基于中低轨道卫星融合的空时模型直接定位方法和系统与流程

本发明属于星载无源定位，具体涉及一种基于中低轨道卫星融合的空时模型直接定位方法和系统。

背景技术：

1、无源定位是定位技术领域中非常重要的研究方向，其隐蔽性较强、作用范围广、定位效果好，在民用和军用领域中有着至关重要的作用。其中，依托卫星平台和信号处理技术的高精度星载无源定位技术不受领土、领空、领海及天气等因素的限制，具有作用距离长、环境适应能力强、覆盖范围大等优势，因此具有广阔的应用前景，受到各国学者的广泛关注和高度重视。

2、由于中低轨卫星距离地面较近，信号传输时间短、延迟小，因此基于中低轨道卫星的无源定位技术特别适合需要快速响应的应用，例如紧急救援、交通导航等领域。此外，中低轨卫星系统中通常涉及多颗卫星，星间可进行通信组网，具备较强的全球覆盖能力，因此其信号的稳定性较好，可以有效抵抗噪声和射频干扰。

3、然而，目前基于中低轨道卫星融合的无源定位方法仍存在以下不足：(1)现有的星载无源定位方法多采用经典的两步法定位，这类两步法定位方法因为需要获取中间参数，忽略了每个卫星观测站接收的信号都来自于同一个目标这一基本事实，进而丢失了各个卫星观测站之间接收信号的关联性，导致定位结果难以达到最优解，定位精度严重受限；(2)相对于地面静止目标而言，中低轨道卫星在地球上空处于高速运动状态，其产生的严重的多普勒效应将引入定位误差，从而降低定位性能。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：本发明的目的在于提供一种基于中低轨道卫星融合的空时模型直接定位方法和系统，能够有效利用多普勒频移信息，并有效提升在低信噪比情况下的定位精度。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于中低轨道卫星融合的空时模型直接定位方法，包括：

3、利用任一颗卫星对地面辐射源进行测向定位，找到地面辐射源的粗略估计范围，将粗略估计范围确定为待搜索区域；

4、建立存在多普勒频移的中低轨道卫星观测站接收地面辐射源信号的卫星接收数据模型；

5、根据所述卫星接收数据模型，利用多普勒频移信息，创建空时导向矢量，建立所述卫星接收数据模型的接收数据空时模型；

6、利用所述接收数据空时模型，计算采样协方差矩阵；根据最小二乘估计准则，得到单地面辐射源估计的最大似然估计器目标函数；

7、根据所述单地面辐射源估计的最大似然估计器目标函数，引入最优权矢量，根据最小方差无失真响应准则求得权矢量，获得基于最小方差无失真准则的目标函数；

8、根据目标函数值绘制空间谱图，进行谱峰搜索，确定地面辐射源位置。

9、进一步的，所述存在多普勒频移的中低轨道卫星观测站接收地面辐射源信号的卫星接收数据模型，包括：

10、第n颗卫星接收的地面辐射源信号数据建模表示为：

11、

12、其中，为第n个卫星接收天线阵观测到的第k个采样快拍的矢量数据，m表示卫星上接收天线的阵元数目，k＝0,1,2,...,k-1，共k个采样快拍；

13、pq为第q个地面辐射源的坐标矢量，q＝1,2,...,q，共q个地面辐射源；k、q均为正整数；j为虚部单位；

14、为第q个地面辐射源到达第n个卫星观测站时的导向矢量，由地面辐射源与卫星观测站之间的相对位置关系决定，βn,q表示第q个地面辐射源到达第n个卫星观测站所需的未知的复信道衰减参数；

15、sn,q(k)表示卫星观测站接收到的复高斯信号包络，ts表示为采样间隔时间，为第n个卫星观测站的均值为0的高斯白噪声，fn(pq)为由相对运动引起的多普勒频移：

