一種機載多主動雷達測距的地面物體高精度定位方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種機載多主動雷達測距的地面物體高精度定位方法，尤其涉及一種 基于多主動雷達組網(wǎng)通過對物體的測距信息對地面物體進行定位解算的方法，屬于物體探 測技術領域。
【背景技術】
[0002] 對地面物體的高精度定位，在諸多民用系統(tǒng)中具有極其重要的意義，可以為物體 提供可靠的服務，起到安全保障作用。目前的機載雷達對地面物體的定位方法主要包括以 下兩種：單個主動雷達定位、基于輻射源的多雷達協(xié)同無源定位。其中機載單個主動雷達定 位是通過測量物體相對于飛機的方位角、俯仰角和距離，輔以飛機的位置信息實現(xiàn)對物體 的定位；基于輻射源的多雷達無源定位通過多個雷達組網(wǎng)接收輻射源信號源到達各機載被 動雷達接收機之間的時間差以及飛機的位置信息來最終確定物體的位置。
[0003] 單個主動雷達定位精度易受平臺的位置參數(shù)、平臺的姿態(tài)信息、雷達測角信息、雷 達測距信息等多個因素影響，特別是平臺的姿態(tài)誤差和雷達的測角信息受外部環(huán)境的影響 較大難以實現(xiàn)對物體的精確定位?；谳椛湓吹亩嗬走_無源定位僅與平臺的位置信息、輻 射源到雷達的時間及各平臺的時間同步相關，該方法具有作用距離遠，隱蔽性好等優(yōu)點，但 是該方法要求跟蹤物體必須輻射相應的電磁波，對無輻射源物體或者雷達靜默的物體無法 實現(xiàn)定位。本發(fā)明采用多個機載主動雷達組網(wǎng)實現(xiàn)對地面物體的定位，該方法的解算結果 僅與平臺位置信息、雷達測距信息和平臺的時間同步相關，與平臺的姿態(tài)和雷達的測角信 息無關，其定位原理與基于福射源的多雷達無源定位原理相似定位的精度較高，且對自身 沒有輻射源的物體也可以高精度定位，目前該方法還未見報道。
[0004] 目前，國內(nèi)的機載主動雷達定位都是基于單個機載雷達，通過載機的導航信息和 雷達的測量信息解算物體的位置，如《雷達科學與技術》2011年第1期第9卷發(fā)表的"機載 雷達探測精度評估方法研宄"對載機的導航誤差（載機的定位精度、姿態(tài)角誤差）和機載雷 達本身的量測誤差（距離誤差、方位角誤差和俯仰角誤差）在機載雷達探測數(shù)據(jù)在不同坐 標系中的影響進行系統(tǒng)分析。國內(nèi)的機載多雷達協(xié)同定位都是基于物體是有輻射源的無源 定位，通過解算物體到多個機載雷達之間的時差實現(xiàn)定位，如《電子信息對抗技術》2012年 第4期發(fā)表的"一種機載無源雷達組網(wǎng)定位技術" 一文，主要提出了一種戰(zhàn)斗機機載無源雷 達協(xié)同組網(wǎng)測時差定位的策略，分析了影響多機協(xié)同高度假設測時差定位算法的定位精度 的因素，該文章是對多個機載被動雷達組網(wǎng)實現(xiàn)對地面物體進行定位的算法進行研宄，解 決的是基于有輻射源物體的高精度定位問題，沒有涉及到主動雷達組網(wǎng)對物體定位算法的 研宄。上述的研宄內(nèi)容和成果與本發(fā)明的實現(xiàn)方法不同，與本發(fā)明的權利要求沒有沖突。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的上述不足，提供一種機載多主動雷達測距的地 面物體高精度定位方法，該方法解決了目前機載主動雷達受載機姿態(tài)和雷達測角信息影響 較大、基于輻射源的多雷達無源定位對物體的輻射源有要求等問題，實現(xiàn)對地面靜止物體 和慢速移動物體的高精度定位。
[0006] 本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現(xiàn)的：
