[发明专利]一种基于GNSS-R信号几何关系的星载无源雷达定位方法

摘要

一种基于GNSS-R信号几何关系的星载无源雷达定位方法，步骤：一：接收机接收到GPS卫星的直射信号时刻为t₁，接收到相关GPS卫星信号对目标的反射信号时刻为t₂；二：根据信号的到达时刻，计算信号的直射路径长度L和反射路径长度D；三：计算发射机和接收机的位置T(x_t，y_t，z_t)和R(x_r，y_r，z_r)；四：计算直射信号和反射信号的夹角α，确定反射信号的向量；五：在反射信号的向量沿传播的反方向延长至点N，使接收机R到点N距离同反射信号路径距离相同，并求解N的坐标；六：设发射机T到点N的向量TN中点为M，求M坐标；七：在平面TRN上过M点作TN的垂线，交RN向量于P点，P点即目标当时刻位置，计算点P坐标。本发明降低了结算难度，提高了定位的效率，减少了定位成本。

主权项

1.一种基于GNSS-R信号几何关系的星载无源雷达定位方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：接收机接收到来自GPS卫星的直射信号时刻为t₁，GPS信号中的星历文件中包含发射信号发射时间t₀，此外接收机接收到相关GPS卫星信号对目标的反射信号时刻为t₂；步骤二：根据信号的到达时刻，计算信号的直射路径长度L和反射路径长度D；其计算过程如下：1）直射路径长度：L＝(t₁-t₀)×c其中c为光速,c＝3×10⁸m/s,t₀和t₁为信号的发射时间和直射信号的接收时间；2）反射路径长度：D＝L+(t₂-t₁)×c其中c为光速,L为直射路径长度，t₂和t₁为反射信号接收时间和直射信号的接收时间；步骤三：计算发射机和接收机的位置T(x_t，y_t，z_t)和R(x_r，y_r，z_r)：按照常用方法计算发射机位置T(x_t，y_t，z_t)和接收机的位置R(x_r，y_r，z_r)和速度；步骤四：计算直射信号和反射信号的夹角α，确定反射信号的向量；计算直射路径和反射信号的夹角α：接收机拥有旋转天线，反射信号和直射信号分别由接收机上两个不同方位的天线接收，此二者的夹角α已知；求反射信号向量的步骤如下：1）反射信号接收天线与接收机轨道切平面夹角β′已知,则得出反射信号射线与接收机轨道切平面内法线夹角为反射信号接收机天线与接收机的运动方向夹角为γ；2）接收机速度切平面内法线向量为：n→=RO→=(-xr,-yr,-zr);]]>3）法线经过点R且已知其方向向量，得接收机切平面法线方程为：n→:x-xr-xr=y-yr-yr=z-zr-zr;]]>4）求解以为轴线，以β为母线和旋转轴夹角的圆锥曲面,由2）得轴线的方向向量为设M(x，y，z)是圆锥曲面上非顶点的一点，则过点M的母线的方向向量为从而有：v1→·v2→|v1→|·|v2→|=-cosβ]]>将向量和代入上式得圆锥曲面方程为：-(x-xr)xr-(y-yr)yr-(z-zr)zrxr2+yr2+zr2·(x-xr)2+(y-yr)2+(z-zr)2=-cosβ;]]>5）计算直射信号所在直线的方程:已知接收机坐标R(x_r，y_r，z_r)和发射机坐标T(x_t，y_t，z_t)射线TR的方向向量为:(x_r-x_t，y_r-y_t，z_r-z_t)直线TR的方程为：x-xrxr-xt=y-yryr-yt=z-zrzr-zt;]]>6）计算以TR直线为轴，反射射线为母线的圆锥曲面:已知反射信号射线与直射信号夹角为α，求解方法与4）中相同，求得圆锥曲面为：(x-xr)(xr-xt)+(y-yr)(yr-yt)+(z-zr)(zr-zt)(x-xr)2+(y-yr)2+(z-zr)2·(xr-xt)2+(yr-yt)2+(zr-zt)2=cosα]]>;7）计算反射信号所在直线方程:将4）中和6）中所得圆锥曲线联立，两曲线相交,-(x-xr)xr-(y-yr)yr-(z-zr)zrxr2+yr2+zr2·(x-xr)2+(y-yr)2+(z-zr)2=-cosβ(x-xr)(xr-xt)+(y-yr)(yr-yt)+(z-zr)(zr-zt)(x-xr)2+(y-yr)2+(z-zr)2·(xr-xt)2+(yr-yt)2+(zr-zt)2=cosα]]>1’、目标在镜面反射点处时，则上述两圆锥曲面有唯一的交线，此交线为反射信号所在直线的方程;2’、目标不在镜面发射点处，上述方程有两组解:●去除模糊解已知接收机天线与接收机运动方向夹角为γ，设接收机在定位时刻运动方向恒定，运动方向向量为：(v_x，v_y，v_z)由上述两条件得反射信号所在直线位于以(v_x，v_y，v_z)为方向向量的直线为轴，以母线和轴线夹角为γ的圆锥面上;该圆锥面能求，为：vx(x-xr)+vy(y-yr)+vz(z-zr)vx2+vy2+vz2·(x-xr)2+(y-yr)2+(z-zr)2=cosγ]]>将上式同之前得到的圆锥曲面相交得到反射信号所在直线的方程步骤五：在反射信号的向量沿传播的反方向延长至点N，使接收机R到点N距离同反射信号路径距离相同，并求解N的坐标；步骤六：设发射机T到点N的向量TN中点为M，求M坐标；步骤七：在平面TRN上过M点作TN的垂线，交RN向量于P点，P点即目标当时刻位置，计算点P坐标。