基于无线电测向的台站定位Word文件下载.doc
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中文摘要
无线电的发明到广泛使用经历了一段漫长的历史进程,随着科学技术的发展进步,无线电技术已经运用到生活当中的各个角落,有着广泛的实用价值。
无线电定位技术在社会生活当中也有广泛的用途。
随着人们对无线电的研究也不断的深入,无线电的各方面的技术都得到极大的开放,其中对无线电台的测向定位技术就是其中的一个方面。
对于无线电台的定位研究计算方法,现今最基本的算法是平面算法和球面双站算法以及和其他因素相互分析结合的算法。
本文给出了多个定位算法,并对这些算法的计算公式进行解释和说明。
本文在讲解无线电相关发展历史和基本无线电定向常识以外,主要是研究无线电测向定位的算法的研究,在日常的使用过程当中球面算法的定位性比较准确,精确度比较高,在行业里有很大的研究价值。
而在传统的研究过程当中无线电定位技术主要有三种:
基于信号到达角度(AOA)定位、基于信号到达时间差(TDOA)定位、基于信号到达强度(SOA)定位。
这三种方法都是通过采用两个或者多个固定测向站联网进行测向定位,来确定未知无线电信号的具体的地理位置。
虽然现有的算法在扩大测向范围和提高定位精度方面起到了一定的作用,但是由于各种现实的原因而导致误差的存在,仍不可能使多元固定站交会定位的结果与被测目标位置完全重合或具有很小的偏差;
而是存在一个不小的概率椭圆误差区域,因而无法精确确定被测目标的真实位置。
无线电测向和定位是无线电研究和管理的耳目,是维护空中电波秩序的警察,是无线电科学管理的技术基础,为无线电管理部门提供频率规划、指配和协调的技术支持,是无线电频率指配程序的重要部分。
根据实际情况对无线电台站定位研究并提出有效的减少误差的方法是非常有必要的。
关键词:
无线电定位,无线电测向,台站定位
ABSTRACT
Theinventionofradiotothewidelyusedhasgonethroughalonghistoricalprocess,withthedevelopmentofscienceandtechnologyprogress,radiotechnologyhasbeenappliedtoeverycorneroflife,withawiderangeofpracticalvalue.Radiopositioningtechnologyinsociallifeandalsohastheextensiveuse.Aspeopleontheradioresearchalsounceasingthorough,radiotechnologyinallaspectshavebeengreatlyopen,oneofradiodirectionfindingandlocationtechnologyisoneofrespect.Theradiopositioningresearchmethods,themostbasicalgorithmisgraphicalgorithmandsphericaldoublestationalgorithmandotherfactorsareanalyzedincombinationwiththealgorithm.Thispapergivesapluralityofpositioningalgorithm,andthealgorithmformulaareexplainedandthe.Inthispaperthedevelopmenthistoryandbasicexplanationrelatedtoradioradiodirectionalsense,ismainlyonradiodirectionfindingalgorithm,inthedailyuseoftheprocessofsphericalalgorithmofaccuratepositioning,highaccuracy,intheindustryhasgreatresearchvalue.Inthetraditionalresearchofradiopositioningtechnologytobasicallyhavethreekinds:
