本發(fā)明屬于電子信息技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種通過多個(gè)觀測站對目標(biāo)的一維測向來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的三維定位的方法。

背景技術(shù)：

無線定位技術(shù)基于對信號的不同度量方式，可分為測距定位、測向定位以及慣性定位等。其中測向定位方法由于其可探測距離遠(yuǎn)，隱蔽性好等特性，在無線電探測等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。

傳統(tǒng)的測向定位方法，每個(gè)觀測站利用線陣或面陣分別對目標(biāo)進(jìn)行一維或二維測向，然后結(jié)合觀測站的地理坐標(biāo)進(jìn)行交叉定位，計(jì)算目標(biāo)位置的二維坐標(biāo)或三維坐標(biāo)。使用現(xiàn)有的測向定位方法對目標(biāo)進(jìn)行三維定位，需要每個(gè)觀測站使用面陣同時(shí)測量目標(biāo)的方位角和俯仰角，導(dǎo)致布設(shè)的天線陣列成本較高，且難以布設(shè)在某些特定的狹窄區(qū)域內(nèi)。但是，通過多個(gè)觀測站對目標(biāo)的一維測向來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的三維定位的方法尚未有發(fā)明專利公開。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對背景技術(shù)中目標(biāo)三維測向定位需要每個(gè)觀測站用面陣同時(shí)測量目標(biāo)的方位角和俯仰角的問題，利用多個(gè)觀測站的線陣與x軸的夾角的不同，彌補(bǔ)了線陣無法測量目標(biāo)俯仰角的不足，使每個(gè)觀測站只需要利用線陣測量目標(biāo)的方位角也能實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的三維定位。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：首先，將觀測站放置于地平面上，初始化確定觀測站數(shù)目n以及每個(gè)觀測站位置坐標(biāo)bn，確定每個(gè)觀測站線陣的陣元個(gè)數(shù)m以及陣元間距d，確定每個(gè)觀測站的線陣與地平面直角坐標(biāo)x軸的夾角αn以及信號中心頻率f；然后，每個(gè)觀測站利用線陣接收目標(biāo)信號，每個(gè)線陣獲得接收信號向量sn；其次，將(-1,1)區(qū)間等分成l個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)gi∈(-1,1)，構(gòu)造方向向量a(gi)并分別與每個(gè)觀測站的線陣的接收信號向量sn作相關(guān)得到每個(gè)線陣測向的代價(jià)函數(shù)cn(gi)；接著，對網(wǎng)格點(diǎn)gi進(jìn)行一維搜索，找出使得代價(jià)函數(shù)cn(gi)取最大值對應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)gi，得到每個(gè)線陣對目標(biāo)方位角的估計(jì)然后利用每個(gè)觀測站坐標(biāo)bn、每個(gè)線陣與地平面直角坐標(biāo)x軸夾角αn以及每個(gè)線陣對目標(biāo)方位角的估計(jì)建立方程組；最后，對方程組進(jìn)行偽線性處理后得到線性方程組的矩陣形式pμ＝q，并計(jì)算線性方程組的最小二乘解利用最小二乘解得到目標(biāo)位置的三維坐標(biāo)估計(jì)

一種基于一維測向的三維定位方法，具體步驟如下：

s1、將觀測站放置于地平面上，初始化確定觀測站數(shù)目n以及每個(gè)觀測站位置坐標(biāo)bn，確定每個(gè)觀測站線陣的陣元個(gè)數(shù)m以及陣元間距d，確定每個(gè)觀測站的線陣與地平面直角坐標(biāo)x軸的夾角αn以及信號中心頻率f，其中，n＝1,2,...,n；

s2、每個(gè)觀測站利用線陣接收目標(biāo)信號，第n個(gè)觀測站的線陣獲得接收信號向量sn；

s3、將(-1,1)區(qū)間等分成l個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)gi∈(-1,1)，構(gòu)造方向向量并分別與第n個(gè)觀測站的接收信號向量sn作相關(guān)得到第n個(gè)觀測站的線陣測向的代價(jià)函數(shù)cn(gi)為cn(gi)＝|a^h(gi)sn|，其中，^t表示向量的共軛轉(zhuǎn)置，^h表示向量的共軛轉(zhuǎn)置，i＝1,2,...,l；

s4、對網(wǎng)格點(diǎn)gi進(jìn)行一維搜索，找出使得代價(jià)函數(shù)cn(gi)取最大值對應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)gi，得到第n個(gè)觀測站的線陣對目標(biāo)方位角的估計(jì)為

s5、利用每個(gè)觀測站坐標(biāo)bn、每個(gè)線陣與地平面直角坐標(biāo)x軸夾角αn以及每個(gè)觀測站的線陣對目標(biāo)方位角的估計(jì)建立方程組

