
5.基于權(quán)利要求4利用迭代計(jì)算所得到的前置角，其特征是，先重新計(jì)算在相鄰徑向 距離之間的比值和在移動(dòng)距離與徑向距離之間的比值，隨后按下列各式解算目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參 數(shù)： (1) 目標(biāo)的移動(dòng)速度
式中；V。為聲速。 (2) 目標(biāo)的移動(dòng)時(shí)差
(3) 目標(biāo)與觀巧IJ站之間的徑向距離



【文檔編號(hào)】G01S5/18GK104422921SQ201310369622
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月22日
【發(fā)明者】郁濤 申請人:郁濤