一种基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法
阅读：946发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及雷达探测技术，具体涉及一种基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法，包括接收远海的待探测目标所在区域的浮标返回的探测 信号 并根据所接收探测信号反演出电离层 电子 浓度结构模型；其中，探测信号为经过电离层反射区域反射后返回至短波发射站的信号，且电离层反射区域为能将短波 辐射 至待探测目标所在区域的电离层区域；基于反演得到的电离层电子浓度结构模型，利用三维射线追踪法追踪计算在雷达工作 频率 下短波发射站接收的回波仰 角 和回波方位角的群路径大小，并计算在不同模式下群路径和大地距离；利用已知高频信标返回的坐标信息修正大地距离。该方法构建的电离层模型更加准确，进而可以提高目标的 定位 精度 。，下面是一种基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法专利的具体信息内容。
1.一种基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法，其特征是，该方法应用于双程斜向返回探测系统，系统包括：短波发射站、位于照射区域内的浮标；具体步骤如下：
步骤1、接收远海的待探测目标所在区域的浮标返回的探测信号并根据所接收探测信号反演出电离层电子浓度结构模型；其中，探测信号为经过电离层反射区域反射后返回至短波发射站的信号，且电离层反射区域为能将短波辐射至待探测目标所在区域的电离层区域；
步骤2、基于反演得到的电离层电子浓度结构模型，利用三维射线追踪法追踪计算在雷达工作频率下短波发射站接收的回波仰角和回波方位角的群路径大小，并计算在不同模式下群路径和大地距离；
步骤3、利用已知高频信标返回的坐标信息修正大地距离。
2.如权利要求1所述的基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法，其特征是，步骤1的实现包括：
步骤1.1、接收远海的待探测目标所在区域的浮标返回的探测信号；
步骤1.1.1、短波发射站向电离层反射区域辐射短波；
步骤1.1.2、浮标上设有接收天线以及与接收天线通信连接的应答机，在应答机接收到短波发射站发射的短波后，向电离层发射探测信号，以使探测信号经过电离层的反射达到短波发射站；
步骤1.2、根据所接收探测信号反演出电离层电子浓度结构模型；
步骤1.2.1、接收远海的待探测目标所在区域的浮标返回的信号，获取电离层的垂测电离图、电离层反射区域的斜测电离图、电离层历史数据与预报数据；
步骤1.2.2、利用数据同化方法对浮标返回的信号、电离层的垂测电离图、电离层反射区域的斜测电离图、电离层历史数据与预报数据进行数据同化，并根据同化后的数据构建电离层电子浓度结构模型。
3.如权利要求1所述的基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法，其特征是，步骤2的实现包括：
步骤2.1、利用三维射线追踪法追踪计算在雷达工作频率下短波发射站接收的回波仰角和回波方位角的群路径大小，包括：
利用公式 对雷达操作频率的电波进行射线追踪，得到回波的群路径，其中，k为电波波数，ω为电波角频率，c为真空中的光速，r为波矢量，τ为电波的群路径；
步骤2 .2、计算在不同模式下群路径和大地距离 ，包括：利用公式，
计算大地距离和修正后的群路径，其中，D为大地距离，Re
为地球半径，∫为不定积分，θ为大地上的地心角，P′为群路径，s为射线路径上的弧长，且R＝Re+z，z为距离地面高度。
4.如权利要求1所述的基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法，其特征是，步骤3的实现包括：
步骤3.1、根据浮标返回的自身坐标以及短波发射站的坐标计算二者的距离A，将二者的距离A与步骤2中得到的大地距离D进行求差处理，得到误差；