[0007] 一種機載多主動雷達測距的地面物體高精度定位方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟（一）、采用三架無人機對同一地面物體進行搜索，將首先搜索到所述地面物 體的無人機定義為主機，主機根據(jù)在WGS-84坐標系中自身的位置坐標、對物體的測距值和 對物體的測角值解算出所述地面物體的位置坐標S(l，并將位置坐標\發(fā)送給其余兩架無人 機，其余兩架無人機根據(jù)位置坐標\對所述地面物體進行搜素，當搜索到地面物體后，其余 兩架無人機將對地面物體的測距值和無人機在WGS-84坐標系中自身的位置坐標發(fā)送給 主機；
[0009]步驟（二）、設主機在WGS-84坐標系中自身的位置坐標為Pi(Xl，yi，Zl)、其余兩架 無人機自身的位置坐標分別為P2 (x2,y2,z2)，P3 (x3,y3,z3)，主機對地面物體的測距值為A， 其余兩架無人機對地面物體的測距值分別為r2,r3,求解地面物體的位置坐標S(x，y，z)，具 體方法如下：
【主權項】
1. 一種機載多主動雷達測距的地面物體高精度定位方法，其特征在于：包括如下步 驟： 步驟（一）、采用三架無人機對同一地面物體進行搜索，將首先搜索到所述地面物體 的無人機定義為主機，主機根據(jù)在WGS-84坐標系中自身的位置坐標、對物體的測距值和對 物體的測角值解算出所述地面物體的位置坐標S tl，并將位置坐標Stl發(fā)送給其余兩架無人 機，其余兩架無人機根據(jù)位置坐標Stl對所述地面物體進行搜素，當搜索到地面物體后，其余 兩架無人機將對地面物體的測距值和無人機在WGS-84坐標系中自身的位置坐標發(fā)送給主 機； 步驟（二）、設主機在WGS-84坐標系中自身的位置坐標為P1 (X1，yi，Z1)、其余兩架無人 機自身的位置坐標分別為Pjxy zJ，h，z3)，主機對地面物體的測距值為ri，其余 兩架無人機對地面物體的測距值分別為r 2, r3,求解地面物體的位置坐標S (X，y，z)，具體方 法如下：
其中屯，d2, d3均為中間變量，無含義；X，Y，Z均為中間變量，無含義；a九，Cl，a2, b2, C2 均為中間變量，無含義； 結合式⑴和式⑵可以得到： Cl1= X2+Y2+Z2 (3) d2= (X_a D2+(YHd1) 2+(Z-C1)2 (4) d3 = (X_a 2)2+ (Y_b2)2+ (Z-C2)2 (5) 令式（3)減去式⑷得到式（7)，式（3)減去式（5)得到式（8): Cl1= X2+Y2+Z2 (3) Cl1-C^a1Wb1Wc12= 2a 4+213,+2(^ (7) dfC^+aJ+bZ+c/= 2a 2X+2b2Y+2c2Z (8) 令02= ((!「c^+aJ+bJ+cD/^Ds= (d「d3+a22+b22+c 22)/2,則上式變?yōu)椋? Cl1= X2+Y2+Z2 (3) D2= a iX+bJ+CiZ (10) D3= a2X+b2Y+c2Z (11) 其中D2, D3均為中間變量，無含義； 聯(lián)立式（10)和式（11)可以得出如下公式： X = (h2D2-hJ)3) / (h2a1~a2h^ + Ch1C2-C^2) / (b2a1-a2b1)Z (12) Y = (B2D2-B1D3)/ (a2b1-b2a1) + (B1C2-Cja2) / (a2b1-b2al)Z (13)
其中β，δ，U均為中間變量，無含義； 舍去Z為負數(shù)的值，將Z的值分別代入式（12)和式（13)即可解得X，Y的值，根據(jù)式 (2)進一步解算出地面物體的坐標S (X，y，z)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種機載多主動雷達測距的地面物體高精度定位方法，其特 征在于：所述無人機上加裝探測載荷為主動單脈沖雷達；無人機的自身位置坐標通過GPS 測量得到；其余無人機向主機通過機載數(shù)據(jù)鏈傳輸自身的位置坐標和對地面物體的測距 值；三架無人機的時間同步通過GPS授時實現(xiàn)。