一种甚低频脉冲源的天基无源定位方法及系统

1.本发明属于甚低频脉冲源的无源定位技术领域，特别涉及一种甚低频脉冲源的天基无源定位方法及系统。


背景技术：

2.对能够辐射出甚低频信号的甚低频脉冲源(示例性的，如闪电、飞行器等)进行定位是关乎国民经济发展以及国家安全的重要技术；其中，以闪电为例，闪电包括云闪和地闪，在发生时会辐射频谱范围极宽的电磁场，在初始击穿和通道建立过程中对应先导和流光过程主要产生甚高频辐射，在电离后通道中产生强电流时对应云地闪回击过程和云间闪击时主要产生低频和甚低频辐射。
3.利用闪电发生时产生的vlf(very low frequency，甚低频)和vhf(very how frequency，甚高频)电磁波，已有的成熟闪电定位方法主要有地基vlf磁定向法、地基vlf时间到达差法、地基vlf时差侧向混合定位、地基vhf干涉定位。基于实际定位效果分析可知，磁定向法误差大，干涉法探测距离短，因此目前常用时差法进行闪电定位。
4.地基时差法由于处于甚低频波段的回击波形因受传播路径和传播距离的影响会发生漂移和畸变，且由于地形地貌、电磁环境等干扰将导致时间测量产生误差，使得时间差法定位的实际探测误差达到几百米至几公里。综上，目前利用地基时差法进行甚低频脉冲源定位的精度还不够高，提高甚低频脉冲源定位的精度是亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种甚低频脉冲源的天基无源定位方法及系统，以提高甚低频脉冲源定位的精度。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.本发明提供的一种甚低频脉冲源的天基无源定位方法，包括以下步骤：
8.获取待定位甚低频脉冲源发射的甚低频信号的天基平台接收机接收时刻、在电离层中的传播路径及传播时长；
9.基于获取的天基平台接收机接收时刻、在电离层中的传播路径及传播时长，获取甚低频信号经过电离层入射点时的时刻；基于在电离层中的传播路径和预设的接收点坐标获取电离层入射点坐标；
10.根据经过电离层入射点时的时刻、电离层入射点坐标以及预设的定位条件，获取待定位甚低频脉冲源的坐标，实现无源定位。
11.本发明方法的进一步改进在于，所述获取待定位甚低频脉冲源发射的甚低频信号的天基平台接收机接收时刻、在电离层中的传播路径及传播时长的步骤包括：
12.根据星载时钟读取，获得天基平台接收机接收到甚低频信号的时刻；
13.基于天基平台接收机接收到甚低频信号时的坐标以及地磁模型，获取甚低频信号在电离层中的传播路径；
14.基于在电离层中的传播路径以及国际电离层模型，获取甚低频信号沿传播路径在电离层中的传播时长。
15.本发明方法的进一步改进在于，所述基于天基平台接收机接收到甚低频信号时刻的坐标以及地磁模型，获取甚低频信号在电离层中的传播路径的步骤包括：
16.获取天基平台接收机接收时刻时天基平台接收机在电离层中的当前坐标；
17.根据地磁模型确定出经过当前坐标的地球磁力线的当前轨迹，将所述当前轨迹作为甚低频信号在电离层中的传播路径。
18.本发明方法的进一步改进在于，所述基于在电离层中的传播路径以及国际电离层模型，获取甚低频信号沿传播路径在电离层中的传播时长的步骤具体包括：
19.利用阿普顿-哈特利计算传播路径上每一点的折射率分布；
20.根据计算获得的折射率分布计算获得电磁波在传播路径上每一点的传播速度，计算表达式为，v＝nrc；式中，v为传播速度；nr为折射率n的实部；c为真空中的光速；
21.根据计算获得的传播速度计算获得甚低频信号在传播路径上每个位置处的传播时间，计算表达式为，式中，θ为传播路径中任一点的磁倾角，d为微分算子，dh为高度微分，ds为高度微分对应的传播路径长度，dt为传播ds距离对应的时间；
22.基于传播路径上每个位置处的传播时间积分计算获得甚低频信号在电离层中沿传播路径的传播时长，计算表达式为，式中，t为甚低频信号在传播路径上的总传播时长；∫为积分符号；h1为甚低频电磁波经过的o1位置处对应的电离层底部高度。
