本發(fā)明涉及一種基于天基測角信息融合的空中目標三維定位方法，屬于空中目標定位。

背景技術(shù)：

1、天基探測手段在探測定位空中目標時，光學衛(wèi)星系統(tǒng)可獲取目標的方位角與俯仰角信息，缺少距離信息；雷達衛(wèi)星系統(tǒng)可獲取目標的方位角信息與目標到發(fā)射站與接收站的距離和信息，缺少俯仰角信息，故僅依靠天基單一探測手段難以估計目標的高度，無法對空中目標高精度三維定位，且對空中目標定位方法大多要求傳感器獲取到目標完整量測信息，當量測維度不足時往往需要先通過時間或空間補充同構(gòu)量測數(shù)據(jù)，再通過算法優(yōu)化或濾波器設計實現(xiàn)對目標的三維位置估計，位置估計過程所需參數(shù)較多，效率較低，亟待改進。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于天基測角信息融合的空中目標三維定位方法，通過融合天基光學、雙站雷達的方式獲取目標角度量測信息，實現(xiàn)對空中目標的三維坐標解算，為分布式異構(gòu)平臺目標定位提供新思路。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

3、一種基于天基測角信息融合的空中目標三維定位方法，包括：

4、至少兩個光學衛(wèi)星系統(tǒng)對空中目標進行監(jiān)測，分別獲取空中目標相對于本星自身位置的方位角和俯仰角，構(gòu)建在ecef坐標系下的目標定位線；

5、至少一個雙站雷達衛(wèi)星系統(tǒng)對空中目標進行監(jiān)測，獲取空中目標相對于接收站自身位置的方位角，構(gòu)建在ecef坐標系下的目標定位平面；

6、基于ecef坐標系下的目標定位線、目標定位平面，求解得到空中目標的三維等效位置。

7、進一步地，光學衛(wèi)星系統(tǒng)獲取空中目標相對于本星自身位置的方位角和俯仰角，構(gòu)建在ecef坐標系下的目標定位線，具體方法為：

8、基于光學衛(wèi)星系統(tǒng)的地理坐標系，空中目標位置為(xi,yi,zi)，利用空中目標的方位角俯仰角εi，構(gòu)建目標定位線，表示為：

9、

10、式中，i＝1,2,……n，n為光學衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)量，n≥2；

11、轉(zhuǎn)換至ecef坐標系，目標定位線表示為：

12、

13、式中，vi,1,vi,2,vi,3為第i個光學衛(wèi)星系統(tǒng)在地理坐標系中描述目標位置的單位方向向量，(xs,i,ys,i,zs,i)為第i個光學衛(wèi)星在ecef坐標系下的坐標；為第i個光學衛(wèi)星系統(tǒng)地理坐標系轉(zhuǎn)換至ecef坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣。

14、進一步地，第i個光學衛(wèi)星系統(tǒng)地理坐標系轉(zhuǎn)換至ecef坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣ki為：

15、

16、式中，λi和li分別為第i個光學衛(wèi)星系統(tǒng)的經(jīng)度和緯度。

17、進一步地，第i個光學衛(wèi)星系統(tǒng)在地理坐標系中描述目標位置的單位方向向量vi,1,vi,2,vi,3為：

18、

19、進一步地，雙站雷達衛(wèi)星系統(tǒng)獲取空中目標相對于接收站自身位置的方位角，構(gòu)建在ecef坐標系下的目標定位平面，具體方法為：

20、基于雙站雷達衛(wèi)星系統(tǒng)接收站的地理坐標系，空中目標位置為(xj,yj,zj)，為第j個雙站雷達系統(tǒng)獲取空中目標相對于接收站自身位置的方位角，構(gòu)建目標定位平面，表示為：

21、

22、式中，j＝1,2,……m，m為雙站雷達系統(tǒng)的數(shù)量，m≥1；在此目標定位平面內(nèi)取兩個非平行的矢量分別記為和q2＝(0,0,1)；

23、在ecef坐標系中，雙站雷達系統(tǒng)接收站的坐標為(xd,yd,zd)，從接收站到目標的位置矢量表示為xt＝(x-xd,y-yd,z-zd)；矢量q1和q2轉(zhuǎn)換至ecef坐標系中，得到兩個對應的新矢量，表示為：

24、

25、式中，為第j個雙站雷達系統(tǒng)接收站的地理坐標系轉(zhuǎn)換至ecef坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣；

26、則在ecef坐標系中目標定位平面表示為：

27、ax+by+cz＝d

28、式中：

29、

30、d＝axd+byd+czd。

31、進一步地，第j個雙站雷達系統(tǒng)接收站的地理坐標系轉(zhuǎn)換至ecef坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣ki為：

32、

33、式中，λi和li分別為第j個雙站雷達系統(tǒng)接收站的經(jīng)度和緯度。

34、進一步地，基于ecef坐標系下的目標定位線、目標定位平面，空中目標的位置是各條目標定位線與各目標定位平面之間的交點，通過最小二乘法求得空中目標的三維等效位置，即得到空中目標的經(jīng)度、維度和高程。

