艦載無源定位系統與技術最新進展

閆朝陽，費華蓮

（中國電子科技集團公司51 所，上海201802）

0 引 言

現代戰爭越來越強調隱蔽攻擊。實際作戰中，往往要求實施嚴格的電磁靜默等反偵察控制以免暴露自己。在這種趨勢下，對目標進行無源定位與跟蹤已成為一種重要的作戰方式。無源定位是利用偵察設備測量帶有輻射源的目標（或反射電磁波的目標）位置的一種定位技術。該技術具有作用距離遠、覆蓋范圍大、隱蔽性好、生存能力強、不會遭到敵方的電子干擾和反輻射攻擊以及可利用敵方的干擾信號進行探測定位的優點。在海戰中，現代艦載雷達面臨著電子干擾、反輻射導彈攻擊、隱身空防、低空突防四大威脅，利用艦載無源定位系統對海上敵固定或運動輻射源定位，可以在敵雷達探測到我艦之前先敵發現敵艦，先敵進行導彈攻擊。

科技進步和海戰需要并正在推動艦載無源定位系統與技術的發展。根據參與定位的艦艇的數量，艦載無源定位可分為單艦無源定位和多艦無源定位兩大類；按探測目標信號類型又可分為利用外輻射信號和利用目標自身輻射信號2 類。隨著現代海戰場從大洋深處向近海的轉移以及作戰方式從“平臺中心戰”向“網絡中心戰”的轉變，艦載無源定位系統正向著多艦／多平臺綜合一體化、網絡化方向發展。

1 單艦無源定位系統與技術

單艦無源定位的實現過程通常是用單艘運動的艦船對輻射源進行連續的測量，在獲得一定量的定位信息積累的基礎上，進行適當的數據處理以獲取輻射源目標的定位數據，從幾何意義上來說就是用多個定位曲線（面）交會來實現定位。單艦無源定位相對于多艦無源定位而言，具有結構簡單、實現靈活的優點，因此單艦無源定位一直受到重視，目前國外已有許多系統裝備。

1.1 單艦無源定位系統

1.1.1 AN／SLQ－32（V）系統

美國AN／SLQ－32 （V）系列從20 世紀70年代裝艦使用后，經過了300 多次大大小小的改進。最近的改造，不僅使其（V）1 ～（V）3 系統的性能進一步提高，又使其增加了（V）4 和（V）5 兩個新成員，其中（V）1 和（V）2 型為無源系統，（V）3 ～（V）5 型增加了有源干擾功能，（V）4 型專用于裝備航空母艦。SLQ－32（V）電子支援措施（ESM）系統可以無源探測包括來自雷達制導的低飛反艦巡航導彈（ASCM）或相關艦載／海岸炮瞄目標截獲雷達等威脅雷達輻射源，能識別雷達的類型，并可提供輻射源的方位角。

目前，美海軍正在根據海面電子戰改進項目（SEWIP）對海軍現役的SLQ－32（V）進行低風險、革命性的系列改進。SEWIP Block 1A將提供改進的控制器和顯示器（ICAD）技術及電子支援增強（ESE）系統，ESE 顯著增強了對抗ASCM的性能；SEWIP Block 1B將增加對特種輻射源的識別性能；SEWIP Block 1C將Block 1A和Block 1B改進型集成到裝備有源對抗措施的SLQ－32 的航母和其它艦船上。

SEWIP Block 2 將利用商用現貨，研制替代SLQ－32 的接收機、天線和作戰系統界面，新型數字接收機將采用先進的信號處理技術、無源探測和識別更多較遠距離處的射頻輻射源，并提供被測輻射源信號更精確的到達角信息。未來的SEWIP Block 3 和Block 4 將增強有源干擾能力和紅外干擾能力，改進后的AN／SLQ－32（V）系統將至少會裝備到2025 年。

1.1.2 AN／BLQ－10 系統

美國洛克希德·馬丁公司新近研制的AN／BLQ－10 先進潛艇戰術電子支援措施作戰系統，是海軍第一個具有威脅預警和情報收集功能的全綜合雷達和通信ESM。BLQ－10 （V）采用開放式系統結構，其雷達子系統采用了一對窄帶雷達調諧器，并有一個寬帶接收機，用于對雷達信號進行自動檢測、截獲、識別及精確定位；其通信子系統包括幾個接收機，能探測、截獲 HF、VHF、UHF 通信信號以及來自網絡的低截獲概率信號。

