一种基于WGS-84地球模型三站时差快速精确定位方法

技术领域

本发明涉及无源时差定位技术领域，具体涉及一种基于WGS-84地球模型三站时差快速精确定位方法。

背景技术

多站无源时差定位是一种重要的无源时差定位方法，它通过处理三个或更多个接收站采集到的信号到达时间数据，从而对辐射源进行定位。由于没有能量覆盖和杂波问题，理论上不存在探测盲区。同时，由于时差定位系统本身不发射任何辐射，所以有低截获概率特性。具备先天性抗干扰、抗反辐射导弹、抗低空突防和反隐身的综合“四抗”能力。在现代电子战中具有较强的优势和生存能力，在电子对抗中正扮演着越来越重要的角色。因此，研究快速精确的时差定位方法是无源时差定位系统中一个十分重要的课题。

基于三站时差定位系统，WGS-84地球模型为基础，设计的时差定位算法，是目前最常用的无源定位方法。目前以WGS-84地球模型为基础，设计的时差定位算法，主要通过牛顿迭代方法获取目标定位值，但牛顿迭代方法具有定位时间长、定位目标不精确、迭代容易发散、容易产生定位模糊，定位系统复杂，定位不精确等缺点，牛顿迭代算法需要迭代，迭代部分耗时较大，运算效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种基于WGS-84地球模型三站时差快速精确定位方法，解决现有的无源时差定位方法中定位模糊、定位系统复杂、定位时间长、定位精度低和运算效率低等问题。

一种基于WGS-84地球模型三站时差快速精确定位方法，包括以下步骤：

1)确定三个测量站的布站位置，并获取三个测量站大地直角坐标(x

2)根据三个测量站大地直角坐标，计算三个测量站位置相关常数；

3)构建三站时差定位模型，设定目标大地高程，计算目标与两个副站的时差值；根据三个测量站位置相关常数、目标与两个副站的时差值、三站时差定位模型以及目标大地高程，得到目标与主测量站的距离r

4)求解r

5)根据时差定位系统的侦察范围，排除虚假r

6)根据真实的r

7)根据设定的目标大地高程和目标大地直角坐标,计算出目标的经纬度坐标。

进一步的，所述步骤1)具体为：

测量三个测量站位置参数，根据三个测量站位置参数，结合计算WGS-84地球模型，计算三站大地直角坐标。

进一步的，所述三个测量站位置参数包括三个测量站的经度、纬度、大地高程。

进一步的，所述三个测量站位置相关常数包括A、K

进一步的，构建三站时差定位模型具体步骤为：测量信号从目标到三个测量站的到达时间TOA，得到两组独立的时差；根据时差、光速、三个测量站大地直角坐标、WGS-84地球模型构建三站时差定位模型；所述三站时差定位模型为：

所述C为光速，r

进一步的，所述步骤4)中，使用费拉里求根公式，求解r

本发明的有益效果是：本发明通过确定三个测量站布站位置，获取三个测量站大地直角坐标，计算三个测量站位置相关常数，方便用于后续对目标经纬度计算，减少了时差定位方法的运算量。通过构建三站时差定位模新，得到目标与主站的距离的一元四次方程，保存时差定位算法的中间计算值，避免反复运算，提高时差定位方法的运算效率，同时有效地提高了时差定位方法的定位精度。

具体实施方式

实施例一：

WGS-84地球模型是一种国际上通用的地球椭球模型，WGS-84模型的空间大地坐标系(LBH)的几何中心与WGS-84模型的空间直角坐标系(XYZ)原点重合，其旋转角也与直角坐标系的Z轴重合，WGS-84椭球的常用参数和基本常数如下：

地球长半轴为a＝6378137.0m，

地球短半轴为b＝6356752.3142m，

地球第一偏心率：

地球第二偏心率：

原点卯酉圆曲率半径：

目标大地坐标系到大地直角坐标系转换：假设空间一点目标在大地直角坐标系中的坐标为(X,Y,Z),在大地坐标系中的坐标为(L,B,H)，则在已知目标的大地坐标时，求解目标的大地直角坐标公式如下：