35、進一步地，若有兩個光學衛(wèi)星系統(tǒng)和一個雙站雷達衛(wèi)星系統(tǒng)，兩個光學衛(wèi)星系統(tǒng)分別測得的方位角和俯仰角ε1、ε2，雙站雷達衛(wèi)星系統(tǒng)測得的方位角則空中目標的三維等效位置x為：

36、

37、式中，

38、

39、m51＝a,m52＝b,m53＝c

40、m13＝m21＝m33＝m41＝0

41、n1＝m11xs,1+m12ys,1

42、n2＝m22ys,1+m23zs,1

43、n3＝m31xs,2+m32ys,2

44、n4＝m42ys,2+m43zs,2

45、n5＝d

46、式中，λs1、ls1為第一個光學衛(wèi)星系統(tǒng)的經(jīng)度和緯度，λs2、ls2為第二個光學衛(wèi)星系統(tǒng)的經(jīng)度和緯度。

47、進一步地，采用幾何精度因子作為空中目標定位精度的衡量標準，幾何精度因子gdop為：

48、

49、式中，num為所有光學衛(wèi)星系統(tǒng)、雙站雷達衛(wèi)星系統(tǒng)的總數(shù)量，pe為第e個衛(wèi)星系統(tǒng)測量角度誤差的協(xié)方差矩陣。

50、進一步地，采用定位均方根誤差作為空中目標定位精度的衡量標準，定位均方根誤差rmse為：

51、

52、式中，(x,y,z)為空中目標的實際位置。

53、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

54、本發(fā)明通過關(guān)聯(lián)融合光學衛(wèi)星方位角、俯仰角量測信息與雙站雷達方位角量測信息，解決基于分布式異構(gòu)平臺且三維空間定位量測維度缺失條件下的目標高程定位問題，實現(xiàn)了對目標的三維坐標點跡解算。

技術(shù)特征：

1.一種基于天基測角信息融合的空中目標三維定位方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于天基測角信息融合的空中目標三維定位方法，其特征在于，光學衛(wèi)星系統(tǒng)獲取空中目標相對于本星自身位置的方位角和俯仰角，構(gòu)建在ecef坐標系下的目標定位線，具體方法為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于天基測角信息融合的空中目標三維定位方法，其特征在于，第i個光學衛(wèi)星系統(tǒng)地理坐標系轉(zhuǎn)換至ecef坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣ki為：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于天基測角信息融合的空中目標三維定位方法，其特征在于，第i個光學衛(wèi)星系統(tǒng)在地理坐標系中描述目標位置的單位方向向量vi,1,vi,2,vi,3為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于天基測角信息融合的空中目標三維定位方法，其特征在于，雙站雷達衛(wèi)星系統(tǒng)獲取空中目標相對于接收站自身位置的方位角，構(gòu)建在ecef坐標系下的目標定位平面，具體方法為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于天基測角信息融合的空中目標三維定位方法，其特征在于，第j個雙站雷達系統(tǒng)接收站的地理坐標系轉(zhuǎn)換至ecef坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣ki為：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于天基測角信息融合的空中目標三維定位方法，其特征在于，基于ecef坐標系下的目標定位線、目標定位平面，空中目標的位置是各條目標定位線與各目標定位平面之間的交點，通過最小二乘法求得空中目標的三維等效位置，即得到空中目標的經(jīng)度、維度和高程。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于天基測角信息融合的空中目標三維定位方法，其特征在于，若有兩個光學衛(wèi)星系統(tǒng)和一個雙站雷達衛(wèi)星系統(tǒng)，兩個光學衛(wèi)星系統(tǒng)分別測得的方位角和俯仰角ε1、ε2，雙站雷達衛(wèi)星系統(tǒng)測得的方位角則空中目標的三維等效位置x為：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于天基測角信息融合的空中目標三維定位方法，其特征在于，采用幾何精度因子作為空中目標定位精度的衡量標準，幾何精度因子gdop為：

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于天基測角信息融合的空中目標三維定位方法，其特征在于，采用定位均方根誤差作為空中目標定位精度的衡量標準，定位均方根誤差rmse為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于天基測角信息融合的空中目標三維定位方法，屬于空中目標定位技術(shù)領域。該方法設有至少兩個光學衛(wèi)星系統(tǒng)、一個雙站雷達衛(wèi)星系統(tǒng)對空中目標進行監(jiān)測，將上述各光學衛(wèi)星系統(tǒng)得到的基于ECEF坐標系下的目標定位線、各雙站雷達衛(wèi)星系統(tǒng)得到的目標定位平面進行數(shù)據(jù)融合，通過聯(lián)立方程組求解空中目標的三維等效位置。本發(fā)明使用多個天基異構(gòu)傳感器獲取到的空中目標角度量測信息，實現(xiàn)了量測維度缺失條件下的空中目標的三維位置估計，顯著提升了天基傳感器對目標的定位精度。

技術(shù)研發(fā)人員：譚碩,劉波,宋光磊,張宏江,劉柳,李冰,寇海風,安瀟楠,劉潔
受保護的技術(shù)使用者：中國航天科技創(chuàng)新研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8