16、

17、其中，f0为载波频率，为第n个卫星的运动速度矢量，un为第n个卫星当前时刻的位置矢量信息，c为光速。

18、进一步的，所述卫星接收数据模型的接收数据空时模型为：

19、

20、其中，为q个地面辐射源信号：

21、

22、将k个采样快拍划分为l段，

23、

24、系数矩阵

25、所述空时导向矢量为

26、

27、

28、其中，表示矩阵的克罗内积运算。

29、进一步的，利用所述接收数据空时模型，计算采样协方差矩阵；根据最小二乘估计准则，推导单地面辐射源估计的最大似然目标函数，包括：

30、构造最小二乘估计目标函数如下：

31、

32、其中，约束项β为地面辐射源到卫星观测站的路径损耗；

33、使得所述最小二乘估计目标函数最小的发射器p即为地面辐射源的位置：

34、

35、根据最小二乘估计准则，使得所述最小二乘估计目标函数最小的满足：

36、

37、得到最大似然估计器目标函数为：

38、

39、其中，为ml×ml大小的采样协方差矩阵；

40、λmax(·)为取最大特征值操作。

41、进一步的，所述根据所述单地面辐射源估计的最大似然估计器目标函数，引入最优权矢量，根据最小方差无失真响应准则求得权矢量，获得基于最小方差无失真准则的目标函数，包括：

42、根据最小方差无失真响应准则，得到：

43、

44、目标位置满足

45、其中，权函数wopt(β,p)满足：

46、权重向量wopt(β,p)使得除pq外的所有位置的总输出能量最小，使得地面辐射源pq处的信号输出无失真，q＝1,...,q；

47、对进行求解，获得wopt(β,p)的最优解如下：

48、

49、根据wopt(β,p)的最优解，得到基于最小方差无失真准则的目标函数：

50、

51、使得目标函数达到最大值的p为地面辐射源的位置

52、基于上述方法的一种基于中低轨道卫星融合的空时模型直接定位系统，包括：

53、第一模块，用于利用任一颗卫星对地面辐射源进行测向定位，找到地面辐射源的粗略估计范围，将粗略估计范围确定为待搜索区域；

54、第二模块，用于建立存在多普勒频移的中低轨道卫星观测站接收地面辐射源信号的卫星接收数据模型；根据所述卫星接收数据模型，利用多普勒频移信息，创建空时导向矢量，建立所述卫星接收数据模型的接收数据空时模型；

55、第三模块，用于利用所述接收数据空时模型，计算采样协方差矩阵；根据最小二乘估计准则，得到单地面辐射源估计的最大似然估计器目标函数；根据所述单地面辐射源估计的最大似然估计器目标函数，引入最优权矢量，根据最小方差无失真响应准则求得权矢量，获得基于最小方差无失真准则的目标函数；

56、第四模块，用于根据目标函数值绘制空间谱图，进行谱峰搜索，确定地面辐射源位置。

57、本发明与现有技术相比的有益效果是：

58、(1)本发明为了解决现有基于中低轨道卫星的无源定位技术存在的上述不足，本发明提出了一种基于中低轨道卫星融合的空时模型直接定位方法，不需要中间参数估计步骤，具有高精度和参数自动相关联等优点，解决了现有两步定位方法存在的低信噪比下定位效果不理想的问题.

59、(2)本发明针对中低轨道卫星在地球上空高速运动，定位过程中存在较为严重的多普勒效应的问题，本发明方法建立基于到达角和多普勒频移的空时直接定位模型，不仅避免了多普勒造成的定位误差的影响，同时有效地利用运动卫星观测站的多普勒频移信息，提高了定位的精度和分辨率。

60、(3)本发明提供了基于中低轨道卫星融合的空时模型直接定位方法，通过首先使用单颗卫星测向定位的粗估计结果得到直接定位的待搜索区域，减少了搜索范围，降低计算量。相较于现有技术，本发明所提供的方法能够在低信噪比下实现高精度的定位，同时在地面辐射源相隔很近时仍能实现很高的分辨率。

61、(3)本发明的方法定位多地面辐射源时，不需要进行迭代计算，也无需提前估计信源数，减少工程成本。