CN105043389A - 一种基于单个外辐射源的组合导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单个外辐射源的组合导航方法，包括以下步骤：1)建立外辐射源数据库；2)飞行器飞行过程中，飞行器上的天线接收单个辐射源发射的调频信号直达波，根据所述调频信号直达波得单次测量外辐射源的相位差、相位差的变化率及频率变化率；3)得观测站和与飞行器之间的间距；4)建立飞行器的状态方程，然后根据飞行器的状态方程通过Kalman滤波方法得飞行器的位置及速度信息；5)获取飞行器的INS导航信息，然后将步骤4)得到的飞行器的位置及速度信息与飞行器的INS导航信息利用数据融合方法进行数据融合，得飞行器的导航信息，然后根据飞行器的导航信息对飞行器进行导航。本发明能够基于单个外辐射源实现对飞行器的高精度导航。

Description

一种基于单个外辐射源的组合导航方法

技术领域

本发明属于惯性导航技术和信息融合与数据处理技术领域，涉及一种基于单个外辐射源的组合导航方法。

背景技术

随着战场情况的复杂，以及各种新的战争手段的出现，如何提高飞行器导航的适应性和导航精度，具有重要的理论意义和迫切的实际需要[1-2]。惯性导航系统是目前导航的主要方式，其具有自主性、抗干扰能力强的优点，但具有定位误差随时间而积累；设备的价格较昂贵等缺点[3,4]。作为惯性导航的主要辅助导航——卫星导航系统[2]，如：美国的“全球定位系统”、俄罗斯的“全球轨道导航卫星系统”、欧洲的“伽利略”以及我国的“北斗卫星导航系统”等具有全天候、高精度等优点，但是，上述几种卫星导航容易被干扰，导致导航精度降低，甚至无法导航。因此研究新的自主性强、定位精度高和可靠性好的辅助导航系统显得非常迫切。

基于外辐射源的飞行器导航技术就是通过接收单个或多个已知地理位置的外辐射源(如广播、电视台等)的直达信号，利用高精度测向、频率等观测参数和定位技术确定航行中飞行器的空间或地理位置，从而实现导航，为了简单起见，称此导航技术为无源导航。现有的基于多个辐射源的无源导航造价高，并且导航的精度不足。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于单个外辐射源的组合导航方法，该导航方法能够基于单个外辐射源实现对飞行器的高精度导航，并且成本低。

为达到上述目的，本发明所述的基于单个外辐射源的组合导航方法包括以下步骤：

1)建立外辐射源数据库；

2)飞行器飞行过程中，飞行器上的天线接收单个辐射源发射的调频信号直达波，根据所述调频信号直达波得单次测量外辐射源的相位差、相位差的变化率及频率变化率；

3)根据所述单次测量外辐射源的相位差、相位差变化率和频率变化率基于运动学定理得观测站和与飞行器之间的间距；

4)根据步骤3)得到的观测站与飞行器之间的间距、以及步骤2)得到的所述单次测量外辐射源的相位差、相位差变化率及频率变化率建立飞行器的状态方程，然后根据飞行器的状态方程通过Kalman滤波方法得飞行器的位置及速度信息；

5)获取飞行器的INS导航信息，然后将步骤4)得到的飞行器的位置及速度信息与飞行器的INS导航信息利用数据融合方法进行数据融合，得飞行器的导航信息，然后根据飞行器的导航信息对飞行器进行导航。

步骤1)的具体操作为：规划飞行器的航迹，在飞行器的航迹内搜集外辐射源，然后根据搜集到的各外辐射源的位置信息选择辐射源，并将选择的辐射源以及该辐射源的位置信息录入到数据库中，得外辐射源数据库。

根据所述调频信号直达波利用数字信号处理算法得单次测量外辐射源的相位差、相位差的变化率及频率变化率测量。

多普勒测速仪根据调频信号直达波得单次测量外辐射源的频率变化率其中，

${\stackrel{\·}{f}}_d\left(t\right)=\frac{f_d\left(t\right)-f_d(t-1)}{\mathrm{\Δ}t}$

其中，f_d(t)为t时刻调频信号直达波的频率，f_d(t-1)为t-1时刻调频信号直达波的频率，Δt为t时刻与t-1时刻的时间差；

干涉仪根据所述调频信号直达波得第t时刻单次测量外辐射源的相位差

则单次测量外辐射源的相位差变化率的表达式：

其中，为t-1时刻的单次测量外辐射源的相位差。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于单个外辐射源的组合导航方法根据单次测量外辐射源的相位差、相位差变化率及频率变化率得到飞行器的位置和速度信息，然后在根据INS导航信息进行数据融合，实现INS导航信息的修正，进而实现飞行器的高精度导航，解决了INS系统的定位导航误差随时间积累不断增大的技术问题，同时采用单次测量外辐射源的方式，避免了多站之间的同步问题，并且有效的降低导航的成本，适应性极强。同时外辐射源信号没有特殊限定，大多为空中已存在的民用信号，分布普遍，受敌方打击和干扰的可能性小，因此隐蔽性好，自主性和可靠性强。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中步骤1)的流程图；

