时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法

本发明涉及时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，属于雷达目标测距定位领域。

背景技术：

1、坐标配准是雷达信号处理和数据处理的重要组成部分，其定义有两类，一类特指目标定位，即将目标在雷达空间中位置转换为其在地理空间中的位置；另一类指将目标在雷达空间中的量测矢量转换为其在地理空间中的状态矢量，这不仅包括目标定位，还包括目标多普勒速度以及方位角的转换，是一种广义的定义。

2、天发船收高频雷达综合了天波超视距雷达和地波超视距雷达的特点，具有天波作用距离远、覆盖范围大、抗隐身、抗反辐射导弹和地波传播稳定等优点，同时由于其雷达发射机一般位于内陆地区，接收机位于舰船上，因此舰船能在无线电静默的条件下获得电磁支援，这在远洋航行中具有重大战术意义。

3、目前关于天发船收高频雷达广义上的坐标配准的研究甚少，现有的模型多是参考天波超视距雷达解决目标定位问题，且大多数天波雷达目标定位方法均假设电离层高度恒定，与雷达实际探测中电离层高度随时间发生缓慢变化的状态不符，影响定位精度。因此，需要根据坐标配准的广义定义提出一种时变电离层下基于球面量测模型的目标定位方法。

技术实现思路

1、针对现有雷达目标定位中假设电离层高度恒定，影响定位精度的问题，本发明提供一种时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法。

2、本发明的一种时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，包括：

3、建立以雷达发射站为原点的空间直角坐标系xyz，其中雷达发射站、接收站和目标所在平面为空间直角坐标系的xoy平面；基于空间直角坐标系xyz下目标与雷达发射站的直线距离、目标与接收站的直线距离及雷达发射站与接收站的直线距离计算在大地坐标系下雷达发射站与接收站的距离、雷达发射站与目标的距离及接收站与目标的距离；

4、基于时变电离层的高度和目标状态向量建立系统量测方程；所述量测方程建立了地理坐标系和雷达坐标系的转换关系；所述雷达坐标系以雷达发射站为原点建立；

5、计算雷达坐标系下的雷达信号传播路径长度、目标多普勒频率和目标方位角；再结合空间直角坐标系xyz和大地坐标系下各距离的计算结果，计算得到目标在雷达坐标系下的量测矢量；将目标在雷达坐标系下的量测矢量转换到地理坐标值下，得到地理坐标系下的目标状态向量；再基于目标状态向量更新系统量测方程。

6、根据本发明的时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，空间直角坐标系xyz下目标与雷达发射站的直线距离、目标与接收站的直线距离及雷达发射站与接收站的直线距离的计算方法为：

7、

8、式中lρ为目标与雷达发射站的直线距离，ld为雷达发射站与接收站的直线距离，为目标与接收站的直线距离，xt为空间直角坐标系xyz下目标的x轴坐标，yt为空间直角坐标系xyz下目标的y轴坐标，xr为空间直角坐标系xyz下接收站的x轴坐标，yr为空间直角坐标系xyz下接收站的y轴坐标。

9、根据本发明的时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，大地坐标系下雷达发射站与接收站的距离、雷达发射站与目标的距离及接收站与目标的距离的计算方法为：

10、

11、式中d为雷达发射站与接收站的距离，ρ为雷达发射站与目标的距离，r1为接收站与目标的距离，r0为地球的平均半径。

12、根据本发明的时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，建立系统量测方程为：

13、

14、式中zm(t)为雷达坐标系下目标量测向量，x(t)为地理坐标系下目标状态向量，t为时刻，hm为量测转换矩阵，为电离层平均高度，为e层电离层高度，为f层电离层高度，wm(t)为量测非高斯白噪声，m为传播模式，其中m＝1为e层电离层传播模式，m＝2为f层电离层传播模式。

15、根据本发明的时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，量测非高斯白噪声wm(t)通过计算wm(t)的协方差矩阵确定：

16、

17、式中cov{wm(t)}表示wm(t)的协方差矩阵，rs表示传感器噪声，为反映电离层随机抖动的非高斯白噪声：

18、

19、式中为雷达信号传播路径长度量测误差，为目标多普勒频率量测误差，为目标方位角量测误差；

20、

21、式中jμ为基于电离层高度h的雅可比矩阵，为由t时刻到t+1时刻的目标状态向量估计值，p(t+1∣t)为基于的目标状态协方差矩阵；

22、

23、式中f(t)为状态转移矩阵；

24、

25、式中μh为电离层高度均值，hx11、hx21和hx31为矩阵中三个元素：

26、

27、hx31＝0

28、式中r0为雷达信号由雷达发射站到电离层或由电离层到目标的距离。

29、根据本发明的时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，不考虑电离层斜射的天波传播路径长度为2r0：

30、

31、根据本发明的时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，雷达信号传播路径长度、目标多普勒频率和目标方位角的计算方法为：

32、

33、式中rg为雷达信号传播路径长度，rr为目标多普勒频率，az为目标方位角，为接收站航行方向与x轴正方向夹角，θtr为目标与雷达发射站连线与x轴正方向夹角。

34、根据本发明的时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，目标多普勒频率rr的计算值为：

35、

36、本发明的有益效果：本发明用于雷达目标测距定位中球面量测模型下的坐标配准，通过对天波发射地波接收的雷达信号传播轨迹建模分析，同时对电离层时变高度进行建模分析，并且考虑到地球的曲率，进行坐标配准，可根据雷达发射机和接收机以及雷达目标回波信号确定目标的地理位置和运动速度。

37、经实验验证，本发明方法对目标定位距离误差均值约在6km，相对传统方法对目标定位精度可提高约14.3％左右。验证了本发明方法考虑时变电离层得到的定位结果精度更高。

技术特征：

1.一种时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，其特征在于，

8.根据权利要求7所述的时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，其特征在于，

9.根据权利要求8所述的时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，其特征在于，

10.根据权利要求9所述的时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，其特征在于，

技术总结
一种时变电离层下基于球面模型的混合传播高频雷达目标定位方法，属于雷达目标测距定位领域。本发明针对现有雷达目标定位中假设电离层高度恒定，影响定位精度的问题。包括建立空间直角坐标系和雷达坐标系；基于目标与雷达发射站的直线距离、目标与接收站的直线距离及雷达发射站与接收站的直线距离计算在大地坐标系下对应距离；计算雷达坐标系下雷达信号传播路径长度、目标多普勒频率和目标方位角；结合空间直角坐标系和大地坐标系下各距离计算结果，计算目标在雷达坐标系下的量测矢量，再转换到地理坐标值下，得到地理坐标系下的目标状态向量；基于目标状态向量更新系统量测方程。本发明用于雷达目标定位。

技术研发人员：位寅生,袁子寅,于雷
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5