Basedonthesignalarrivalangle(AOA)location,basedonsignaltimedifferenceofarrival(TDOA)location,basedonsignalarrivalintensity(SOA)positioning.Boththethreemethodsthroughtheuseofatwoorapluralityoffixeddirectionfindingstationnetworkingofdirectionfindingandlocation,todeterminetheunknownradiosignalofthespecificgeographiclocation.Althoughtheexistingalgorithmsinexpandingthescopeandimprovethepositioningaccuracyofdirectionfindingplayedacertainrole,butduetovariousreasonswhichledtotheerrorofexistence,isnotlikelytomakemultiplefixedstationintersectionpositioningresultswiththemeasuredtargetpositioniscompletelycoincidentwithorhasverysmalldeviation;
butthereisnotasmallprobabilityoferrorellipsearea,andthuscannotbepreciselydeterminethetruetargetposition.Radiodirectionfindingandlocationistheradioresearchandmanagementinformation,ismaintainingtheorderoftheairwavesofthepolice,isascientificmanagementtechnicalfoundation,fortheradiomanagementdepartmentstoprovidefrequencyplanning,allocationandcoordinationoftechnicalsupport,istheradiofrequencyassignmentprocedureimportantpart.Accordingtotheactualsituationofradiostationpositioningresearchandputforwardtheeffectivemethodtodecreasetheerrorisverynecessary
KEYWORDS:
Radiopositioning,radiodirectionfinding,stationlocation
目录
一、绪论
1.1无线电定位概述 2
1.1.1无线电相关含义 1
1.2.2选题来源、意义及主要技术指标 1
1.2.3研究的主要内容及关键技术(方法) 1
二、测向定位基础知识
2.1测向基础知识 1
2.1.1测向种类 1
2.1.2侧向原理 1
2.1.3无线电波基础知识 1
2.1.4典型测向系统简介与性能比较 1
2.2定位方法 1
2.2.1传统无线电定位技术 1
2.2.2无线电定位原理 1
2.2.3研究无线电测向站台定位技术的意义 1
2.3球面三角学的基础知识 1
三、定位算法分析
3.1测向数据的处理方法分析 1
3.2两站定位算法分析 1
3.3三站定位算法分析 1
四、多站定位算法分析
五、运用实例——监测站的布局设计
总结 1
参考文献 1
致谢 1
-ii-
-32-
一、绪论
1.1无线电定位概述
1.1.1无线电相关含义
一、什么是无线电技术
20世纪初,无线电测向仪被使用,因为体积较大,只用于航海;
在4年代后,在第二次世界大战期间,由于德国发明了小型无线电测向仪器,并将此技术运用在飞机上面,对英国的广播电台测向,并以此做为导航,成功的对英国伦敦进行了一系列的轰炸,这充分体现了无线实际运用的价值。