23.本发明方法的进一步改进在于，所述利用阿普顿-哈特利计算传播路径上每一点的折射率分布过程中，计算表达式为，
[0024][0025]
式中，n为传播路径上电子浓度为ne、电子温度为te、离子温度为ti处的折射率；根据国际电离层模型确定电离层任意剖面位置处的电子密度ne；
[0026]
ω
p
为等离子体频率且me为电子质量；ε0为真空介电常量；ω为星载接收机信号的fft频谱分析中幅值最大处的频率；
[0027]
j为虚部单位；
[0028]
γe为碰撞频率且γe＝1.82
×
10
11
e-0.15h
；h为卫星接收机的高度；
[0029]
为电子磁回旋频率；
[0030]yt
＝ysinα；y
l
＝ycosα；α为波矢和磁场的夹角，α＝0。
[0031]
本发明方法的进一步改进在于，所述根据经过电离层入射点时的时刻、电离层入
射点坐标以及预设的定位条件，获取待定位甚低频脉冲源的坐标，实现无源定位的步骤具体包括：
[0032]
在天基平台接收机数量为两个且甚低频脉冲源的发射时刻以及发射高度已知的情况下，根据接收点坐标、电离层中的传播路径及传播时长，获得甚低频信号的电离层入射点坐标及时刻；根据发射时刻以及甚低频信号经过电离层入射点时的时刻之间的差值，获得甚低频信号在大气层中的传播距离；根据电离层入射点坐标、甚低频信号经过电离层入射点时的时刻以及发射高度定位出甚低频脉冲源；
[0033]
或者，在天基平台接收机的数量为三个且发射高度已知的情况下，根据接收点坐标、电离层中的传播路径及传播时长，获得甚低频信号的电离层入射点坐标及时刻；根据甚低频信号经过电离层入射点时的时刻计算获得甚低频信号到达电离层底部的时间差，再利用时差定位方法计算出甚低频脉冲源的坐标位置。
[0034]
本发明方法的进一步改进在于，所述根据甚低频信号经过电离层入射点时的时刻计算获得甚低频信号到达电离层底部的时间差，再利用时差定位方法计算出甚低频脉冲源的坐标位置的过程中，
[0035]
先利用公式δt2＝t
11-t
21
计算出在电离层中传播的理论时间差；式中，δt2为接收机接收甚低频信号的理论时间差；t
11
为第一接收机对应的甚低频信号在电离层中的传播时长；t
21
为第二接收机对应的甚低频信号在电离层中的传播时长；
[0036]
再利用公式δt1＝δt-δt2计算出接收机接收的甚低频信号传播到电离层底部的传播时间差；式中，δt1为接收机接收的甚低频信号传播到电离层底部的传播时间差；δt为接收机接收到甚低频信号的总时间差；
[0037]
基于接收机接收的甚低频信号传播到电离层底部的传播时间差，利用时差定位方法定位出甚低频脉冲源的坐标位置。
[0038]
本发明方法的进一步改进在于，所述预设的定位条件包括：发射时刻、发射高度、接收机数量中的一种或多种组合。
[0039]
本发明提供的一种甚低频脉冲源的天基无源定位系统，包括：
[0040]
第一获取模块，用于获取待定位甚低频脉冲源发射的甚低频信号的天基平台接收机接收时刻、在电离层中的传播路径及传播时长；
[0041]
第二获取模块，用于基于获取的天基平台接收机接收时刻、在电离层中的传播路径及传播时长，获取甚低频信号经过电离层入射点时的时刻；基于在电离层中的传播路径和预设的接收点坐标获取电离层入射点坐标；
[0042]
定位模块，用于根据经过电离层入射点时的时刻、电离层入射点坐标以及预设的定位条件，获取待定位甚低频脉冲源的坐标，实现无源定位。
[0043]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0044]
本发明的方法中，利用接收机的坐标以及地磁模型确定出传播路径，再根据传播路径确定出甚低频信号在电离层中的传播路径，然后得到甚低频信号入射到电离层中的时刻，进而可以得到更加精确的用于进行甚低频脉冲源定位的时刻及位置；本发明方法基于天基平台(如卫星)接收机，相对于现有的地基方法，可以减少地形地貌、地面电导率等地面电磁环境对电波传播时间的影响，能够提高脉冲源的定位精度，尤其是对于山区、海陆交界等电磁环境复杂区域，相对于地基定位，可以极大提高vlf脉冲源的定位精度。