图3为本发明中实施例一的飞行器的坐标图；

图4为本发明中步骤3)的流程图；

图5为本发明中步骤4)的流程图；

图6为本发明中步骤5)的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1、图2、图4、图5及图6，本发明所述的基于单个外辐射源的组合导航方法包括以下步骤：

1)建立外辐射源数据库；

2)飞行器飞行过程中，飞行器上的天线接收单个辐射源发射的调频信号直达波，根据所述调频信号直达波得单次测量外辐射源的相位差、相位差的变化率及频率变化率；

3)根据所述单次测量外辐射源的相位差、相位差变化率和频率变化率基于运动学定理得观测站和与飞行器之间的间距；

4)根据步骤3)得到的观测站与飞行器之间的间距、以及步骤2)得到的所述单次测量外辐射源的相位差、相位差变化率及频率变化率建立飞行器的状态方程，然后根据飞行器的状态方程通过Kalman滤波方法得飞行器的位置及速度信息；

5)获取飞行器的INS导航信息，然后将步骤4)得到的飞行器的位置及速度信息与飞行器的INS导航信息利用数据融合方法进行数据融合，得飞行器的导航信息，然后根据飞行器的导航信息对飞行器进行导航。

步骤1)的具体操作为：规划飞行器的航迹，在飞行器的航迹内搜集外辐射源，然后根据搜集到的各外辐射源的位置信息选择辐射源，并将选择的辐射源以及该辐射源的位置信息录入到数据库中，得外辐射源数据库。

根据所述调频信号直达波利用数字信号处理算法得单次测量外辐射源的相位差、相位差的变化率及频率变化率测量。

多普勒测速仪根据调频信号直达波得单次测量外辐射源的频率变化率其中，

${\stackrel{\·}{f}}_d\left(t\right)=\frac{f_d\left(t\right)-f_d(t-1)}{\mathrm{\Δ}t}$

其中，f_d(t)为t时刻调频信号直达波的频率，f_d(t-1)为t-1时刻调频信号直达波的频率，Δt为t时刻与t-1时刻的时间差；

干涉仪根据所述调频信号直达波得第t时刻单次测量外辐射源的相位差

则单次测量外辐射源的相位差变化率其中

其中，为t-1时刻的单次测量外辐射源的相位差。

实施例一

假设以平台中心O为相对原点，并假定目标辐射源(Target,T)与观测站(Observer,O)之间的径向距离为r，方向角为b，观测平台的速度为目标的坐标和速度分别为(x_T,y_T)和目标和观测站的相对速度为v，相对径向速度、相对切向速度、相对水平速度和相对垂直速度分别为v_t、v_r、和如图3所示，其中，目标辐射源和观测站的相对位置和速度分别为(x,y)＝(x_T-x_O,y_T-y_O)和 $(\stackrel{\·}{x},\stackrel{\·}{y})=({\stackrel{\·}{x}}_T-{\stackrel{\·}{x}}_O,{\stackrel{\·}{y}}_T-{\stackrel{\·}{y}}_O).$

参见图4：多普勒测速仪根据调频信号直达波得单次测量外辐射源的频率变化率其中，

${\stackrel{\·}{f}}_d\left(t\right)=\frac{f_d\left(t\right)-f_d(t-1)}{\mathrm{\Δ}t}$

其中，f_d(t)为t时刻调频信号直达波的频率，f_d(t-1)为t-1时刻调频信号直达波的频率，Δt为t时刻与t-1时刻的时间差；

干涉仪根据所述调频信号直达波得第t时刻单次测量外辐射源的相位差

则单次测量外辐射源的相位差变化率其中

其中，为t-1时刻的单次测量外辐射源的相位差。

获得飞行器与外辐射源之间的距离r(t)的具体过程为：

由相位差原理得：

其中，c为光速，f_T为辐射源信号的频率，相位差系数

对(1)式求导得：

联立(1)和(2)可得目标的方位和其变化率的信息：

通过运动学原理可得：

$v_t\left(t\right)=r\left(t\right)\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}\left(t\right)---\left(6\right)$

