[发明专利]空中运动平台对目标的三维无源定位方法

权利要求书

1.一种空中运动平台对目标的三维无源定位方法，包括如下过程：

1）对接收目标散射回波的主站和各个辅站进行时间同步，给目标回波到达时刻的测量提供统一的时间基准，所述主站为空中运动平台，所述辅站为地面上的三个接收站；

2）雷达发射站辐射目标检测所需的电磁波；

3）主站测量并记录雷达发射站直达波的到达时刻T_D0；

4）主站记录目标散射回波的到达时刻t₀，各个辅站记录主站或目标的散射回波的到达时刻s_i,i＝1,2,3；

5）辅站将主站或目标的散射回波的到达时刻s_i,i＝1,2,3连同辅站在全局坐标系下的位置(x_i,y_i,z_i)^T进行编码和调制，并通过无线信道上传到主站，i＝1,2,3，其中()^T表示转置；

6）主站对辅站上传的数据解调和解码后，剔除主站自身产生的回波到达时刻t_Di,i＝1,2,3，并对主站自身进行定位；

7）主站结合目标散射回波到达主站的时刻t₀和辅站上传的目标散射回波到达辅站的时刻t_i,i＝1,2,3对目标进行定位，即将求解目标位置的非线性方程组转化为与其对应的最优化问题，通过求取该最优化问题的最优解得到目标的定位结果

8）将目标在全局坐标系下的定位结果转换为以主站为坐标原点的局部坐标系下的定位结果

2.根据权利要求1所述的空中运动平台对目标的三维无源定位方法，其中步骤7）所述的将求解目标位置的非线性方程组转化为与其对应的最优化问题，通过求取该最优化问题的最优解得到目标的定位结果按如下步骤进行：

7a）将目标到各个辅站的距离R_i,i＝1,2,3，目标到主站的距离R₀，目标散射回波到主站的到达时刻t₀及目标散射回波到各个辅站的到达时刻t_i,i＝1,2,3代入如下三个双叶双曲面方程组:

R0=(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2Ri=(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2ΔRi=Ri-R0=c(ti-t0)+ei---(1)]]>

式中e_i是零均值的量测噪声，i＝1,2,3；

7b）根据最小均方误差准则，将所述三个双叶双曲面方程组的求解转化为如下最优化问题的求解：

u^=argmin[J(u)=Σi=13gi2(u)=gT(u)g(u)]---(2)]]>

式(2)中J(u)是代价函数，g(u)=[g₁,g₂,g₃]^T为辅助函数，u=(x,y,z)^T为目标真实位置，为目标真实位置u的估计值，为目标位置x分量的估计值，为目标位置y分量的估计值，为目标位置z分量的估计值，辅助函数g(u)的各个分量为g_i=R_i-R₀-c(t_i-t₀)-e_i，Ri=(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2,i=1,2,3]]>分别为目标到各个辅站的距离，R0=(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2]]>为目标到主站的距离；

7c）用自适应步长梯度算法对(2)式进行求解，得到目标位置的估计值u^=(x^,y^,z^)T.]]>

3.根据权利要求2所述空中运动平台对目标的三维无源定位方法，其中步骤7c）所述的用自适应步长梯度算法对(2)式进行求解，按如下步骤进行：

7c1)选取迭代初值，即当目标位置高于主站时，迭代初值u⁰=[x⁰,y⁰,z⁰]^T应该满足初值的z轴分量z⁰大于主站的z轴分量z₀；当目标低于主站时，初值u⁰应满足初值的z轴分量z⁰小于主站的z轴分量z₀；

7c2)将初值u⁰带入式(2)，计算代价函数值J(u⁰)；

7c3)对于精度ε>0，若存在J(u⁰)<ε，则将u⁰作为目标位置的估计值否则令迭代序号k=0继续执行下面的步骤；

7c4)根据式(3)计算辅助函数g(u)在第k步目标位置估计值u^k处的雅可比矩阵F(u^k)

F(uk)=xk-x1R1-xk-x0R0yk-y1R1-yk-y0R0zk-z1R1-zk-z0R0xk-x2R2-xk-x0R0yk-y2R2-yk-y0R0zk-z2R2-zk-z0R0xk-x3R3-xk-x0R0yk-y3R3-yk-y0R0zk-z3R3-zk-z0R0---(3)]]>

其中u^k=[x^k,y^k,z^k]^T，x^k是第k步目标位置估计值u^k的x轴分量，y^k是u^k的y轴分量，z^k是u^k的z轴分量；

7c5)根据式(4)计算代价函数J在第k步目标位置估计值u^k处的梯度

▿J(uk)=2FT(uk)g(uk);---(4)]]>

7c6)根据式(5)迭代计算第k+1步目标位置估计值u^k+1

uk+1=uk-μk+1▿Jk(uk);---(5)]]>

其中为代价函数J^k的负梯度，参数μ^k+1为自适应时变步长;

μk+1=αJk(uk)||▿Jk(uk)||2---(6)]]>

其中α是一个加速因子，其取值范围为1≤α≤2，||||表示向量的2范数；

7c7)置k←k+1，即将迭代序号k加1，重复执行7c4)到7c7)直到代价函数J^k满足精度要求J(u^k)<ε，将该u^k作为目标位置的估计值