[0045]
另外，以更加精确的甚低频信号入射到电离层中的时刻及坐标，在通过计算不同接收到的甚低频信号在脉冲源至电离层底部传播的时间差，采用时差定位法可更精确得对甚低频脉冲源进行定位。
附图说明
[0046]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0047]
图1为本发明实施例提供的一种甚低频脉冲源的天基无源定位方法的流程示意图；
[0048]
图2为本发明实施例提供的一种甚低频脉冲源的天基无源定位方法的原理示意图；
[0049]
图3为本发明实施例中，闪电vlf波的一种传播路径示意图；
[0050]
图4为本发明实施例中，闪电vlf波的又一种传播路径示意图。
具体实施方式
[0051]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0052]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0053]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0054]
本发明实施例提供的一种甚低频脉冲源的天基无源定位方法，包括以下步骤：
[0055]
基于天基平台接收机接收到甚低频信号时的坐标以及地磁模型，获取甚低频信号在电离层中的传播路径；
[0056]
基于所述传播路径以及国际电离层模型确定出甚低频信号沿传播路径在电离层中的传播时长，根据接收机接收到甚低频信号时刻以及所述传播时长确定出甚低频信号经过入射点时的时刻及入射点坐标；
[0057]
根据经过入射点时的时刻、入射点坐标以及定位条件，进行甚低频脉冲定位；其中，所述定位条件包括：发射时刻、发射高度、接收机数量中的一种或多种组合。
[0058]
本发明实施例示例性可选的，在甚低频脉冲源的发射时刻以及发射高度已知的情
况下，所述根据经过入射点时的时刻、入射点坐标以及定位条件，进行甚低频脉冲定位的步骤具体包括：
[0059]
根据所述发射时刻以及甚低频信号经过入射点时的时刻之间的差值确定出甚低频信号在大气层中的传播距离；
[0060]
根据甚低频信号经过入射点时的时刻以及发射高度定位出甚低频脉冲源。
[0061]
本发明实施例示例性可选的，在接收机的数量为两个，且发射高度已知的情况下，所述根据经过入射点时的时刻、入射点坐标以及定位条件，进行甚低频脉冲定位，包括：
[0062]
根据甚低频信号经过入射点时的时刻计算出甚低频信号到达电离层底部的时间差，再利用时差定位方法计算出甚低频脉冲源的位置。
[0063]
进一步具体的，所述获取甚低频信号在电离层中的传播路径，包括：
[0064]
获取当前时刻时接收机在电离层中的当前坐标，根据地磁模型确定出经过当前坐标的地球磁力线的当前轨迹，将所述当前轨迹作为甚低频信号在电离层中的传播路径，其中，所述当前时刻为接收机接收甚低频信号的时刻。
[0065]
本发明实施例示例性可选的，所述基于所述传播路径以及国际电离层模型确定出甚低频信号沿传播路径在电离层中的传播时长，根据接收机接收到甚低频信号时刻以及所述传播时长确定出甚低频信号经过入射点时的时刻及入射点坐标，包括：
[0066]
根据星载时钟读取出卫星接收到甚低频信号的时刻；
[0067]
基于国际电离层模型计算出甚低频信号在电离层中沿传播路径的传播时长；
[0068]
根据卫星接收到甚低频信号的时刻与所述传播时长，计算出沿传播路径传播的甚低频信号达到电离层底部的时刻。
[0069]
本发明实施例示例性可选的，所述基于国际电离层模型计算出甚低频信号在电离层中沿传播路径的传播时长，包括：
[0070]
利用阿普顿-哈特利计算传播路径上每一点的折射率分布；
[0071]
根据折射率分布，利用公式，v＝nrc，计算出电磁波的在传播路径上每一点的传播速度，其中，
[0072]
v为电磁波的传播速度；nr为折射率n的实部；c为真空中的光速；
[0073]
