电离层高度与目标位置联合优化的短波时差定位方法技术

本发明专利技术属于信号参数测量与估计领域，公开了一种电离层高度与目标位置联合优化的短波时差定位方法，首先建立短波超视距时差定位模型；然后对接收信号采用二维互模糊相关算法求取任意两个接收站间的时延差；接着在视距场景即假设电离层高度为零时，利用Chan算法求得粗定位结果；最后在粗定位结果的基础上，利用遗传算法联合优化电离层高度与目标位置以获取精确定位结果。与现有的技术相比，本发明专利技术提供的方案不需要有关电离层参数的先验信息即可实现高精度有效定位，算法应用范围广，鲁棒性强，实施简单。实施简单。实施简单。

【技术实现步骤摘要】
电离层高度与目标位置联合优化的短波时差定位方法


[0001]本专利技术属于信号参数测量与估计领域，具体涉及一种基于电离 层高度与目标位置联合优化的短波超视距时差定位方法。

技术介绍

[0002]短波通信是唯一不受网络枢纽和有源中继制约的远程通信手 段，其通过电离层反射的传输方式，传播距离可达数千公里。国内 外学者在短波超视距定位方面进行了部分研究，目前常用的定位方 法主要包括两类：基于双站/多站测向交会定位技术和单站测向定位 技术。传统双站/多站测向交会定位技术以到达角定位方法为基础， 由两个或多个角度方向相交来确定辐射源位置；而单站测向定位技 术则通过对短波信号方位角、仰角以及电离层反射高度进行测量以 实现单接收站定位。这两种方法均需要对来波信号进行测向，而测 向必然要使用天线阵列，相比于微波频段，短波阵列占地面积大， 为实现高的测向精度，阵列孔径可达几百米；同时设备复杂，生产 和维护成本高。为此考虑采用时差定位方法，相比于传统的测向定 位技术而言，设备简单、处理时间短、成本低廉且机动能力强。国 内外有少数学者在电离层高度已知或者通过一些经验信息推算出电 离层高度的基础上建立时差定位模型解算出目标辐射源的位置，这 种时差定位方法需要对电离层特性有深入的理解，同时对各地区电 离层历史参数信息有大量的数据积累，显然有时是不太可能的；同 时存在着推算出的电离层高度不精确导致定位精度急剧下降的问 题。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种基于电离层高度与目标位置联合优化 的短波超视距时差定位方法，解决现有方法中电离层反射高度不易 求解以及推算结果不精确导致定位精度有限的问题。
[0004]本专利技术采用的技术方案为：
[0005]一种电离层高度与目标位置联合优化的短波时差定位方法，具 体包括如下步骤：
[0006]步骤1，构建短波超视距时差定位模型，具体如下：
[0007]在短波信号超视距传输模型中，目标辐射源到各接收站的信号 传输距离表示为：
[0008][0009][0010]式中，N
r
表示接收站的数量，N
r
≥4，h
i
表示第i条路径中的电 离层反射高度，d
i
(
·
)表示地面两点间的大圆距离，由球面余弦公式 (2)求得，和分别表示目标辐射源和第i个接收站的经 纬度坐标；
[0011]假设t0时刻目标辐射源发射信号，第i个接收站接收到信号的时 刻为t
i
，第j个接收站接收到信号的时刻为t
j
，j≠i，则有
[0012][0013]式中，τ
i
和τ
j
分别对应表示第i条路径和第j条路径对应的时延， V
c
为电磁波传播速度，令第i条路径和第j条路径对应的时延差 Δτ
ij
＝τ
i
‑
τ
j
，则时差定位方程表示为：
[0014][0015]再加上地球表面方程：
[0016][0017]由式(1)、(4)和(5)组成一个关于的 多元非线性方程组；
[0018]步骤2：利用二维互模糊相关算法求任意两个接收站间的时延 差，具体如下：
[0019]利用二维互模糊公式
[0020][0021]其中，g
i
(t)和g
j
(t)分别对应为第i个接收站与第j个接收站接 收到的窄带信号，Δτ
ij
为两路信号的时延差，为两路信号的多普 勒频差，通过在时延轴和多普勒频率轴共同构成的二维模糊平面中 搜寻最大值，即得到两路信号间的时延差Δτ
ij
和多普勒频移差
[0022]步骤3：将步骤2得到的时延差Δτ
ij
代入式(3)中，同时不考 虑电离层反射高度h
i
即令h
i
