一种基于TDOA原理的舰船编队精确定位系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于TDOA原理的舰船编队精确定位系统及方法，该系统包括被定位舰船上的第一时间频率源、相连接的单通道接收机和接收天线、相连接的第一无线网络通信机和第一收发天线；中心站舰船上的第二时间频率源、相连接的多通道接收机和接收天线、相连接的第二无线网络通信机和第二收发天线、中心控制系统；所述第一收发天线分别与多通道接收机的每个接收通道的接收天线、单通道接收机的接收天线以及第二收发天线耦合。该系统是基于协同方式下TDOA原理的新的定位系统，大幅提升了定位精度，弥补了由于基线太短造成的精度不足，成功地解决了海上舰船编队中各舰船之间高精度互定位的技术难题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于TDOA原理的舰船编队精确定位系统及方法
本专利技术属于无线电定位领域，尤其涉及一种基于TDOA(到达时差)原理的舰船编队精确定位系统及方法。
技术介绍
实时掌握舰船编队中各舰船的位置信息及相互之间的精确定位关系非常重要，这一方面可以让指挥决策者了解海上运输或海战场态势，另一方面这种精确的几何关系是战场环境下对多类目标信息进行融合处理的前提条件。目前对船只进行定位主要利用GNSS系统，包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo等，我国的北斗导航系统也已完全覆盖亚太地区，具备亚米级的定位精度。然而，在复杂的现代化信息环境中，越是重要、致命的装备越容易受到攻击或制约，不能够只依靠某一种技术或装备，在舰船编队中还需要不依赖于GNSS的后备系统来获取区域性的舰船编队各舰船之间的实时精确位置关系。在海上舰船编队条件下，可选的TDOA数据采集站的4个信号接收天线的安装位置只能为单一的测量中心站舰船的船面平台。由于舰船甲板几何尺寸和空间很有限，这就导致TDOA采集站的信号接收点之间的基线很短(10～100米)，使用常规的时差定位(TDOA定位)技术不能满足定位精度要求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于TDOA原理的舰船编队精确定位系统及方法，该系统是基于协同方式下TDOA原理的新的定位系统，大幅提升了定位精度，弥补了由于基线太短造成的精度不足，成功地解决了各舰船之间高精度互定位的技术难题。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：第一方面，本专利技术提供了一种基于TDOA原理的舰船编队精确定位系统，包括被定位舰船上安装的第一时间频率源、单通道接收机及与单通道接收机连接的接收天线、第一无线网络通信机及与第一无线网络通信机连接的第一收发天线；所述第一时间频率源和第一无线网络通信机均连接单通道接收机；中心站舰船上安装的第二时间频率源、至少包括三个接收通道的多通道接收机及与每个接收通道连接的接收天线、第二无线网络通信机及与第二无线网络通信机连接的第二收发天线、中心控制系统；所述第二时间频率源、第二无线网络通信机及中心控制系统均连接多通道接收机；所述中心控制系统和第二无线网络通信机连接；所述第一收发天线分别与多通道接收机的每个接收通道的接收天线、单通道接收机的接收天线以及第二收发天线耦合。第二方面，本专利技术提供了一种基于TDOA原理的舰船编队精确定位方法，该方法基于上述所述的舰船编队精确定位系统，包括步骤：被定位舰船上的第一无线网络通信机通过第一收发天线发射无线信标信号；被定位舰船上的单通道接收机接收并处理所述无线信标信号，生成带时间戳和天线编码戳的IQ数据，并通过第一收发天线发射到中心站舰船上的第二收发天线，并通过第二无线网络通信机传输给中心控制系统；中心站舰船上的多通道接收机的各通道接收并处理所述无线信标信号，各自生成带时间戳和天线编码戳的IQ数据，并传输给中心控制系统；中心控制系统将单通道接收机生成的IQ数据和多通道接收机的各通道生成的IQ数据分别各自形成一组IQ数据；根据TDOA原理，由信号到达时差的互相关函数从各组IQ数据中计算出各组信号时差，并根据各组信号时差分别计算被定位舰船上的第一收发天线到中心站舰船上多通道接收机的各接收天线的直线距离；根据多通道接收机的任意三付接收天线的坐标及其之间的距离，以及所述三付天线分别到被定位舰船上的第一收发天线之间的直线距离，确定被定位舰船相对于中心站舰船的坐标和舷角。本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：在被定位舰船上安装的第一无线网络通信机通过第一收发天线发射无线信标信号，被定位舰船上的单通道接收机和中心站舰船上的多通道接收机均接收并处理该无线信标信号，生成至少3组附加时间戳和天线编码戳的IQ数据，并传输给中心控制系统；其中，单通道接收机生成的IQ数据分别和多通道接收机的每个通道生成的IQ数据分别各自形成一组IQ数据；中心控制系统根据TDOA原理，分别从多组IQ数据计算出被定位舰船上的第一收发天线到中心站舰船上多通道接收机的各接收天线的直线距离，利用这多个距离数据可唯一地确定被定位舰船相对于定位舰船的坐标及被定位舰船相对于定位舰船的舷角，其定位的精度取决于这多个距离值的测量精度，由于所述第一时间频率源与所述第二时间频率源为同步时间频率源，实现了单通道接收机和多通道接收机在时间、AD采样率和频率源上的精准一致性，从而保证通过互相关计算获得较高的时差和距离测量精度；同时由于定位舰船上各接收设备采用多通道接收机，各接收通道共用第二时间频率源，因此在时间和频率上没有误差，保证了被定位舰船上发射点到定位舰船上各接收点的距离测量误差具有同向性和数据一致性，而不导致测向线的角度偏离导致较大的定位偏差，从而实现了高精度的定位计算。