步骤3.2、使用步骤3.1所得误差作为修正误差来修正大地距离；
步骤3.3、雷达在目标定位和跟踪过程中得到的目标多径回波信号，根据目标不同传播模式的回波进行模式分配，给出目标最终的地面坐标和航迹。
一种基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法
技术领域
[0001] 本发明属于雷达探测技术领域，尤其涉及一种基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法。
背景技术
[0002] 天波超视距雷达是利用电波在电离层折射的方法观测目标，但是雷达所收到的目标回波时延所表征的是目标离雷达站的“虚距”，即雷达电波群时延和光速的乘积，因此，为了得到雷达目标的实际位置，必须将目标群路径群时延和射线方位角转换为地理坐标，也就是说需要把由雷达回波得到的雷达坐标系下的坐标转换为实际地理坐标系下的目标位置，这一过程叫做坐标配准。
[0003] 天波超视距雷达坐标配准系统通过建立目标回波信号和目标真实地面位置的对应关系，为天波超视距雷达目标定位、模式识别、航迹连接提供支持和保证，坐标配准系统既可以作为天波超视距雷达频率管理系统的一个功能模块，也可以与雷达目标定位和跟踪处理系统相结合，提高天波超视距雷达数据处理的能力和精度。
[0004] 目前，坐标配准采用的是发表于《弹箭与制导学报》2005年第S5期“天波超视距雷达坐标配准方法”，孔敏、王国宏等”提供的基于球面量测模型的坐标配准方法，但是，由于电离层存在不同方式和不同程度的扰动，容易产生一个目标出现多个群时延的情况，雷达接收到多个回波而不能够正确判断每个回波的传播模式，导致坐标配准和模式识别的工作变得困难，使配准精度下降。因此，现有技术存在天波超视距雷达坐标配准的精度不高的技术问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法，该方法应用于双程斜向返回探测系统，系统包括：短波发射站、位于照射区域内的浮标；具体步骤如下：
[0007] 步骤1、接收远海的待探测目标所在区域的浮标返回的探测信号并根据所接收探测信号反演出电离层电子浓度结构模型；其中，探测信号为经过电离层反射区域反射后返回至短波发射站的信号，且电离层反射区域为能将短波辐射至待探测目标所在区域的电离层区域；
[0008] 步骤2、基于反演得到的电离层电子浓度结构模型，利用三维射线追踪法追踪计算在雷达工作频率下短波发射站接收的回波仰角和回波方位角的群路径大小，并计算在不同模式下群路径和大地距离；
[0009] 步骤3、利用已知高频信标返回的坐标信息修正大地距离。
[0010] 在上述的基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法中，步骤1的实现包括：
[0011] 步骤1.1、接收远海的待探测目标所在区域的浮标返回的探测信号；
[0012] 步骤1.1.1、短波发射站向电离层反射区域辐射短波；
[0013] 步骤1.1.2、浮标上设有接收天线以及与接收天线通信连接的应答机，在应答机接收到短波发射站发射的短波后，向电离层发射探测信号，以使探测信号经过电离层的反射达到短波发射站；
[0014] 步骤1.2、根据所接收探测信号反演出电离层电子浓度结构模型；
[0015] 步骤1.2.1、接收远海的待探测目标所在区域的浮标返回的信号，获取电离层的垂测电离图、电离层反射区域的斜测电离图、电离层历史数据与预报数据；
[0016] 步骤1.2.2、利用数据同化方法对浮标返回的信号、电离层的垂测电离图、电离层反射区域的斜测电离图、电离层历史数据与预报数据进行数据同化，并根据同化后的数据构建电离层电子浓度结构模型。
[0017] 在上述的基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法中，步骤2的实现包括：
[0018] 步骤2.1、利用三维射线追踪法追踪计算在雷达工作频率下短波发射站接收的回波仰角和回波方位角的群路径大小，包括：
