一种运动单站单通道仅测频定位误差校正方法与流程

1.本发明涉及无线电辐射源定位领域，尤其涉及一种运动单站单通道仅测频定位误差校正方法。


背景技术：

2.无线电辐射源定位是指通过接收目标辐射源发射的无线电信号，计算获得目标辐射源的位置信息。根据不同的参数测量方法将无线电辐射源定位分为不同的技术体制，主要包括：测向定位、测时差定位、测频定位、测频差定位、测时频差定位以及上述参数测量方法的组合定位。其中测向定位要求每个观测站配备多通道接收设备；测时差定位、测频差定位、测时频差定位虽然只要求观测站配备单通道接收设备，但是要多个观测站协同开展工作才能实现定位；其它组合定位要么要求多个观测站协同工作，要么要求观测站配备多通道接收设备，这些定位技术体制都对定位系统提出了较高的硬件要求。
3.目标辐射源与观测站之间的相对运动会产生无线电信号的多普勒频移，该值的大小与目标相对于观测站的运动方向、速度等因素有关。测频定位只需要一个配备单通道接收设备的观测站，通过运动到不同位置对静止目标辐射源的频移多次测量并计算，实现目标定位，又被称为运动单站单通道仅测频定位。
4.测频定位方法要求观测站在运动过程中测量自身位置和速度信息，当观测站自身位置和速度存在误差的情况下将导致目标辐射源定位误差增大。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种运动单站单通道仅测频定位误差校正方法，用以解决现有由于观测站位置和速度测量误差导致的目标定位误差增大的问题。
6.本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
7.本发明提供了一种运动单站单通道仅测频定位误差校正方法，包括如下步骤：
8.部署参考辐射源，由其向观测站发射参考信号；
9.所述观测站在n个观测位置上，测量其自身位置及速度，接收所述参考信号并估算其频率值；
10.根据所述参考辐射源位置、在n个观测位置测量的观测站位置及速度、估算参考信号频率值计算观测站的位置误差及速度误差矩阵；
11.根据所述观测站的位置误差及速度误差矩阵，校正观测站的位置误差及速度误差。
12.进一步地，所述根据所述参考辐射源位置、在n个观测位置测量的观测站位置及速度、估算参考信号频率值计算观测站的位置误差及速度误差矩阵，包括：
13.计算位置速度误差对角矩阵qb、信号频率误差对角矩阵qc以及所述估算参考信号频率值与参考信号理论频率差hc；
14.根据所述参考辐射源位置、在n个观测位置测量的观测站位置及速度和所述参考
信号频率计算雅可比矩阵gc；
15.根据所述位置速度误差对角矩阵qb、信号频率误差对角矩阵qc、估算参考信号频率与参考信号理论频率差hc以及雅可比矩阵gc，计算位置误差及速度误差矩阵ψ。
16.进一步地，所述计算位置速度误差对角矩阵qb，其公式为：
17.qb＝diag(q
σ
)
18.q
σ
＝[x
err y
err v
x_err v
y_err
ꢀ…ꢀ
x
err y
err v
x_err v
y_err
]1×
4n
[0019]
其中，x
err
为观测站在x轴位置误差的方差值，y
err
为观测站在y轴位置误差的方差值，v
x_err
为观测站在x轴方向速度误差的方差值，v
y_err
为观测站在y轴方向速度误差的方差值；diag(
·
)表示向量(
·
)为对角线构造对角矩阵。
[0020]
进一步地，所述计算信号频率误差对角矩阵qc，其公式为：
[0021]
qc＝diag(qf)
[0022]
qf＝]f
err f
err
ꢀ…ꢀferr
]1×n[0023]
其中，f
err
为观测站对信号频率测量误差的方差值。
[0024]
进一步地，所述计算估算参考信号频率与参考信号理论频率差hc，其公式为：
[0025][0026]
其中为观测站运动过程中在n个观测点估算的参考信号频率；f
r_0
＝[f
r_0,1 f
r_0,2
ꢀ…ꢀfr_0,n
]为观测站运动过程中在n个观测点的参考信号理论频率。
[0027]
进一步地，所述根据所述参考辐射源位置、在n个观测点测量的观测站位置及速度和所述参考信号频率计算雅可比矩阵gc，其公式为：