根据传播速度，利用公式，计算甚低频信号在传播路径上某一位置处的传播时间，其中，θ为播路径中任一点的磁倾角；
[0074]
根据利用公式，计算出甚低频信号在电离层中沿传播路径的传播时长，其中，t为甚低频信号在传播路径上的总传播时长；∫为积分符号；h1为甚低频电磁波经过的o1位置处对应的电离层底部高度。
[0075]
可选的，所述利用阿普顿-哈特利计算传播路径上每一点的折射率分布，包括：
[0076]
利用公式，计算传播路径上每一点的折射率分布，其中，n为传播路径上电子浓度为ne、电子温度为te、离子温度为ti处的
折射率，也就是说可以根据国际电离层参考模型可确定电离层任意剖面位置处的电子密度ne；w
p
为等离子体频率，且ω为星载接收机信号的fft频谱分析中幅值最大处的频率；me为电子质量；ε0为真空介电常量；j为虚部单位；γe为碰撞频率，且γe＝1.82
×
10
11
e-0.15h
；h为卫星的高度；y
t
＝ysinα；y
l
＝ycosα；α为波矢和磁场的夹角，由于vlf波在电离层中为沿着磁力线的准纵传播，因此α＝0且
[0077]
本发明实施例示例性可选的，所述根据甚低频信号经过入射点时的时刻计算出甚低频信号到达电离层底部的时间差，再利用时差定位方法计算出甚低频脉冲源的位置，包括：
[0078]
利用公式，δt2＝t
11-t
21
，计算出在电离层中传播的时长差，其中，
[0079]
δt2为接收机接收甚低频信号的理论时间差；t
11
为第一接收机对应的甚低频信号在电离层中的传播时长；t
21
为第二接收机对应的甚低频信号在电离层中的传播时长；
[0080]
根据接收机接收到甚低频信号的时刻计算出接收机接收到甚低频信号的总时间差；
[0081]
再利用公式，δt1＝δt-δt2，计算出接收机接收的甚低频信号传播到电离层底部的传播时间差，其中，
[0082]
δt1为接收机接收的甚低频信号传播到电离层底部的传播时间差；δt为接收机接收到甚低频信号的总时间差；
[0083]
根据接收机接收的甚低频信号传播到电离层底部的传播时间差，利用时差定位方法定位出甚低频脉冲源的位置。
[0084]
综上所述，本发明实施例利用接收机的坐标以及地磁模型确定出传播路径，进而根据传播路径确定出甚低频信号在电离层中的传播路径，进而得到甚低频信号入射到电离层中的时刻，进而可以得到更加精确的用于进行甚低频脉冲源定位的时刻及位置，进而提高了脉冲源的定位精度。另外，以更加精确的甚低频信号入射到电离层中的时刻及坐标，在通过计算不同接收到的甚低频信号在脉冲源至电离层底部传播的时间差，采用时差定位法可更精确得对甚低频脉冲源进行定位。
[0085]
实施例1
[0086]
请参阅图1和图2，本发明实施例1的应用场景为至少三颗运行在电离层中的卫星作为接收机的搭载平台，以进行地闪或者云闪定位。图1为本发明实施例提供的一种甚低频脉冲源的天基无源定位方法的流程示意图；图2为本发明实施例提供的一种甚低频脉冲源的天基无源定位方法的原理示意图；如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种甚低频脉冲源的天基无源定位方法，方法包括：
[0087]
s101：基于接收机接收到甚低频信号时刻的坐标以及地磁模型，获取甚低频信号在电离层中的传播路径。
[0088]
在本发明实施例中以闪电作为甚低频脉冲源，接收机设置在运行于电离层中的卫星为例进行原理说明。可以理解的是，甚低频脉冲源可以为时域上存在时间较短的甚低频
脉冲，例如其存在时长为1ms、1000ms、1分钟、10分钟等的甚低频信号，也可以为连续甚低频波中的幅值突变点或者频率突变点对应的信号。本发明实施例中并不对甚低频脉冲信号以及其变化特征作出具体的限定，任何能够基于两个或者两个以上的接收机利用时差定位方法定位出甚低频辐射源的甚低频信号均在本发明实施例的保护范围之内。
[0089]