$\stackrel{\·\·}{r}\left(t\right)=\frac{{v_t}^2\left(t\right)}{r\left(t\right)}---\left(7\right)$

由多普勒原理得：

$v_r\left(t\right)=\stackrel{\·}{r}\left(t\right)=-{\mathrm{\λf}}_d\left(t\right)---\left(8\right)$

联立公式(5)-(8)得：

步骤4)的具体操作为：

a)通过惯性导航，获得飞行器自身初始参数；

b)建立飞行器状态方程和观测方程；

其中，离散时间变量k≥0；x(k)为状态向量；u(k)为输入向量；z(k+1)为观测向量，f及h分别为非线性状态函数和非线性测量函数，且具有关于状态的一阶连续偏导数；w(k+1)和v(k+1)分别是过程噪声和测量噪声；

c)求状态方程和观测方程的雅克比矩阵；

$F\left(k\right)=\frac{\∂f\left(x\right(k),u(k),k)}{\∂x},$

$H(k+1)=\frac{\∂h\left(x\right(k+1),k+1)}{\∂x}\·$

d)利用Kalman滤波方法，获得飞行器与外辐射源的相对位置、速度等估计；

预测：

$\hat{x}(k+1|k)=f\left(\hat{x}\right(k),u\left(k\right),k)+w(k+1)$

P(k+1|k)＝F(k)P(k)F^T(k)+Q(k+1)

S(k+1)＝H(k+1)P(k+1|k)H^T(k+1)+R(k+1)

估计：

$\mathrm{\γ}(k+1)=z(k+1)-h\left(\hat{x}\right(k+1|k),k+1)-w(k+1)$

${\hat{x}}_l(k+1)=x_l(k+1|k)+K(k+1){\mathrm{\γ}}_l(k+1)$

P(k+1)＝[I-K(k+1)H(k+1)]P(k+1|k)

令k+1→k，回到预测。

e)由于已知外辐射源的位置和速度，那么通过下面相对运动公式，可以获得飞行器的位置和速度；

(x,y)＝(x_T-x_O,y_T-y_O)和 $(\stackrel{\·}{x},\stackrel{\·}{y})=({\stackrel{\·}{x}}_T-{\stackrel{\·}{x}}_O,{\stackrel{\·}{y}}_T-{\stackrel{\·}{y}}_O).$

Claims (4)

1.一种基于单个外辐射源的组合导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立外辐射源数据库；

2)飞行器飞行过程中，飞行器上的天线接收单个辐射源发射的调频信号直达波，根据所述调频信号直达波得单次测量外辐射源的相位差、相位差的变化率及频率变化率；

3)根据所述单次测量外辐射源的相位差、相位差变化率和频率变化率基于运动学定理得观测站和与飞行器之间的间距；

4)根据步骤3)得到的观测站与飞行器之间的间距、以及步骤2)得到的所述单次测量外辐射源的相位差、相位差变化率及频率变化率建立飞行器的状态方程，然后根据飞行器的状态方程通过Kalman滤波方法得飞行器的位置及速度信息；

5)获取飞行器的INS导航信息，然后将步骤4)得到的飞行器的位置及速度信息与飞行器的INS导航信息利用数据融合方法进行数据融合，得飞行器的导航信息，然后根据飞行器的导航信息对飞行器进行导航。

2.根据权利要求1所述的基于单个外辐射源的组合导航方法，其特征在于，步骤1)的具体操作为：规划飞行器的航迹，在飞行器的航迹内搜集外辐射源，然后根据搜集到的各外辐射源的位置信息选择辐射源，并将选择的辐射源以及该辐射源的位置信息录入到数据库中，得外辐射源数据库。

3.根据权利要求1所述的基于单个外辐射源的组合导航方法，其特征在于，根据所述调频信号直达波利用数字信号处理算法得单次测量外辐射源的相位差、相位差的变化率及频率变化率测量。

4.根据权利要求1所述的基于单个外辐射源的组合导航方法，其特征在于，多普勒测速仪根据调频信号直达波得单次测量外辐射源的频率变化率其中，

${\stackrel{\·}{f}}_d\left(t\right)=\frac{f_d\left(t\right)-f_d(t-1)}{\mathrm{\Δ}t}$

其中，f_d(t)为t时刻调频信号直达波的频率，f_d(t-1)为t-1时刻调频信号直达波的频率，Δt为t时刻与t-1时刻的时间差；

干涉仪根据所述调频信号直达波得第t时刻单次测量外辐射源的相位差

则单次测量外辐射源的相位差变化率的表达式：

其中，为t-1时刻的单次测量外辐射源的相位差。