[0028][0029]
其中，fr为所述参考辐射源向观测站持续发射的参考信号，c为光速值，为所述参考辐射源位置uc到观测站观测位置ui的距离，为观测站运动到观测位置ui时与参考辐射源之间的径向速度，vi为观测站运动到观测位置ui时的速度，i为观测站的第i个观测位置，1≤i≤n。
[0030]
进一步地，所述计算位置误差和速度误差矩阵ψ，其公式为，
[0031][0032]
其中(
·
)-1
为求逆运算，(
·
)
t
为矩阵转置操作，ψ为4n
×
1维矩阵。
[0033]
进一步地，所述观测站运动到观测位置ui时估算的参考信号频率其计算方法如下：
[0034]
通过如下公式取得所述观测站运动到观测位置ui时接收参考信号数据y
r,i
(t)：
[0035][0036]
其中a
r,i
是在第i个观测位置处接收信号的幅度；f
r,i
是接收的信号频率；w
r,i
(t)为零均值、方差为σ2的高斯白噪声；tm＝mδ，f
sr
为采样频率，m＝1,
…
,m，m为参考信号数据的采样数；
[0037]
根据在观测位置ui接收参考信号数据y
r,i
(t)，估算参考信号频率
[0038][0039]
进一步地，所述观测站在n个观测位置上，测量其自身位置及速度，包括：
[0040]
所述观测站在运动到观测位置ui时，测量并记录观测站所处位置ui＝[xi,yi]
t
以及观测站运动速度
[0041]
进一步地，所述根据所述观测站的位置误差及速度误差矩阵，校正观测站的位置误差及速度误差，包括：
[0042]
对所述位置误差和速度误差矩阵ψ按列顺序进行矩阵变换为ψ1[0043]
ψ1＝reshape(ψ,2,2n)
[0044]
对所述矩阵ψ1进行转置操作，得到矩阵ψ2；
[0045]
从所述矩阵ψ2中提取出奇数行数据组成n
×
2维观测站位置误差估计矩阵φ
xy
；
[0046]
从所述矩阵ψ2中提取出偶数行数据组成n
×
2维观测站速度误差估计矩阵φv；
[0047]
对测量的观测站位置u和运动速度v利用如下公式进行误差校正：
[0048]
u＝[u
1 u2ꢀ…ꢀ
un]
t
[0049]
v＝[v
1 v2ꢀ…ꢀ
vn]
t
[0050]
u1＝u-φ
xy
[0051]v1
＝v-φv[0052]
得到校正后观测站位置矩阵u1以及校正后的观测站速度矩阵v1。
[0053]
本发明技术方案至少可以实现下述之一有益效果：
[0054]
1、本发明使用了运动单站单通道仅测频的方法，相比于其他定位方法，硬件要求低；
[0055]
2、本发明通过部署参考辐射源，观测站在n个观测位置接收其信号并测量自身位置及速度，计算并矫正观测站自身位置及速度误差，提高了目标定位的精度。
[0056]
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
[0057]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图
中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0058]
图1为自定位位置及速度误差引起定位误差示意图；
[0059]
图2为本发明一个实施例仅测频定位误差校正方法的流程示意图；
[0060]
图3为校正前后目标定位结果示意图；
[0061]
图4为校正前后的定位误差直方图比较图。
具体实施方式
[0062]
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
[0063]
观测站自定位位置及速度的误差将导致辐射源定位误差。如图1所示，观测站的实际位置分别为：u1＝[0,0]
t
(m)，u2＝[50000,0]
t
(m)，速度为v1＝v2＝[500,0]
t
(m/s)，辐射源位置x
t
＝u
t
＝[20000,70000]
t
(m)。在没有观测站自定位误差的情况下，由观测站在位置1和位置2的等频移曲线相交可获得辐射源位置。
[0064]