对于接收机的数量的设置，当需要探测甚低频信号一般探测时，可以使用两个接收机，当需要进行精确探测时可以使用三个或者三个以上的接收机，本领域技术人员可以根据实际应用场景进行接收机数量的设置。需要强调的是，使用两个以及两个以上接收机实现甚低频信号源的探测方法均在本发明实施例的保护范围之内。
[0090]
对于接收机的搭载平台的设置，接收机可以设置在卫星、飞机、火箭、临近空间飞行器等运载工具上；类似的，同一个运载工具可以携带至少一个甚低频接收机，例如，可以分别由分布在不同轨道，或者分布在同一轨道上不同位置的三颗携带甚低频接收机的卫星共同测量，或者由一颗携带了三个甚低频接收机的一颗卫星实现探测，或者由一颗携带了一个甚低频接收机的卫星联合一颗携带了两个甚低频接收机的卫星实现探测。类似的，搭载平台的运行高度可以位于电离层之内，也可以位于电离层之外。
[0091]
由近地点发生的闪电，其频率主要集中在vlf即甚低频段，vlf波由近地面经过大气波导传播到电离层底部，在电离层中vlf闪电信号沿着磁力线传播，穿透电离层到达卫星高度，其信号被星载接收机接收。
[0092]
本发明实施例以两颗卫星为例进行闪电甚低频电磁波沿传播路径在电离层内的总传播时长的计算。可以理解的是，三颗以及三颗以上卫星的计算原理与两颗卫星的计算原理相同。图3为本发明实施例中闪电vlf波传播路径示意图，如图3所示，假设卫星所在高度均为h，两颗卫星分别为s1和s2；两颗卫星运行在电离层中。两颗卫星接收到闪电vlf脉冲信号的时间分别为t1和t2，两颗卫星接收到闪电信号的时间均可分别两个部分，其中一个部分为闪电脉冲信号由近地表经过大气自由传播到达电离层底部的时间，另一个部分是由电离层底部沿磁力线在电离层中传播至卫星处的时间。
[0093]
首先由星载接收机的位置以及地磁模型确定出闪电vlf波在电离层传播的磁力线走向。在实际应用中，地磁模型可为igrf(international geomagnetic reference field，国际地磁参考场模型)，该模型是是一个数字化的模型，用来计算1900年到现在的地球主磁场即地核磁场，它是由国际地磁与高空物理学协会(iaga)的v-mod工作组支持和赞助下的地磁模型团队建立和维护的。根据igrf模型可确定地球周围的磁力线路径。由于甚低频电磁波在电离层中的传播是沿着磁力线路径传播的，因此，进入电离层底部的点为确定坐标的甚低频电磁波在电离层中的传播路径具有唯一性，因此，可以根据甚低频电磁波的传播路径上的任意一点结合国际地磁模型计算出其进入电离层底部的点的坐标。因此，本发明实施例中可以根据卫星的坐标，结合国际地磁模型确定出卫星在接收到甚低频信号时所经过的磁力线路径，进而将该磁力线路径作为甚低频信号再电离层中的传播路径，进而根据该传播路径与电离层底部的交点确定出该卫星所接收的甚低频信号进入电离层底部的点的坐标。
[0094]
卫星s1接收的闪电vlf波在传播路径中经过电离层底部的入射点为o1，卫星s2接收的闪电vlf波在传播路径中经过电离层底部的入射点为o2。
[0095]
s102：基于所述传播路径以及国际电离层模型确定出甚低频信号沿传播路径在电
离层中的传播时长，根据接收机接收到甚低频信号时刻以及所述传播时长确定出甚低频信号经过入射点时的时刻及入射点坐标。
[0096]
针对每一条传播路径，在得到甚低频电磁波经过o1，o2的位置的入射点后，还需要得到vlf波由近地表经过大气自由传播到达电离层底部的时刻t
10
和由电离层底部沿磁力线在电离层中传播至卫星处的时刻t
11
；vlf波由近地表经过大气自由传播到达电离层底部的时刻t
20
和由电离层底部沿磁力线在电离层中传播至卫星处的时刻t
21
。
[0097]
两颗卫星接收到闪电vlf脉冲信号的时刻t1和t2可以根据星载时钟读取出来。
[0098]
然后，计算出甚低频电磁波在电离层中的沿每一条传播路径l的传播时长：
[0099]
利用磁离子理论中的阿普顿-哈特利(a-h)公式，即电磁波在等离子体中传播的色散关系式，计算传播路径l上每一点的折射率分布，其中，n为传播路径上电子浓度为ne、电子温度为te、离子温度为ti处的折射率，也就是说可以根据国际电离层参考模型可确定电离层任意剖面位置处的电子密度ne；w