[0020] 步骤2.2、计算在不同模式下群路径和大地距离，包括：利用公式，计算大地距离和修正后的群路径，其中，D为大地距离，Re
为地球半径，∫为不定积分，θ为大地上的地心角，P′为群路径，s为射线路径上的弧长，且R＝Re+z，z为距离地面高度。
为地球半径，∫为不定积分，θ为大地上的地心角，P′为群路径，s为射线路径上的弧长，且R＝Re+z，z为距离地面高度。
[0021] 在上述的基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法中，步骤3的实现包括：
[0022] 步骤3.1、根据浮标返回的自身坐标以及短波发射站的坐标计算二者的距离A，将二者的距离A与步骤2中得到的大地距离D进行求差处理，得到误差；
[0023] 步骤3.2、使用步骤3.1所得误差作为修正误差来修正大地距离。
[0024] 步骤3.3、雷达在目标定位和跟踪过程中得到的目标多径回波信号，根据目标不同传播模式的回波进行模式分配，给出目标最终的地面坐标和航迹。
[0025] 本发明的有益效果：接收远海的待探测目标所在区域的浮标返回的探测信号，并根据所述探测信号构建出更加准确的电离层电子浓度模型，相对于现有技术构建的模型更加接近电离层当前状态；同时，还根据斜返、垂测、斜测数据进行数据融合，充分利用了各种方法的优点，因此，构建的电离层模型更加准确，进而可以提高目标的定位精度。附图说明
[0026] 图1为本发明实施例提供的一种基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法的流程示意图；
[0027] 图2为本发明实施例提供的一种基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法中射线追踪示意图；
[0028] 图3为本发明实施例提供的一种基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法中坐标校正的流程示意图；
[0029] 图4为现有的PD变换示意图；
[0030] 图5为本发明实施例提供的一种基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法中PD变换示意图。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
[0032] 本实施例提供了一种基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法，应用于双程斜向返回探测系统，系统包括：短波发射站、位于照射区域内的浮标，方法包括：
[0033] 1)、接收远海的待探测目标所在区域的浮标返回的探测信号并根据探测信号反演出电离层电子浓度结构模型，其中，信号为经过电离层反射区域反射后返回至短波发射站的信号，且电离层反射区域为能将短波辐射至待探测目标所在区域的电离层区域；
[0034] 2)、基于反演后得到的电离层电子浓度结构模型，利用三维射线追踪法追踪计算在雷达工作频率下短波发射站接收的回波仰角和回波方位角的群路径大小，并计算在不同模式下群路径和大地距离；
[0035] 3)、利用已知高频信标返回的坐标信息修正大地距离。
[0036] 并且，接收远海的待探测目标所在区域的浮标返回的信号包括：
[0037] 1.1、短波发射站向电离层反射区域辐射短波
[0038] 1.2、浮标上设有接收天线以及与接收天线通信连接的应答机，在应答机接收到短波发射站发射的短波后，向电离层发射探测信号，以使探测信号经过电离层的反射达到短波发射站。
[0039] 并且，根据信号反演出电离层电子浓度结构模型包括：
[0040] 1.3、接收远海的待探测目标所在区域的浮标返回的信号，获取电离层的垂测电离图、电离层反射区域的斜测电离图、电离层历史数据与预报数据；
[0041] 1.4、利用数据同化方法对浮标返回的信号、电离层的垂测电离图、电离层反射区域的斜测电离图、电离层历史数据与预报数据进行数据同化，并根据同化后的数据构建电离层电子浓度结构模型。
[0042] 并且，利用三维射线追踪法追踪计算在雷达工作频率下短波发射站接收的回波仰角和回波方位角的群路径大小，包括：