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種機載多主動雷達測距的地面物體高精度定位方法，其特 征在于：所述三架無人機自身的位置坐標和對地面物體的測距值均為同一時刻的測量值。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種機載多主動雷達測距的地面物體高精度定位方法，其特 征在于：所述步驟（一）中若兩架無人機同時搜索到地面物體，定義其中一架無人機為主 機，主機根據(jù)在WGS-84坐標系中自身的位置坐標、對地面物體的測距值和對地面物體的測 角值解算出所述地面物體的位置坐標S tl，并將位置坐標Stl發(fā)送給未搜索到地面發(fā)現(xiàn)物體的 無人機，所述未搜索到地面發(fā)現(xiàn)物體的無人機根據(jù)位置坐標S tl對地面物體進行搜素，搜索 到地面物體后將無人機對地面物體的測距值和無人機在WGS-84坐標系中自身的位置坐標 發(fā)送給主機；同時另外一架搜索到地面物體的無人機也將對地面物體的測距值和無人機在 WGS-84坐標系中自身的位置坐標發(fā)送給主機。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種機載多主動雷達測距的地面物體高精度定位方法，其特 征在于：所述步驟（一）中若三架無人機同時搜索到地面物體，定義其中一架無人機為主 機，其余兩架無人機將對地面物體的測距值和無人機自身在WGS-84坐標系的位置坐標發(fā) 送給主機。
6. 根據(jù)權利要求1所述的一種機載多主動雷達測距的地面物體高精度定位方法，其特 征在于：所述地面物體包括地面靜止物體和地面移動物體。
7. 根據(jù)權利要求1所述的一種機載多主動雷達測距的地面物體高精度定位方法，其特 征在于：所述步驟（一）中采用三架以上無人機對同一地面物體進行搜索和定位解算。
8. 根據(jù)權利要求1所述的一種機載多主動雷達測距的地面物體高精度定位方法，其 特征在于：采用步驟（一）與步驟（二）的解算方法得到一系列地面物體的位置坐標Sn S2......Sk，對位置坐標Si、S2......Sk進行最小二乘濾波處理得到地面物體的最終位置點 § , k為測量次數(shù)，具體方法如下： (1) 、地面物體的最終位置點S作為量測值，地面物體位置坐標SpS2......Sk作為測量 值，二者之間的關系式為：
將式（19)寫成矩陣形式為：
其中V是物體速度的矩陣形式，H是測量矩陣，§為測量值的矩陣表述形式，對于勻速直 線運動的物體，H矩陣表現(xiàn)形式為：
其中At為時間間隔； 由上式（20)可得：V = §-H§; (2) 、根據(jù)最小二乘濾波，選擇地面物體的最終位置點S使得誤差平方和最小，誤差平 方和的表示形式為：
求Q的極小值：
令上式等于0,可知：
即S為地面物體的最終位置點。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種機載多主動雷達測距的地面物體高精度定位方法，通過采用多主動雷達對物體交匯定位的方法，利用平臺的位置信息和雷達的測距信息建立空間解析幾何模型，通過求解方程組直接解算出物體點的大地坐標系位置信息，不涉及傳統(tǒng)方法中利用時間差求解高次方程組和迭代初值的問題，大大降低了計算復雜度，并顯著提高了定位精度；解決了目前機載主動雷達受載機姿態(tài)和雷達測角信息影響較大、基于輻射源的多雷達無源定位對物體的輻射源有要求等問題，實現(xiàn)對地面靜止物體和慢速移動物體的高精度定位。
【IPC分類】G01S13-42
【公開號】CN104535993
【申請?zhí)枴緾N201410683350
【發(fā)明人】顧鑫, 王 華, 張堯, 李瀟, 費智婷, 姜鵬, 鄧志均, 岑小鋒
【申請人】中國運載火箭技術研究院
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年11月24日