p
为等离子体频率，且ω为星载接收机信号的fft频谱分析中幅值最大处的频率；me为电子质量；ε0为真空介电常量；j为虚部单位；γe为碰撞频率，且γe＝1.82
×
10
11
e-0.15h
；h为卫星的高度；y
t
＝ysinα；y
l
＝ycosα；α为波矢和磁场的夹角，由于vlf波在电离层中为沿着磁力线的准纵传播，因此α＝0且
[0100]
国际电离层参考模型、igrf模型以及碰撞频率模型可共同计算出a-h公式中的x、y、z的值，由此可求得闪电vlf波在电离层中传播路径上任一点的折射率n。
[0101]
再根据折射率与波的传播速度的关系表达式：v＝nrc，计算出电磁波的在传播路径上每一点的传播速度，其中，v为电磁波的传播速度；nr为折射率n的实部；c为真空中的光速。
[0102]
再利用公式，计算甚低频信号在传播路径上某一位置处的传播时间，其中，dt为甚低频信号在传播路径上某一位置处的传播时间；θ为播路径中任一点的磁倾角，磁场强度为b；h为搭载接收的卫星的高度。
[0103]
再利用公式，计算出闪电甚低频电磁波沿传播路径在电离层内的传播时长，其中，t为闪电甚低频电磁波沿传播路径在电离层内的传播时长；∫为积分符号；h1为甚低频电磁波经过的入射点o1处对应的电离层底部高度。类似的，甚低频电磁波经过入射点o2时也有一个对应的电离层底部高度。由此算得两颗卫星接收到的闪电vlf波在电离层中传播的时长t
11
和t
21
。
[0104]
两颗卫星接收到闪电vlf脉冲信号的时间分别为t1和t2，且t1和t2可以从卫星的星
载时钟中读取出来，因此，可以利用公式，计算出闪电脉冲信号由近地表经过大气自由传播到达电离层底部位置上入射点o1的时刻t
10
、底部的位置上入射点o2的时刻t
20
。类似的，还可以利用上述方法计算卫星s3对应的甚低频信号经过入射点o3的时刻t
30
。
[0105]
s103：根据经过入射点时的时刻、入射点坐标以及定位条件，进行甚低频脉冲定位，其中，所述定位条件包括：发射时刻、发射高度、接收机数量中的一种或组合。例如，可以根据甚低频信号经过入射点时的时刻计算出甚低频信号到达电离层底部的时间差，再利用时差定位方法计算出甚低频脉冲源的位置。
[0106]
示例性的，图4为本发明实施例中闪电vlf波另一种传播路径示意图，如图4所示，卫星s1接收的闪电vlf波在传播路径中经过电离层底部的位置为o1，卫星s2接收的闪电vlf波在传播路径中经过电离层底部的位置为o2，卫星s3接收的闪电vlf波在传播路径中经过电离层底部的点为o3，根据卫星s1和卫星s2接收的闪电vlf信号传播到电离层底部o1与o2之间的传播时间差δt1。
[0107]
根据δt1可得到关于o1和o2的一个双曲面，曲面与地面有一条交线l1；同理可得到关于o2和o3的一个双曲面，曲面与地面有一条交线l2，交线l1和交线l2的交点即为闪电位置。
[0108]
类似的，可以计算出闪电发生的高度，当定位的闪电位置相对地面存在一定高度时，可以判定该闪电为云闪；类似的，可以定位出能够发射甚低频脉冲的飞行器的三维坐标。
[0109]
本发明实施例中，首先根据igrf和国际电离层参考模型，得出闪电vlf波在电离层中沿磁力线的传播路径以及路径上的磁倾角、磁场强度、电子密度和碰撞频率，由a-h公式可得到传播路径上的折射率，根据波的传播速度与折射率的关系，求出甚低频脉冲电磁波在电离层中的传播时间，即可求得三颗卫星接收闪电信号在电离层中传播的时间差。用三颗卫星接收闪电信号的总时间差与在电离层中传播的时间差相减，得到三颗卫星接收闪电信号在地面-电离层底部传播的时间差，由此得到的两个双曲面在地面相交于一点，即可定位出甚低频脉冲源的位置。
[0110]
应用本发明实施例，接收机安装在电离层的高空搭载平台上，避免了因地形与电导率等原因造成的误差，提高了定位精度；而且搭载平台位置更高，其接收范围更大，因此，本发明实施例的探测距离更长。
[0111]
实施例2
[0112]