本系统采用舰船编队自身使用的数据链通信即第一无线网络通信机和第一收发天线来产生TDOA测量所需的信标信号，不需专门的设备来发射无线信标信号，大大地节省了费用和设备资源。与现有技术的比相测角、相控阵雷达测角等测角系统进行测角和定位相比，本系统采用TDOA原理，对舰船的定位精度与中心站舰船到被定位舰船的距离没有关系，其测角精度达到0.04度，远达40km处的定位精度达到m级，现有比相、相控阵雷达测角技术难以达到。附图说明图1为本专利技术实施例一系统原理图；图2为本专利技术实施例二各天线间的几何关系示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。实施例一本专利技术针对海上舰船编队对精确定位的应用需求，设计了一种基于TDOA原理的具有自主、协同工作方式的高精度无线定位系统。所谓“自主”是指被定位舰船主动发射参数规约的无线信标信号，即用于TDOA计算的无线电信号的类型和参数是本系统根据定位精度要求自主规定、产生和发射的；所谓“协同”是指被定位舰船上的无线发射与中心站舰船的无线接收是协同工作的，后续数据传输、互相关计算等工作也是按流程控制和协同实施的。如图1所示，本专利技术针对目前的自主精确定位主要采用GNSS系统，提出了一种基于TDOA原理的舰船编队精确定位系统，该系统是运用TDOA原理设计的对舰船位置实时、高精度测量的系统，该系统包括被定位舰船上安装的第一时间频率源、单通道接收机及与单通道接收机连接的接收天线、第一无线网络通信机及与第一无线网络通信机连接的第一收发天线；所述第一时间频率源和第一无线网络通信机均连接单通道接收机；中心站舰船上安装的第二时间频率源、至少包括三个接收通道的多通道接收机及与每个接收通道连接的接收天线、第二无线网络通信机及与第二无线网络通信机连接的第二收发天线、中心控制系统；所述第二时间频率源、第二无线网络通信机及中心控制系统均连接多通道接收机；所述中心控制系统和第二无线网络通信机连接。所述与多通道接收机的每个接收通道连接的接收天线分别布设在中心站舰船的四角部位；所述第一收发天线分别与多通道接收机的每个接收通道的接收天线、单通道接收机的接收天线与第二收发天线耦合。在本实施例中，所述单通道接收机和多通道接收机的每个接收通道均包括依次连接的射频预处理器、第一混频器、第二混频器、中频信号处理器和数字信号处理器。由接收天线接收的射频信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于TDOA原理的舰船编队精确定位系统，其特征在于，包括被定位舰船上安装的第一时间频率源、单通道接收机及与单通道接收机连接的接收天线、第一无线网络通信机及与第一无线网络通信机连接的第一收发天线；所述第一时间频率源和第一无线网络通信机均连接单通道接收机；中心站舰船上安装的第二时间频率源、至少包括三个接收通道的多通道接收机及与每个接收通道连接的接收天线、第二无线网络通信机及与第二无线网络通信机连接的第二收发天线、中心控制系统；所述第二时间频率源、第二无线网络通信机及中心控制系统均连接多通道接收机；所述中心控制系统和第二无线网络通信机连接；所述第一收发天线分别与多通道接收机的每个接收通道的接收天线、单通道接收机的接收天线以及第二收发天线耦合。

【技术特征摘要】
1.一种基于TDOA原理的舰船编队精确定位系统，其特征在于，包括被定位舰船上安装的第一时间频率源、单通道接收机及与单通道接收机连接的接收天线、第一无线网络通信机及与第一无线网络通信机连接的第一收发天线；所述第一时间频率源和第一无线网络通信机均连接单通道接收机；中心站舰船上安装的第二时间频率源、至少包括三个接收通道的多通道接收机及与每个接收通道连接的接收天线、第二无线网络通信机及与第二无线网络通信机连接的第二收发天线、中心控制系统；所述第二时间频率源、第二无线网络通信机及中心控制系统均连接多通道接收机；所述中心控制系统和第二无线网络通信机连接；所述第一收发天线分别与多通道接收机的每个接收通道的接收天线、单通道接收机的接收天线以及第二收发天线耦合。2.根据权利要求1所述的基于TDOA原理的舰船编队精确定位系统，其特征在于，所述与单通道接收机连接的接收天线和与多通道接收机的每个接收通道连接的接收天线均采用高增益全向天线。3.根据权利要求1所述的基于TDOA原理的舰船编队精确定位系统，其特征在于，所述单通道接收机和多通道接收机的每个接收通道均包括依次连接的射频预处理器、第一混频器、第二混频器、中频信号处理器和数字信号处理器。4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于TDOA原理的舰船编队精确定位系统，其特征在于，所述多通道接收机为四通道接收机，所述与四通道接收机的...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭宏伟，周镭，常晓军，
申请(专利权)人：成都和跃科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51