引入观测站自定位误差，此时观测站自定位位置分别为对应的等频移曲线对相交所得的辐射源位置估计如图1中(a)所示。
[0065]
引入-50m/s的观测站速度误差，此时等频移曲线对相交所得的辐射源位置估计如图1中(b)所示。可以看到观测站自定位误差可导致辐射源定位误差。
[0066]
为了解决由于观测站位置和速度测量误差导致的目标定位误差增大问题，本发明的一个具体实施例，提供了一种运动单站单通道仅测频定位误差校正方法，其流程图如图2所示，包括以下步骤：
[0067]
步骤1.在已知位置部署参考辐射源，向观测站发射已知频率的参考信号；
[0068]
具体的，部署一个参考辐射源uc，参考辐射源uc的位置已知，记为uc＝[xc,yc]
t
(km)，如图3中所示；参考辐射源持续发射一个参考信号，示例性地，该参考信号是频率为fr的已知单音信号；
[0069]
步骤2.观测站分别运动到n个位置，在每个位置测量并记录观测站自身位置和速度，并在每个位置接收参考信号并估算它的频率值，具体步骤如下：
[0070]
假设定位场景中，观测站初始位置为x1＝[300,-20]
t
(km)，分别在10个位置进行了观测，如图3中*所示。
[0071]
具体的，观测站运动到第i个位置，1≤i≤10，测量并记录其自身位置ui和运动速度vi，其中，其自身位置ui＝[xi,yi]
t
，运动速度
[0072]
记录并计算观测站接收参考信号数据y
r,i
(t)，根据在第i个位置接收到的信号幅度，信号频率值，加入零均值、方差为σ2的高斯白噪声，得到参考信号数据的计算公式为其中a
r,i
是位置i处接收到信号的幅度；f
r,i
是位置i处接收到信号的频率；w
r,i
(t)为零均值、方差为σ2的高斯白噪声；tm＝mδ，f
sr
为采样频率，m＝1,
…
,m，m为参考信号数据的采样数。
[0073]
进一步地，观测站运动到位置ui时估算得到的参考信号频率值如下：
[0074][0075]
重复步骤2直到得到10个观测位置的位置数据、速度数据以及估算的参考信号频率值。
[0076]
步骤3.基于步骤2中得到的数值结果，计算观测站的位置误差及速度误差矩阵；
[0077]
具体的，计算位置误差及速度误差矩阵ψ：
[0078][0079]
其中(
·
)-1
为求逆运算，(
·
)
t
为矩阵转置操作，ψ为4n
×
1维矩阵。
[0080]
式中各变量如下：
[0081]
可选的，利用统计得知的观测站相对于观测位置的x轴位置误差的方差值x
err
，y轴的位置误差的方差值y
err
，x轴速度误差的方差值v
x_err
，y轴的速度误差的方差值v
y_err
，其值相互独立；构造矩阵q
σ
:
[0082]qσ
＝[x
err y
err v
x_err v
y_err
ꢀ…ꢀ
x
err y
err v
x_err v
y_err
]1×
4n
[0083]
进一步地，以向量q
σ
为对角线构造位置速度误差对角矩阵qb，qb＝diag(q
σ
)；
[0084]
可选的，利用统计得知的观测站相对于观测位置接收的信号频率测量误差的方差值f
err
，构造矩阵qf＝[f
err f
err
ꢀ…ꢀferr
]1×n。
[0085]
进一步地，以向量qf为对角线构造信号频率误差对角矩阵qc，
[0086]
qc＝diag(qf)；
[0087]
可选的，构造雅可比矩阵gc，其公式为：
[0088][0089]
式中,fr为步骤1中已知的参考信号频率，c为光速值，为参考辐射源到观测站ui位置的距离，为观测站运动到ui位置时与参考辐射源之间的径向速度；i取1～n。
[0090]
可选的，计算估计参考信号频率与参考信号理论频率差
[0091]
式中，是观测站运动过程中估计的参考信号频率；根据公式计算得到观测站运动过程中的参考信号理论频率f
r_0
＝[f
r_0,1 f
r_0,2
ꢀ…ꢀfr_0,n
]。
[0092]
步骤4.利用计算得到的位置误差及速度误差矩阵ψ，校正观测站的位置误差和速度误差。
[0093]
具体的，对步骤3得到的位置误差及速度误差矩阵ψ，将其按列顺序转换为ψ1＝reshape(ψ,2,2n)，ψ1为2
×
2n维矩阵。