本发明实施例2与实施例1的区别在于闪电vlf波抵达电离层底部的入射点o1的时间差的计算方法：
[0113]
可以根据两颗卫星接收到的闪电vlf波在电离层中传播的时长t
11
和t
21
，利用公式，δt2＝t
11-t
21
，计算出两颗卫星对应的两个闪电vlf波在电离层中传播的时长差。
[0114]
然后，根据两颗卫星接收到闪电vlf脉冲信号的时间分别为t1和t2计算出两颗卫星的总时间差δt；
[0115]
再利用公式，δt1＝δt-δt2，计算出卫星s1和卫星s2接收的闪电vlf信号到达o1和o2两点处的时间差。
[0116]
实施例3
[0117]
在本发明实施例3中，基于实施例1，安装在搭载平台上的接收机的数量为两个，且
甚低频脉冲源的发射高度已知的情况下，具体的定位方法可以为：
[0118]
在甚低频脉冲源的发射高度在地面时，可以根据δt1可得到关于o1和o2的一个双曲面，曲面与地面有一条交线l1，将交线l1作为甚低频脉冲源的定位结果。
[0119]
进一步的，在甚低频脉冲源的发射高度在距离地面一定高度时，也可以利用上述类似方法得到甚低频脉冲源的定位结果。
[0120]
实施例4
[0121]
在本发明实施例4中，基于实施例1，在甚低频脉冲源的发射时刻以及发射高度已知的情况下，所述根据经过入射点时的时刻、入射点坐标以及定位条件，进行甚低频脉冲定位，
[0122]
例如根据甚低频脉冲源的发射时刻与甚低频脉冲信号到达入射点o1的时刻之间的差值，计算出甚低频脉冲信号在地面-电离层底部之间的范围大气中的运行距离，进而可以在甚低频脉冲源的发射高度所在的面上作出一个圆环，进而得到社低频脉冲源的定位结果。
[0123]
可以理解的是，实施例3与实施例4可以得到甚低频脉冲源的定位结果，可以利用其它设备作为辅助，例如地面侧向仪的测向结果作为参考得到甚低频脉冲源的精确位置。也就是说，可以结合天基的接收机以及地基的测向设备如接收机进行甚低频脉冲源的定位。
[0124]
实施例5
[0125]
基于实施例1，当搭载平台运行在电离层之外的太空中时，可以在搭载平台上安装具备侧向功能的接收机，例如，使用申请号为2020100801132的中国专利申请公开的电磁矢量传感器进行甚低频信号的定向，并根据接收机的位置以及定向结果确定出甚低频信号离开电离层到接收机的路径，进而确定出甚低频信号离开电离层的出射点的坐标，进而根据出射点的坐标确定出经过出射点的磁力线，将该磁力线在电离层中的轨迹作为甚低频信号在电离层中的传播路径，然后再利用基于实施例1的方法进行甚低频脉冲源的定位。
[0126]
实施例6
[0127]
实施例6提供了一种甚低频脉冲源的天基无源定位系统，所述系统包括：
[0128]
获取模块，用于基于接收机接收到甚低频信号时刻的坐标以及地磁模型，获取甚低频信号在电离层中的传播路径；
[0129]
计算模块，用于基于所述传播路径以及国际电离层模型确定出甚低频信号沿传播路径在电离层中的传播时长，根据接收机接收到甚低频信号时刻以及所述传播时长确定出甚低频信号经过入射点时的时刻及入射点坐标；
[0130]
定位模块，用于根据经过入射点时的时刻、入射点坐标以及定位条件，进行甚低频脉冲定位，其中，所述定位条件包括：发射时刻、发射高度、接收机数量中的一种或组合。
[0131]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0132]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程
图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0133]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0134]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0135]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。