[发明专利]一种基于方位和自时差测量的固定单站无源定位系统

说明书

技术领域

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

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(BTMA)。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以及时差，仅可以估计出目标的航向角、目标通过航路勾径点的时刻、以及速度与初距的比值。

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。但这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。

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、水下搜索以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锚系潜器系统，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

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，以及迭代计算方法，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，以及速度与初始距离比值的局限性。

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以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DOA和TOA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。

本发明是通过如下技术方案实现的：

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。

具体包括以下步骤：

步骤1、测向基准

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；

步骤2、目标方位的测量

利用测向设备连续探测目标的方位θ_i，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三次测向，由此亦能获得方位的相邻角度差Δθ_i=θ_i+1-θ_i；

步骤3、观测时差的测量

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T_i，并由此获得两次相邻测向之间的观测时差ΔT_i=T_i+1-T_i；

步骤4、目标端相邻移动距离比值的近似估计