其中，

s6、對方程組進(jìn)行偽線性處理后得到線性方程組的矩陣形式pμ＝q，并計(jì)算線性方程組的最小二乘解利用最小二乘解得到目標(biāo)位置的三維坐標(biāo)估計(jì)其中，

q＝(q1,q2,...,qn)^t。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明利用多個(gè)觀測站的線陣與x軸的夾角的不同，彌補(bǔ)了線陣無法測量目標(biāo)俯仰角的不足，使每個(gè)觀測站只需要利用線陣對測量目標(biāo)的方位角，就可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的三維定位，將三維定位所需的天線陣列降到一維，不僅降低了天線陣列的成本和測向系統(tǒng)的復(fù)雜度，還解決了一維以上陣列難以布設(shè)在某些特定的狹窄區(qū)域內(nèi)的問題。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明方法進(jìn)行進(jìn)一步說明。

本實(shí)施方式以7個(gè)位置已知的觀測站和1個(gè)需要在三維平面進(jìn)行定位的目標(biāo)為例，每觀測站位置坐標(biāo)分別為(236.9,-254.3,0)、(2.4,-250.6,0)、(37.3,-114.1,0)，(173.6,213.2,0)、(-89.4,-15.4,0)、(-167.8,-105.4,0)、(193.6,-23.9,0)(單位:米)，每個(gè)觀測站具有一個(gè)5陣元均勻線陣，陣元間距為0.5米，每個(gè)線陣與地平面直角坐標(biāo)x軸的夾角分別為(4.2360；3.6069；5.2956；0.4764；1.6327；4.3201；2.7175)(單位:弧度)，信號中心頻率為300mhz以及目標(biāo)位置的三維坐標(biāo)為(623.7,346.0,810.3)(單位:米)。

在本實(shí)施方式中，實(shí)施本發(fā)明的目的就是利用多個(gè)不同位置的觀測站對目標(biāo)的一維測向完成目標(biāo)的三維定位，將三維定位所需的天線陣列降到一維，不僅降低了天線陣列的成本和測向系統(tǒng)的復(fù)雜度，還解決了一維以上的陣列難以布設(shè)在某些特定的狹窄區(qū)域內(nèi)的問題。

本發(fā)明的具體實(shí)施方式的流程如下：

步驟1：將觀測站放置于地平面上，初始化確定觀測站數(shù)目(n)為7，以及觀測站位置坐標(biāo)(bn)分別為(236.9,-254.3,0)、(2.4,-250.6,0)、(37.3,-114.1,0)，(173.6,213.2,0)、(-89.4,-15.4,0)、(-167.8,-105.4,0)、(193.6,-23.9,0)(單位:米)，確定每個(gè)觀測站線陣的陣元個(gè)數(shù)(m)為5，以及陣元間距(d)為0.5米，確定第n個(gè)線陣與地平面直角坐標(biāo)x軸的夾角(αn)分別為(4.2360，3.6069，5.2956，0.4764，1.6327，4.3201，2.7175)以及信號中心頻率(f)為300mhz；

步驟2：7個(gè)觀測站利用線陣接收目標(biāo)信號，每個(gè)線陣獲得的接收信號向量(sn)分別為

步驟3：將(-1,1)區(qū)間等分成(l)為2001個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)gi∈(-1,1),i＝1,2,...,2001，構(gòu)造方向向量(a(gi))為并分別與7個(gè)線陣接收信號向量sn作相關(guān)得到每個(gè)線陣測向的代價(jià)函數(shù)cn為cn(gi)＝|a^h(gi)sn|,n＝1,2,...,7；

步驟4：對網(wǎng)格點(diǎn)(gi)進(jìn)行一維搜索，找出使得代價(jià)函數(shù)(cn(gi))取最大值對應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)(gi)，得到7個(gè)線陣對目標(biāo)方位角的估計(jì)分別為(0.6580，0.6960，0.0560，-0.4920，-0.2780，0.5900，0.2420)；

步驟5：利用每個(gè)觀測站坐標(biāo)(bn)、每個(gè)線陣與地平面直角坐標(biāo)x軸夾角(αn)以及每個(gè)觀測站的線陣對目標(biāo)方位角的估計(jì)建立方程組為

其中

步驟6：對方程組進(jìn)行偽線性處理后得到線性方程組的矩陣形式為pμ＝q，其中

q＝[3853218289-13378-45241539-12443-32515]^t

計(jì)算線性方程組的最小二乘解為利用最小二乘解得到目標(biāo)位置的三維坐標(biāo)估計(jì)為(單位:米)。

定義目標(biāo)的絕對定位誤差為目標(biāo)的定位位置坐標(biāo)與目標(biāo)的實(shí)際位置坐標(biāo)之間的距離。在本實(shí)施例中，目標(biāo)的實(shí)際位置坐標(biāo)為(623.7,346.0,810.3)(單位:米)，可見，實(shí)施本發(fā)明方法的絕對定位誤差等于23.811米。