式中，L为目标经度；B为目标纬度；H为目标大地高程。该模型同样适用于测量站大地坐标系到大地直角坐标系转换。

本发明提供一种基于WGS-84地球模型三站时差快速精确定位方法，包括以下步骤：

1)确定三个测量站的布站位置，并获取三个测量站大地直角坐标(x

2)根据三个测量站大地直角坐标，计算三个测量站位置相关常数；三个测量站位置相关常数包括A、K

3)构建三站时差定位模型，设定目标大地高程，计算目标与两个副站的时差值；根据三个测量站位置相关常数、目标与两个副站的时差值、三站时差定位模型以及目标大地高程，得到目标与主测量站的距离r

构建三站时差定位模型具体步骤为：测量信号从目标到三个测量站的到达时间TOA，得到两组独立的时差；根据时差、光速、设定目标的大地高程、三个测量站大地直角坐标及WGS-84地球模型构建三站时差定位模型；三站时差定位模型为：

C为光速，r

结合三站时差定位模型中的第6～第9式，可以得出如下组合公式：

根据(3-2)组合公式，三站时差定位模型无法求解目标高程，在工程应用中，需要通过对目标的高程进行假设，求解出目标的经纬度坐标。

时差定位模型为非线性双曲线交叉定位模型，根据(3-2)组合公式可知，组合公式未知参数多，求解困难，常用的时差定位算法主要是对上述组合公式进行微分，使用牛顿迭代方法获取目标定位值，但牛顿迭代方法具有定位时间长、定位目标不精确、迭代容易发散等缺点。本发明对(3-2)组合公式进行如下推导：

结合上述组合公式的第1～第4式，可以推导出：

其中，d

显然可以得出：

在确定三个测量站布站位置后，已经提前计算出矩阵

对(4-3)组合公式进行代数替换，得到：

其中p

根据(4-5)组合公式的第1，第2式，可以推出：

对上式进行代数替换：

将(4-6)公式带入(4-5)组合公式中的第3式，可以推出：

对上式进行代数替换，可以推出：

显然，可以求解z为：

对上式进行代数替换，可得：

根据(4-7)公式，可得:

对上式进行代数替换：

令a＝(N+H)

对上式进行代数替换，并结合(4-7)、(4-9)，可以得到方程组：

将组合公式(4-10)的第2、第3式代入第1式，可以推出：

对上式两边同时平方，并进行代数替换，可以得到目标与主站的距离r

4)求解r

5)根据(4-11)，r

6)根据真实的r

7)根据设定目标大地高程H，目标大地直角坐标(x,y,z)、目标大地高程H和三站时差定位模型,计算出目标的经纬度坐标(L,B,H)。

实施例二：

在计算机或者硬件设备上实现上述算法时，必然存在有限位精度数字表示所带来的数值误差，对比本发明基于WGS-84地球模型三站时差快速精确定位方法和牛顿迭代法，在不考虑运算时间的情况下，数值误差对两种方法的影响几乎一致，因此，固定牛顿迭代法的迭代次数，使其运算时间与本发明提供的基于WGS-84地球模型三站时差快速精确定位方法相近，通过蒙特卡洛100次仿真计算，得出定位误差如表1所示。

表1定位误差对比

根据表1可知，本发明提供的定位方法，进行1次迭代，定位误差仅约为0.036m；常规牛顿迭代法,需要进行2次迭代，定位误差高达96.84m。由此可知，在相近的运算时间内，常规牛顿迭代算法的定位精度远不如本发明提供的基于WGS-84地球模型三站时差快速精确定位方法的精度。

牛顿迭代法中，迭代算法的变量替换次数和去除虚假解的运算量，比本发明提供的基于WGS-84地球模型三站时差快速精确定位方法少。但是，牛顿迭代法中，获取目标值，迭代算法需要迭代，即重新进行变量替换和解四次方程，迭代部分耗时较大，运算效率低。在达到相同定位精度下，迭代算法与本发明提供的基于WGS-84地球模型三站时差快速精确定位方法的运算效率对比表如表2所示：

表2运算效率对比表

通过多次仿真实验，本发明提供的基于WGS-84地球模型三站时差快速精确定位方法的运算总时间约为29.478ms，常规的牛顿迭代方法运算总时间约为69.92ms，本发明的定位方法效率比常规的牛顿迭代方法高57％以上，使用本发明提供的定位方法，即可以保证运算效率，也可以保证高精度的定位效果。

需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员在未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都应涵盖在本发明的保护范围。