[發(fā)明專利]空中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)目標(biāo)的三維無源定位方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210476641.5
• 申請(qǐng)日: 2012-11-21
• 公開（公告）號(hào): CN102981144A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳伯孝;雷文英;楊明磊;朱偉;米闖;馮凱凱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S5/16
• 分類號(hào): G01S5/16
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

1.一種空中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)目標(biāo)的三維無源定位方法，包括如下過程：

1）對(duì)接收目標(biāo)散射回波的主站和各個(gè)輔站進(jìn)行時(shí)間同步，給目標(biāo)回波到達(dá)時(shí)刻的測(cè)量提供統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，所述主站為空中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，所述輔站為地面上的三個(gè)接收站；

2）雷達(dá)發(fā)射站輻射目標(biāo)檢測(cè)所需的電磁波；

3）主站測(cè)量并記錄雷達(dá)發(fā)射站直達(dá)波的到達(dá)時(shí)刻T_D0；

4）主站記錄目標(biāo)散射回波的到達(dá)時(shí)刻t₀，各個(gè)輔站記錄主站或目標(biāo)的散射回波的到達(dá)時(shí)刻s_i,i＝1,2,3；

5）輔站將主站或目標(biāo)的散射回波的到達(dá)時(shí)刻s_i,i＝1,2,3連同輔站在全局坐標(biāo)系下的位置(x_i,y_i,z_i)^T進(jìn)行編碼和調(diào)制，并通過無線信道上傳到主站，i＝1,2,3，其中()^T表示轉(zhuǎn)置；

6）主站對(duì)輔站上傳的數(shù)據(jù)解調(diào)和解碼后，剔除主站自身產(chǎn)生的回波到達(dá)時(shí)刻t_Di,i＝1,2,3，并對(duì)主站自身進(jìn)行定位；

7）主站結(jié)合目標(biāo)散射回波到達(dá)主站的時(shí)刻t₀和輔站上傳的目標(biāo)散射回波到達(dá)輔站的時(shí)刻t_i,i＝1,2,3對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，即將求解目標(biāo)位置的非線性方程組轉(zhuǎn)化為與其對(duì)應(yīng)的最優(yōu)化問題，通過求取該最優(yōu)化問題的最優(yōu)解得到目標(biāo)的定位結(jié)果

8）將目標(biāo)在全局坐標(biāo)系下的定位結(jié)果轉(zhuǎn)換為以主站為坐標(biāo)原點(diǎn)的局部坐標(biāo)系下的定位結(jié)果

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)目標(biāo)的三維無源定位方法，其中步驟7）所述的將求解目標(biāo)位置的非線性方程組轉(zhuǎn)化為與其對(duì)應(yīng)的最優(yōu)化問題，通過求取該最優(yōu)化問題的最優(yōu)解得到目標(biāo)的定位結(jié)果按如下步驟進(jìn)行：

7a）將目標(biāo)到各個(gè)輔站的距離R_i,i＝1,2,3，目標(biāo)到主站的距離R₀，目標(biāo)散射回波到主站的到達(dá)時(shí)刻t₀及目標(biāo)散射回波到各個(gè)輔站的到達(dá)時(shí)刻t_i,i＝1,2,3代入如下三個(gè)雙葉雙曲面方程組:

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是零均值的量測(cè)噪聲，i＝1,2,3；

7b）根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則，將所述三個(gè)雙葉雙曲面方程組的求解轉(zhuǎn)化為如下最優(yōu)化問題的求解：

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

式(2)中J(u)是代價(jià)函數(shù)，g(u)=[g₁,g₂,g₃]^T為輔助函數(shù)，u=(x,y,z)^T為目標(biāo)真實(shí)位置，為目標(biāo)真實(shí)位置u的估計(jì)值，為目標(biāo)位置x分量的估計(jì)值，為目標(biāo)位置y分量的估計(jì)值，為目標(biāo)位置z分量的估計(jì)值，輔助函數(shù)g(u)的各個(gè)分量為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]]>分別為目標(biāo)到各個(gè)輔站的距離，R0=(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2]]>為目標(biāo)到主站的距離；

7c）用自適應(yīng)步長(zhǎng)梯度算法對(duì)(2)式進(jìn)行求解，得到目標(biāo)位置的估計(jì)值u^=(x^,y^,z^)T.]]>

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述空中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)目標(biāo)的三維無源定位方法，其中步驟7c）所述的用自適應(yīng)步長(zhǎng)梯度算法對(duì)(2)式進(jìn)行求解，按如下步驟進(jìn)行：

7c1)選取迭代初值，即當(dāng)目標(biāo)位置高于主站時(shí)，迭代初值u⁰=[x⁰,y⁰,z⁰]^T應(yīng)該滿足初值的z軸分量z⁰大于主站的z軸分量z₀；當(dāng)目標(biāo)低于主站時(shí)，初值u⁰應(yīng)滿足初值的z軸分量z⁰小于主站的z軸分量z₀；

7c2)將初值u⁰帶入式(2)，計(jì)算代價(jià)函數(shù)值J(u⁰)；

7c3)對(duì)于精度ε>0，若存在J(u⁰)<ε，則將u⁰作為目標(biāo)位置的估計(jì)值否則令迭代序號(hào)k=0繼續(xù)執(zhí)行下面的步驟；

7c4)根據(jù)式(3)計(jì)算輔助函數(shù)g(u)在第k步目標(biāo)位置估計(jì)值u^k處的雅可比矩陣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步目標(biāo)位置估計(jì)值u^k的x軸分量，y^k是u^k的y軸分量，z^k是u^k的z軸分量；

7c5)根據(jù)式(4)計(jì)算代價(jià)函數(shù)J在第k步目標(biāo)位置估計(jì)值u^k處的梯度

▿J(uk)=2FT(uk)g(uk);---(4)]]>

7c6)根據(jù)式(5)迭代計(jì)算第k+1步目標(biāo)位置估計(jì)值u^k+1

uk+1=uk-μk+1▿Jk(uk);---(5)]]>

其中為代價(jià)函數(shù)J^k的負(fù)梯度，參數(shù)μ^k+1為自適應(yīng)時(shí)變步長(zhǎng);

μk+1=αJk(uk)||▿Jk(uk)||2---(6)]]>

其中α是一個(gè)加速因子，其取值范圍為1≤α≤2，||||表示向量的2范數(shù)；

7c7)置k←k+1，即將迭代序號(hào)k加1，重復(fù)執(zhí)行7c4)到7c7)直到代價(jià)函數(shù)J^k滿足精度要求J(u^k)<ε，將該u^k作為目標(biāo)位置的估計(jì)值