[0043] 利用公式， 对雷达操作频率的电波进行射线追踪，得到回波的群路径，其中，k为电波波数；ω为电波角频率；c为真空中的光速；r为波矢量；τ为电波的群路径。
[0044] 并且，计算在不同模式下群路径和大地距离 ，包括 ：利用公式，计算大地距离和修正后的群路径，其中，D为大地距离；Re
为地球半径；∫为不定积分；θ为大地上的地心角；P′为群路径；s为射线路径上的弧长，且且R＝Re+z，z为距离地面高度。
为地球半径；∫为不定积分；θ为大地上的地心角；P′为群路径；s为射线路径上的弧长，且且R＝Re+z，z为距离地面高度。
[0045] 而且，最后雷达在目标定位和跟踪过程中得到的目标多径回波信号，根据目标不同传播模式的回波进行模式分配，给出目标最终的地面坐标和航迹。
[0046] 而且，短波发射站与浮标中的应答机组成全相参体系。
[0047] 而且，待探测目标位于以浮标为中心，半径为200km的圆形区域内。
[0048] 而且，浮标以扫频的方式发送电离层探测信号。
[0049] 而且，在利用已知高频信标返回的坐标信息修正大地距离时，还包括地海杂波信息等地面坐标参考源，以提高坐标配准精度。
[0050] 具体实施时，如图1所示，一种基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法，该方法应用于双程斜向返回探测系统，系统包括：短波发射站、位于照射区域内的浮标，方法包括：
[0051] S101：短波发射站接收远海的待探测目标所在区域的浮标返回的探测信号并根据探测信号反演出电离层电子浓度结构模型，其中，信号为经过电离层反射区域反射后返回至短波发射站的信号，且电离层反射区域为能将短波辐射至待探测目标所在区域的电离层区域。
[0052] 1)垂测数据：从地面垂直向上发射扫频高频脉冲波，通过测量从电离层反射回波到达接收机的时间延迟，获得各频率点电离层虚高随频率的变化即为电离层垂直探测，所获探测结果称为频高图。用于垂直入射探测的电离层探测仪通常简称为垂测仪，有时也叫做测高仪。然后，根据垂直探测所得到的频高图，可通过反演虚高积分方程，以获得电离层电子浓度剖面图，其中，
[0053] hν为垂测仪探测到的虚高；hγ为电波反射的实际高度；∫为不定积分；N(h)为；εo为；me为；ω为；e为自然底数。
[0054] 2)斜测数据：根据电离层反射区域的斜测电离图进行反演得到电离层电子浓度剖面，见发表于2003年06期的“斜测电离图反演及其不稳定性研究”，柳文等。具体过程可以为：先设定初始的电离层参数，例如，临界频率fc、最大电子浓度对应的高度rm；电离层底部高度rb；然后，根据电离层参数，对于选定的三个频率分别用迭代法解超越方程，求出由发射站到达接收站的电波射线的仰角β1、β2、β3。然后，由仰角β1、β2、β3计算出电波群路径，并计算与观测值的误差Δp′1、Δp′2、Δp′3。然后计算出Δfc、Δrm、Δrb，进而修正原来的电离层参数为fc＝fc+Δfc、rm＝rm+Δrm、rb＝rb+Δrb。重复上述步骤，直至误差Δp′1、Δp′2、Δp′3小于预定的目标位置，进而可以根据得到电离层参数得到电离层斜测图。
[0055] 3)、斜返数据：当发射端发射的无线电波倾斜投射到电离层时，经电离层反射到达远方的地球表面，因地球表面的不平坦和电气不均匀特性而产生散射作用，使一部分电波能量循原入射路径再经电离层反射而返回到发射点，被与发射机处于同一位置的接收机所收到。这种无线电波传播过程称为天波后向散射传播。利用这个机制进行探测的方法称为电离层斜向返回探测，又称为天波后向散射探测或地面后向散射探测。利用这个机制进行探测的方法称为电离层斜向返回探测。
[0056] 本实施例可以接收远海的待探测目标所在区域的浮标返回的信号；获取电离层的垂测电离图、电离层反射区域的斜测电离图、电离层历史数据与预报数据；需要强调的是，上述过程为现有技术，本实施例在此不再赘述，下面仅对图1所示的电离层斜向返回探测准实时数据，即待探测目标所在区域的浮标返回的探测信号的获取过程进行如下说明：