第二次大战时期,由于战争的需要,美国组建了一个专门的组织对无线电导航技术研究,并专门用于克制德国深海潜艇,用无线电定位技术确定德国深海潜艇的具体位置,然后指引轰炸机对定位区域进行指定轰炸,取得了巨大的战果。
后来在一系列的反间谍的战斗中,用无线电测向技术来发现敌人电台的具体位置。
在现代的军队中有很多的国家专门设置了无线电侦查的部队。
这样在一定的程度上促进了无线电测向技术的发展。
当今军事装备相当先进的美国空军飞行员,还在救生设备中装备着用于空难坠地后,为营救人员精确定位用的小型测向发射电台。
由于军事上的需求,是无线电测向设备得以发明,技术等得到进步的直接促进力量。
随着无线电测向技术的发展,其广泛的应用给人们的生活带来了很多的便利。
在现状的生活当中,无线电技术可以说是无处不见,大到天气预报、环保测量;
小到交通的指挥定位、救灾等各个方面。
在国际海洋管理中还有这样的规定:
在1600吨位以上的船舶都要安装无线电测向仪器,以备发生以外及时救援的需要。
同时各种有海岸线的国家都设置了专门的无线电监测站,用来接收海上船舶的信号,根据信号的来源,运用无线电定位技术确定其具体位置,从而展开对船舶的及时救援。
另外无线电测向定位还可以用于高压配电系统的检测、跟踪陆地和海上的动物,对珍惜动物进行保护等各方面。
在我国发射的“神州号”无人太空仓坠地后,它不断的发射着无线电信号,航天科研人员利用测向定位技术将它找到。
近年来,随着无线电通信技术在民用产品中的广泛应用(如通讯、导航、天文、气象、救灾等);
和频段覆盖的增加,对无线电测向技术提出了新的要求。
即使操作简便、定位精度高的GPS、雷达等助航仪器的出现在某些领域取代了无线电测向但是由于它成本高,而无线电侧向设备造价低、工作可靠、结构简单、对电台没有特殊要求,使之在无线电监测、电子对抗和无线电导航等领域仍然得到了广泛的应用。
随着无线电测向技术、知识的普及和无线电设备的小型化、
微型化,无线检测技术将在广泛领域应有。
二、研究现状及发展趋势
1、研究现状:
传统研究现状。
用两个或多个固定测向站联网进行交会定位。
在无线电的传统测向技术的运用过程中,一般是用两个或者多个测向站进行联网进行定位测向,并计算出具体的位置,这种定位测向技术在使用的过程中可以解决很多实际的问题,但是由于各种因素的影响这种测量方法存在一定的误差,并不能达到人们想象的那样,这种技术在一定的程度上可以测出目标的大概位置,但是这个位置就是一个区域,不能确定准确的位置。
同类型位置线的基本定位方法。
采用同类型位置线的基本定位方法是从作为位置线的两种基本截锥曲线,包括椭圆法、圆法、双曲线法和圆值。
只有这些线有不同的基准点时,才能相交产生一个定位点。
球面三角学定位方法。
球面三角学提供最简单的定使法则,若不考虑方向数据的误差因素,这种方法对地球任何距离的方向进行计算,从而获得准确的位置。
在无线电的研究专业领域有刘颖、王树勋、朱春莆的《目标辐射源定位算法及误差分析》,全面分析了目标辐射源的算法依据和相关误差的研究;
徐济仁、薛磊《最小二乘方法用于多站测向定位的算法》,在文章中提出了一个全新的计算观念;
柳茂春《无线电干扰计算》对无线电干扰进行分析。
另外还有汪祖升的《无线电测向》;
刘云宽《浅谈提高测向交会定位的精度》;
邵建华《短基线时差法测向定位及精度分析》;
胡来招《定位误差表示分析》;
徐敬、王红军《舰载无源定位中的辐射源跟踪》;
徐济仁、薛磊《最小二乘方法用于多站测向定位的算法》等研究,为我国无线电测向定位技术奠定了理论基础。
2、发展趋势
在无线电技术的发展过程当中,其中最大的推动力就是用于军事的需要。
因为将来无线电技术的发展在现代化的战场中具有重大的实战意义。
做为当今世界唯一的超级大国——美国,在无线电测向定位技术的研究上面就非常的先进,现状美国最先进的定位系统EPLRS已经运用到一个非常的成熟的阶段,在九十年代的伊拉克战争中,其精确程度能够达到十五米左右,所以美国的军队中相关机械化部队中都运用了EPLRS技术。
在军队的数字联网的基础之上,这种技术可以随时掌握自己部队的动向和位置,能够很好的进行导航和定位;
如果遇到突发事件可随时呼叫支援,这些都是无线电测向定位技术的优点,这表面无线电测向定位技术在战场中发挥了重要的作用,它极大的提高了军队的战斗能力和指挥控制能力。