[0094]
进一步地，对矩阵ψ1进行转置操作得到ψ2＝(ψ1)
t
。
[0095]
进一步地，从矩阵ψ2中提取奇数行数，组成n
×
2维观测站位置误差估计矩阵φ
xy
＝ψ2(1：2：(2n-1),:)。
[0096]
进一步地，从矩阵ψ2中提取偶数行数，组成n
×
2维观测站位置误差估计矩阵φv＝ψ2(2：2：2n,:)。
[0097]
进一步地，对测量的观测站位置u和运动速度v按照下述公式进行误差校正：
[0098]
u＝[u
1 u2ꢀ…ꢀ
un]
t
[0099]
v＝[v
1 v2ꢀ…ꢀ
vn]
t
[0100]
u1＝u-φ
xy
[0101]v1
＝v-φv[0102]
u1是校正后的n
×
2维观测站位置矩阵，是n
×
2维；v1是校正后的n
×
2维观测站位置和速度矩阵。
[0103]
示例性的，目标位置为x＝[120,150]
t
(km)，如图3中
○
所示；根据步骤3，增加频率测量误差，服从零均值、方差为5hz；增加观测站位置误差和速度误差，观测站位置误差服从零均值、方差为1000m，速度误差服从零均值、方差为10m/s。使用同一测频定位算法对目标进行定位，图3中显示某次定位结果：
[0104]
1)无观测站位置和速度误差情况，目标定位结果为如图3中
△
的位置；
[0105]
2)存在观测站位置和速度误差并且没有进行校正，目标定位结果为如图3中+的位置；
[0106]
3)存在观测站位置和速度误差并且进行了误差校正，目标定位结果为如图3中
□
的位置。
[0107]
由此可以看出，由于存在观测站误差，导致较大的目标定位误差；当进行观测站误差校正后，目标定位误差明显的减小。
[0108]
示例性的，在上述相同条件下，统计200次试验样本，得到校正前后定位误差直方图如图4所示，观测站含位置和速度误差但未校正情况下的平均定位误差为1964m，观测站含位置和速度误差且校正情况下的平均定位误差为890m。
[0109]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种运动单站单通道仅测频定位误差校正方法，其特征在于，包括如下步骤：部署参考辐射源，由其向观测站发射参考信号；所述观测站在n个观测位置上，测量其自身位置及速度，接收所述参考信号并估算其频率值；根据所述参考辐射源位置、在n个观测位置测量的观测站位置及速度、估算参考信号频率值计算观测站的位置误差及速度误差矩阵；根据所述观测站的位置误差及速度误差矩阵，校正观测站的位置误差及速度误差。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，根据所述参考辐射源位置、在n个观测位置测量的观测站位置及速度、估算参考信号频率值计算观测站的位置误差及速度误差矩阵，包括：计算位置速度误差对角矩阵q
b
、信号频率误差对角矩阵q
c
以及所述估算参考信号频率值与参考信号理论频率差h
c
；根据所述参考辐射源位置、在n个观测位置测量的观测站位置及速度和所述参考信号频率计算雅可比矩阵g
c
；根据所述位置速度误差对角矩阵q
b
、信号频率误差对角矩阵q
c
、估算参考信号频率与参考信号理论频率差h
c
以及雅可比矩阵g
c
，计算位置误差及速度误差矩阵ψ。3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述计算位置速度误差对角矩阵q
b
，其公式为：q
b
＝diag(q
σ
)q
σ
＝[x
err y
err v
x_err v
y_err
…
x
err y
err v
x_err v
y_err
]1×
4n
其中，x
err
为观测站在x轴位置误差的方差值，y
err
为观测站在y轴位置误差的方差值，v
x_err
为观测站在x轴方向速度误差的方差值，v
y_err
为观测站在y轴方向速度误差的方差值；diag(
·
)表示向量(
·
)为对角线构造对角矩阵。4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述计算信号频率误差对角矩阵q
c
，其公式为：q
c