[0057] 为了保证精度，所要探测的待探测目标应当位于以浮标为中心，半径为200km的圆形区域内；也就是说，本实施例仅能对以浮标为中心，半径200km范围内的海域进行高精度探测。短波发射站与浮标中的应答机组成全相参体系，采用同一波形设计。可以由短波发射站向电离层反射区域辐射短波，浮标上设有接收天线以及与接收天线通信连接的应答机，在应答机接收到短波发射站发射的短波后，以扫频的方式发送电离层探测信号，进而使探测信号经过电离层的反射达到短波发射站。
[0058] 短波发射机接收来自浮标的扫频信号，以其中一个频率的信号为例，经过解调和低通滤波之后，接收信号rd(t)可表示为：
[0059] 其中，
[0060] rd(t)为接收信号；为不定积分；h(t,τ)为双时响应函数；τ为相对时延；R为探测范围；u(t-τ)为预先设定的发射信号；t为信号被发射的时刻。
[0061] 把短波发射机的发射信号e(t)和接收信号rd(t)做互相关运算，可得互相关运算结果 进而可以利用公式， 计算双时响应函数，其中，
[0062] h(tc,tp)为双时响应函数；δ(tp)为δ函数；tc为信号被发射出去的时刻；tp为信号被接收的时刻。
[0063] 为了便于理解双时响应函数计算公式的推导过程，互相关运算结果为：
[0064] 其中，
[0065] 其中，T0为相关时间；u(t-tp)为；h(t,τ)为。
[0066] 通常情况下，T0小于电离层信道的稳定时间，那么电离层信道可认为是一个线性时不变系统。
[0067] 因此，h(t,tp)≈h(tc,tp)，h(t,tp)为。
[0068] 进而，
[0069] 由于调制信号的自相关函数具有Dirac形状，那么：Cu,u(tp)＝δ(tp)因此有：
[0070]
[0071] 对于线性时变系统，用变量t代替tc，就可以获得双时响应函数。因此，只要采用这种具有良好自相关性的伪随机序列对发射载波进行调制，每次测量就可直接得到特定时间t的电离层信道的一次单频全路径“回波～距离函数”。
[0072] 在使用窄带雷达时，一次探测只能在全路径上观测到一个频点的回波信息，若要获得反映回波多普勒信息的散射函数或不同探测频率下的p'-f曲线图，必须通过在不同的频点上经过多次测量才能完成。对于测量散射函数，仅需要在单频点上完成多次测量，再沿时间轴对记录的信道脉冲响应数据作快速付利叶运算。对于测量p'-f函数，每次测量相对于相邻的测量要按一定的步进增加或减少探测频率。
[0073] 通过电离层散射函数可以获得回波在时域和频域的分布特征，从而确定回波的时延、多径、多普勒频移和展宽信息。而p'-f曲线则可以用于确定跳距以及在不同地球物理条件下跳距随时间的变化，也可以获得电离层结构信息和高频信道特征信息，根据p'-f曲线获得电离层结构信息和高频信道特征信息的过程为现有技术。
[0074] 本实施例实际是使用反射后的浮标发射的探测信号作为短波发射站的接收信号，以代替短波发射站发射出去的短波信号对应的后向散射回波；然后从斜返探测的电路图中读取出电子浓度数据。
[0075] 4)历史及预报数据：电离层历史数据是指对电离层进行观测所积累的历史数据，电离层预报数据是指，根据电离层历史数据对未来设定时段内的电离层的结构所进行的预测数据，这些数据都是现有技术得到的数据。
[0076] 5)利用数据同化方法电离层的垂测电离图、电离层反射区域的斜测电离图、电离层历史数据与预报数据进行数据同化，并根据同化后的数据构建电离层电子浓度结构模型。
[0078] S102：基于反演后得到的电离层电子浓度结构模型，利用三维射线追踪法追踪计算在雷达工作频率下短波发射站接收的回波仰角和回波方位角的群路径大小，并计算在不同模式下群路径和大地距离。
[0079] 图2为本实施例提供的一种基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法中射线追踪示意图；如图2所示，可以利用公式，
[0080] 对雷达操作频率的电波进行射线追踪，得到回波的群路径，其中，k为电波波数；ω为电波角频率；c为真空中的光速；r为波矢量；τ为电波的群路径。