另外在日常的生活当中无线电技术也运用非常的广泛,比如说常见的导航系统(GPS),在车辆、船舶的行驶和导航上发挥了重要的作用,我们每天都要看的天气预报也是无线电测向的具体运用。
所以将无线电技术进行进一步的研究,将其具体的算法进行分析,提出新的算法。
提高无线电测向的精确度,无论是现代的激烈竞争的军事竞赛还是提高人们生活质量都具有重要的价值。
1.1.2选题来源、意义及主要技术指标
一、选题来源及意义
本课题源于学院承担的某试验技术项目,主要对基于无线电测向的台站定位进行研究和预先设计,具有较强的理论意义和工程应用价值:
1、目前我国测控系统中的基于无线电测向的台站定位应用还处于起步阶段,属于新兴测量手段。
为防止有害干扰,确保各种无线电设备正常运行,使有限的频谱资源得到合理的、科学的、有效的开发和利用,该课题采用先进的技术手段和设施,对无线电发射的基本参数,如频率、电平(场强)、示向度、仰角、示向度质量等指标进行测量,对声音信号进行监听,对发射标识进行识别确定,对信号进行算法分析,以便合理、有效地指配频率,通过对干扰源测向定位排除干扰、查处非法电台。
2、无线电测向的范围原则上应包括全部无线电业务,所监测的频段包括所有己使用和开发的各个频段。
无线电测向和定位是无线电管理的耳目,是维护空中电波秩序的警察,是无线电科学管理的技术基础,为无线电管理部门提供频率规划、指配和协调的技术支持,是无线电频率指配程序的重要部分。
本课题主要是针对基于无线电测向定位算法及其误差分析所做的研究,主要内容包括示向度修正、两站交会定位、三站交会定位、多站交会定位。
二、资料来源和研究方法
1、资料来源
(1)、相关无线电研究成果。
收集各种有关无线电研究的学术文献和论文著作。
如《基于无线电台的台站定位》、《浅论无线电测向技术及其应用》、《无线电测向》、《无线电测向相关问题研究》、《无线电测向技术测向解决方案》,为解决本文研究内容,提供理论依据支持。
(2)、相关实验。
在我学校实验基础的背景之上,了解无线电运用的相关原理和定位计算的具体运用。
以实验为主要工具,在实验研究的基础上展开相关理论分析。
2、研究方法
通过对当前无线电测向定位算法的研究,确定测向定位的算法有三种:
(1)基于信号到达角度(AOA)定位;
(2)基于信号到达时间差(TDOA)定位;
(3)基于信号到达强度(SOA)定位。
这三种方法都是通过采用两个或者多个固定测向站联网进行测向定位,来确定未知干扰信号源的地理位置。
本文在定位前,首先对测向数据进行了修正,修正方程考虑了示向度误差和示向度质量,并由长期测量的统计给出了误差权值的表达式。
根据以上特点,本课题拟按照实际任务的要求,采用多站交会定位方法进行系统设计,并对此系统进行性能仿真,最后用实测数据进行信号处理来验证系统的有效性。
1.1.3研究的主要内容及关键技术(方法)
一、示向度修正
实际测向定位中,测向网络的几何排列使得并不是所有的测向站都能提供稳定且准确的测向结果,因而直接用测量数据进行交会定位,往往会造成虚假测向,使定位结果很不准确。
本文根据对长期实际测量结果的统计,给出示向度误差权值的表达式,对有效示向度进行实时修正,修正的示向度随时间以很小的误差趋向真实值。
将修正示向度用于两站、三站和多站定位算法,提高了定位的精确度。
二、两站交会定位
本文给出的定位计算示例,由于要求解的参数较多,算法较为复杂。
因而推导了一种直观、简便的算法。
两站交会定位的算法在使用上有一定的局限性,因而只能作为求两条示向线交点的方法,也是三站和多站交会定位的求解基础。
三、三站交会定位
本文考虑示向度质量对定位点的影响,提出并实现了三站交会定位算法,即估计点到示向线的距离按示向线质量进行加权。
定位精度较两站交会定位有所提高。
四、多站交会定位
本文首先给出了现有的一种多站定位通用公式,该算法的思想是估计点到各条示向线的距离最小,但并未考虑示向度的质量和方差权重;
因此本文提出了一种新的交会定位的通用算法,并根据长期实际测量的结果,给出示向线等级权值和交叉角权值的表达式。
这一算法计及示向线质量和示向度方差,可用于除单站定位外的任何在线或离线定位。