＝diag(q
f
)q
f
＝[f
err f
err
…
f
err
]1×
n
其中，f
err
为观测站对信号频率测量误差的方差值。5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述计算估算参考信号频率与参考信号理论频率差h
c
，其公式为：其中为观测站运动过程中在n个观测点估算的参考信号频率；f
r_0
＝[f
r_0,1 f
r_0,2
ꢀ…ꢀ
f
r_0,n
]为观测站运动过程中在n个观测点的参考信号理论频率。6.根据权利要2所述方法，其特征在于，所述根据所述参考辐射源位置、在n个观测点测量的观测站位置及速度和所述参考信号频率计算雅可比矩阵g
c
，其公式为：
其中，f
r
为所述参考辐射源向观测站持续发射的参考信号，c为光速值，为所述参考辐射源位置u
c
到观测站观测位置u
i
的距离，为观测站运动到观测位置u
i
时与参考辐射源之间的径向速度，v
i
为观测站运动到观测位置u
i
时的速度，i为观测站的第i个观测位置，1≤i≤n。7.根据权利要求2-6任一项所述方法，其特征在于，所述计算位置误差及速度误差矩阵ψ，其公式为，其中(
·
)-1
为求逆运算，(
·
)
t
为矩阵转置操作，ψ为4n
×
1维矩阵。8.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述观测站运动到观测位置u
i
时估算的参考信号频率其计算方法如下：通过如下公式取得所述观测站运动到观测位置u
i
时接收参考信号数据y
r,i
(t)其中a
r,i
是在第i个观测位置处接收信号的幅度；f
r,i
是接收的信号频率；w
r,i
(t)为零均值、方差为σ2的高斯白噪声；t
m
＝mδ，f
sr
为采样频率，m＝1,
…
,m，m为参考信号数据的采样数；根据在观测位置u
i
接收参考信号数据y
r,i
(t)，估算参考信号频率(t)，估算参考信号频率9.根据权利要求1或6所述方法，其特征在于，所述观测站在n个观测位置上，测量其自身位置及速度，包括：所述观测站在运动到观测位置u
i
时，测量并记录观测站所处位置u
i
＝[x
i
,y
i
]
t
以及观测站运动速度10.根据权利要求1所述方法，其特征在于，根据所述观测站的位置误差及速度误差矩阵，校正观测站的位置误差及速度误差，包括：对所述位置误差及速度误差矩阵ψ按列顺序进行矩阵变换为ψ1ψ1＝reshape(ψ,2,2n)对所述矩阵ψ1进行转置操作，得到矩阵ψ2；
从所述矩阵ψ2中提取出奇数行数据组成n
×
2维观测站位置误差估计矩阵φ
xy
；从所述矩阵ψ2中提取出偶数行数据组成n
×
2维观测站速度误差估计矩阵φ
v
；对测量的观测站位置u和运动速度v利用如下公式进行误差校正：u＝[u
1 u2…
u
n
]
t
v＝[v
1 v2…
v
n
]
t
u1＝u-φ
xyv1
＝v-φ
v
得到校正后观测站位置矩阵u1以及校正后的观测站速度矩阵v1。

技术总结
本发明涉及一种运动单站单通道仅测频定位误差校正方法，属于无线电辐射源定位领域，解决了现有技术中由于观测站运动位置和速度测量误差导致的目标定位误差增大的问题。方法包括：部署参考辐射源，由其向观测站发射参考信号；所述观测站在N个观测位置上，测量其自身位置及速度，接收所述参考信号并估算其频率值；根据所述参考辐射源位置、在N个观测位置测量的观测站位置及速度、估算参考信号频率值计算观测站的位置误差及速度误差矩阵；根据所述观测站的位置误差及速度误差矩阵，校正观测站的位置误差及速度误差。通过本方法利用校正后的观测站位置及速度数据对目标进行定位，可以有效提高目标辐射源仅测频定位精度。有效提高目标辐射源仅测频定位精度。有效提高目标辐射源仅测频定位精度。


技术研发人员：江斌 陆安南 王巍 尤明懿 叶云霞 黄凯 史斌华
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第三十六研究所
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/9/23