[0081] 如图2所示，利用上述公式对某一频率射线追踪的效果图，通过三维射线追踪算法，可以得到每条射线的群路径P和大圆距离D的信息，因此从电离层和雷达探测结果中，可以获取信标和目标的群路径信息，只要区域电离层足够精确，则可以利用射线追踪获取群路径P对应的较为精确的大地距离D。在图2中，横坐标为大地距离，纵坐标为高度，单位均为km。
[0082] 然后，可以利用公式， 计算大地距离和修正后的群路径，其中，
[0083] D为大地距离；Re为地球半径；∫为不定积分；θ为大地上的地心角；P′为群路径；s为射线路径上的弧长，且 R＝Re+z，z为距离地面高度。
[0084] 用射线追踪计算雷达可用频率以及一定方位角和仰角下的特征射线的群路径距离和地面路径距离，并计算对应模式的转换系数表和方位角计算系数。
[0085] S103：利用已知高频信标返回的坐标信息修正大地距离。
[0086] 如图3所示，根据浮标返回的自身坐标以及短波发射站的坐标计算二者的距离A，然后，将二者的距离A与S102步骤中得到的大地距离D进行求差处理，得到误差。
[0087] 然后使用该误差作为修正误差用于修正利用本实施例的方法得到的大地距离。
[0088] 图4为现有的PD变换示意图；图5为本实施例提供的一种基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配准方法中PD变换示意图；如图4和图5所示，横坐标为大地距离(Ground Range)，纵坐标为斜距(Slant Range)，图4和图5均为电离层背景下单频单模PD变换示意图，图5中的“×”表明该工作频率下，根据浮标上的应答机实际地理位置和回波时延给出的PD变换修正值。
[0089] 应用本实施例时，远海的待探测目标所在区域的浮标返回的探测信号，并根据探测信号构建出更加准确的电离层电子浓度模型，相对于现有技术构建的模型更加接近电离层当前状态；同时，还根据斜返、垂测、斜测数据进行数据融合，充分利用了各种方法的优点，因此，构建的电离层模型更加准确，进而可以提高目标的定位精度。
[0090] 另外，现有技术中进行斜返探测时，短波发射站发射的探测信号被电离层反射时对应的电离层状态与斜返信号被电离层反射时对应的电离层状态可能存在区别，进而导致重构后的电离层与实际的电离层存在误差，而应用本实施例，在短波发射站发射信号达到浮标时，浮标发射电离层探测信号，短波发射站接受的反射的探测信号仅经过一次反射，误差更小，因此，短波发射站根据电离层反射的探测信号可以矫正斜向返回探测信号的误差，相对于现有技术中仅利用斜向返回探测信号进行待探测目标的定位降低了定位误差。
[0091] S104：最后雷达在目标定位和跟踪过程中得到的目标多径回波信号，根据目标不同传播模式的回波进行模式分配，给出目标最终的地面坐标。
[0092] 利用已知高频信标返回的坐标信息修正大地距离时，还包括地海杂波信息等地面坐标参考源，以提高坐标配准精度。
[0093] 本实施例还提供了一种基于浮标地理信息的天波超视距雷达坐标配系统，系统包括：短波发射站、位于照射区域内的浮标：
[0094] 短波发射站，用于：
[0095] ①接收远海的待探测目标所在区域的浮标返回的信号并根据信号反演出电离层准实时参数和结构，其中信号为经过电离层反射区域反射后返回至短波发射站的信号，且电离层反射区域为能将短波辐射至待探测目标所在区域的电离层区域；
[0096] ②基于反演后得到的电离层实时参数和结构，利用三维射线追踪法追踪计算在雷达工作频率下短波发射站接收的回波仰角和回波方位角的群路径大小，并计算在不同模式下群路径和大地距离；
[0097] ③利用已知高频信标返回的坐标信息修正大地距离。
[0098] 应用时，接收远海的待探测目标所在区域的浮标返回的探测信号，并根据探测信号构建出更加准确的电离层电子浓度模型，相对于现有技术构建的模型更加接近电离层当前状态；同时，还根据斜返、垂测、斜测数据进行数据融合，充分利用了各种方法的优点，因此，构建的电离层模型更加准确，进而可以提高目标的定位精度。
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