＝0，则由式(1)、(3)和(4)组成 一个仅关于的二元方程组，并利用传统视距时差定位中的Chan 算法解算得出目标辐射源的粗定位结果
[0023]步骤4:根据步骤3得到的粗定位结果，随机生成样本个体组成 初始化群体，并采用遗传算法对目标位置和每条路径的电离层虚高 进行联合优化，得到目标辐射源的精确位置。
[0024]其中，所述的步骤4具体步骤如下：
[0025]1)选择编码策略：根据步骤3得到的粗定位结果，确定待优化 参数l、h
i
的取值范围，选择采用二进制编码方式对各个待估参数 进行编码；
[0026]2)定义适应度函数：
[0027][0028]3)随机生成K个样本个体组成初始化群体，第k个样本表示为 [0029]4)计算每个样本个体对应的适应度函数值f(x
k
),k＝1,2,
…
,K；
[0030]5)判断群体性能是否满足最大遗传迭代次数，若满足则输出最 优参数；否则按照遗传策略，运用选择算子、交叉算子和变异算子 作用于群体，产生下一代群体，转到步骤4)。
[0031]本专利技术的有益效果是：
[0032]1.本专利技术采用短波时差定位方法，相比于传统的测向定位技术而 言，设备简单、处理时间短、成本低廉且机动能力强。
[0033]2.本专利技术采用基于电离层高度与目标位置联合优化的短波超视 距时差定位方法，不需要事先估计电离层高度，应用范围广，算法 简单有效。
附图说明
[0034]图1为短波信号传播示意图；
[0035]图2为短波信号超视距传输模型；
[0036]图3为利用GA算法联合优化目标位置与电离层高度的流程图；
[0037]图4为利用GA算法联合估计目标位置与电离层高度的过程中， 适应度函数随遗传代数的变化以及相邻两代间平均距离随遗传代数 的变化图。
[0038]图5为本专利技术所提出算法的定位精度随蒙特卡洛仿真次数的变 化图。
具体实施方式
[0039]下面结合附图与具体实施方式对本专利技术做进一步的说明。
[0040]本专利技术电离层高度与目标位置联合优化的短波时差定位方法所 采用的技术方案是，首先建立短波超视距时差定位模型；然后利用 二维互模糊相关算法求取任意两个接收站间的时延差；接着在视距 场景即假设电离层高度为零时，利用Chan算法求得粗定位结果；最 后，在粗定位结果的基础上，利用遗传算法联合优化电离层高度与 目标位置获取精确定位结果。具体如下：
[0041]步骤1：构建短波超视距时差定位模型
[0042]如图1所示为短波信号传播示意图，短波信号通过电离层反射进 行传输。显然在采用时差定位方法中，除了辐射源经纬度之外，每条 路径的电离层虚高也是重要的未知参数。如图2所示为短波信号超视 距传播模型，目标辐射源到各接收站的信号传输距离可近似表示为
[0043][0044][0045]式中，N
r
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电离层高度与目标位置联合优化的短波时差定位方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1，构建短波超视距时差定位模型，具体如下：在短波信号超视距传输模型中，目标辐射源到各接收站的信号传输距离表示为：在短波信号超视距传输模型中，目标辐射源到各接收站的信号传输距离表示为：式中，N
r
表示接收站的数量，N
r
≥4，h
i
表示第i条路径中的电离层反射高度，d
i
(
·
)表示地面两点间的大圆距离，由球面余弦公式(2)求得，和分别表示目标辐射源和第i个接收站的经纬度坐标；假设t0时刻目标辐射源发射信号，第i个接收站接收到信号的时刻为t
i
，第j个接收站接收到信号的时刻为t
j
，j≠i，则有式中，τ
i
和τ
j
分别对应表示第i条路径和第j条路径对应的时延，V
c
为电磁波传播速度，令第i条路径和第j条路径对应的时延差Δτ
ij
＝τ
i
‑
τ
j
，则时差定位方程表示为：再加上地球表面方程：由式(1)、(4)和(5)组成一个关于的多元非线性方程组；步骤2：利用二维互模糊相关算法求任意两个接收站间的时延差，具体如下：利用二维互模糊公式其中，g
i
(t)和g
j
(t...

【专利技术属性】
技术研发人员：李蕊，邓亭强，窦修全，张润生，王艳温，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：