并进一步证明该算法求出的估计点为最小二乘无偏估计;
给定恒定概率,求出估计点的误差概率椭圆,椭圆的长短半轴随时间收敛,即以估计点为圆心的误差概率椭圆面积随时间收敛到一个较小的值,在提高定位精确度的同时大大减轻了搜索目标信号源的工作量。
2.1测向基础知识
每一种无线电测向技术的运用都是依靠电磁辐射这一基本原理来实现的,在电磁辐射的发射过程当中,都是从某一个方向发射出来的,那么处于不同地理位置的测向站对接收到的辐射点播进行检测,判断电波的方向,通过不同的测向仪器,最后交汇进而确定发射点的位置。
这是无线电测向的基本原理。
所以无线测向的基本知识就是确定测向种类、测向基础知识和无线电传播的各种基础知识等内容。
2.1.1测向种类
(一)、测向分类
实现无线电测向的方法很多,分类的思路也不尽同,各种测向体制都是基于测向依据对电场分布进行测量,从而计算出电波到达方向。
电场空间分布状态的测量方法有四种情况,或称四类基本测向方法,即:
1、通过定向天线(阵)的输出幅度测量进行测向,统称幅度测向法。
定向天线或无方向天线组成的定向天线阵,具有确定的方向性图,其输出值与电波传播方向有确定的对应关系,因而可通过定向天线(阵)输出幅度的比较来确定无线电波到达方向。
实际上定向天线(阵)的输出是作用于天线各细小单元上的感应电动势的合成电压,定向天线的输出幅度是空间电场分布状态的函数。
利用幅度法进行测向的体制很多,旋转环测向是最简单也是最早发明的测向体制,乌兰韦伯尔大孔径测向体制是较复杂的一种旋转天线体制,单脉比幅是对雷达信号测向的常用体制等;
2、通过间隔天线间的相位测量比较进行测向,统称相位测向法。
这是直接通过天线对空间电场相位分布进行取样、测量,并根据样点的相位关系完成测向。
相位干涉仪和多卜勒测向机都是常用体制。
相位干涉仪体制是通过天线(场传感器)对空间电场的相位进行取样,然后根据相位分布规律和测试的各相位差值求解出电波到达方向,而多卜勒测向体制是循环把相邻天线相位差值按确定关系转换为频移,通过频移测量而求解出电波到达方向;
3、通过间隔天线电压矢量测量进行测向,统称矢量测向法。
这是用分散的天线直接测量空间场的矢量分布而求电波到达方向的方法,最典型的测向体制是高分辨率空间谱估计测向技术,尽管这种技术还不十分成熟,但它同时使用了幅度和相位两种参数,为分解相干波提供了理论依据。
近代发展起来的相关干涉仪测向体制也应用了矢量测量,虽不能分解相干场,但可以减少相干场的影响,并用比空间谱估计造价低得多的代价就获得测向高精度和高灵敏度特性;
4、利用无线电波的群延时特性,通过时差测量求出电波到达方向,统称到达时差测向法。
(二)、常用测向体制分类
在以上的分析中可以看出无线电的测向主要理论依据就是依靠电磁波在传播过程当中的特点,使用无线电测向设备和相关测向仪器来判定电磁波的具体方向。
由于电磁波在空中传播的过程是一个直线的过程,所以在确定电磁波的方向后就可以确定电台的方向了。
在我们具体测向的同时确定了测向地点以后,这个地点北方向与所测电台方向之间顺时针方向的夹角(也称示向度)也就确定了。
如果在所在的地点测向过程中只是获得一个示度值的话,可以确定发射电台在某一方向的直线上,在不能判定发射点的具体位置。
如果设置两个不同的侧向点,就可以获得不同的示度度,将其位置绘制成地图,做好两条直线从而形成一个交汇点,这个交汇点就是电台的具体位置。
在无线电测向的过程当中,根据天线获得信息以及对信息的处理方法的不同,可以将测向系统分为两个不同的系统:
标量测向系统和矢量测向系统。
而标量测向系统就指获得信息的数据是标量信息数据。
矢量测向系统获得的数据是矢量数据。
标量测向系统只能一个方面的获得电磁波在幅度或者相位的单个方面的信息。
而矢量测向系统可以同时获得电磁波在幅度和相位的信息。
标量测向系统是一个传统的测量系统,在实际测向中运用的比较广泛,常用的幅度比较式标量测向系统,是旋转环型测向机,该系统对垂直极化波的方向图成8字形。
一般的幅度比较式的标量测向系统,在系统内部的设置中的方向和天线都是采用某种对称的形式构成,如阿德考克测向机和沃特森—瓦特测向机和各种能够旋转角
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