1.1.3 AN／ALR－66A（V）6 系統

美國通用和利頓公司合作研制的AN／ALR－66A（V）6 ，適用于水翼導彈巡邏艇，為之提供無源目標指示和告警。它在C～J 頻段內對輻射源具有高截獲概率，并能夠對敵我武器系統輻射源進行精確定位和識別。

1.1.4 SLQ－380V 系統

西班牙英達拉公司20 世紀90 年代研制的SLQ－380（V）綜合型電子戰系統，由改進型電子支援系統、綜合的干擾和欺騙系統及多威脅目標定位系統組成，用來裝備小型水面艦艇、護衛艦等，頻率范圍：0.5 ～2GHz （C／D 波段）和2 ～20GHz （E／J波段）。SLQ－380 （V）改進型電子支援系統采用了多波束天線，可對箔條彈和紅外假目標發射架、近程武器系統及干擾機進行目標定位。

1.2 單艦無源定位技術

單艦無源定位就是根據現有偵察系統所提供的參數（脈幅、脈寬、方位、重頻、波段和掃描周期等），對敵海上運動目標進行測向、測距，從而達到定位的目的。目前單艦無源定位的定位處理方法主要有以下幾種。

（1）單艦測向定位技術

測向（DOA）定位法是一種經典的定位法。該方法依據三角定位的基本原理，利用運動的單個觀測站在不同位置測得的輻射源方位角信息，運用交叉定位原理通過一定的定位算法確定出固定輻射源的位置。對于機動的輻射源，無法實現交叉測向定位。定位過程實際上是對目標運動狀態的估計和擬合。現有的定位估計算法主要有極大似然法、最小二乘法和偽線性估計法等。

（2）單艦測到達時間差定位技術

單艦測到達時間差（TDOA）定位法的原理為：對于徑向運動的輻射源，由于輻射源距離未知，其輻射信號到定位艦時間的相對變化包含了輻射源的狀態信息。從該信息中獲得輻射源的速度信息和距離信息，進而獲得其位置信息，可實現精確的無源定位。

（3）單艦測方位－測到達時間定位技術

上述單艦測向定位技術中已談到，當定位對象為高速運動目標時，單艦測向定位對此往往無能為力。為此，可利用到達角（DOA）和到達時間（TOA）測量數據對運動目標進行單艦無源定位和跟蹤。觀測站在測得輻射源信號的DOA和TOA后，假設輻射脈沖具有恒定的PRI 且相對于觀測站作非徑向運動，由于其到觀測站的距離發生了變化，即DOA發生變化，相應引起脈沖TOA 的變化，所以從DOA和TOA中可以提取輻射源位置信息，實現精確的無源定位。

（4）單艦測方位－測多普勒頻率定位技術

單艦測方位－測多普勒頻率定位法是根椐運動學原理，從觀測站和輻射源間相對運動的徑向分量中提取出目標多普勒頻率變化率信息，從切向分量中提取出目標角度變化率信息，輔以方位信息，從而精確確定輻射源位置的一種方法。

2 多艦／空無源定位系統和技術

多站無源定位以偵察設備的復雜度來換取定位速度快、定位精度高的優點，在陸地上得到廣泛應用；但在海戰中多艦無源定位因其速度慢，機動性能差，會面臨多艦之間的復雜時間同步、脈沖配對及信息傳輸等一系列難題，發展比較緩慢。多艦多平臺無源定位當前的發展主要集中在水面艦載ESM系統與艦載／升空平臺、岸基平臺和天基平臺ESM系統的交聯上，希望借助于艦載機的空中優勢來擴大和提高艦用ESM系統的反導作戰能力，構成海陸空天立體化的電子防御體系。

2.1 多艦／空無源定位系統

國外為了提高艦載無源定位系統的定位精度，大多利用艦載直升機或無人機和預警機參與無源定位，拉大基線長度，從而有效地提高定位精度。隨著網絡中心戰的不斷深入，艦載無源定位系統正向著多艦／多平臺綜合一體化、網絡化方向發展。美海軍正在構建協同作戰能力（CEC）系統。美海軍未來聯合作戰能力將兼容ESM、電子情報、通信情報、雷達和紅外等多種傳感器，并計劃將海軍的CEC 與空軍的網絡中心協作目標瞄準（NCCT）結合，最終計劃在2025 年建成全軍的綜合電子信息系統（C4KISR），實現對全球任何目標的網絡化精確探測、定位和打擊。

2.1.1 艦載SLQ－32 與直升機載 ALQ－142（I ）綜合一體化

國外典型艦／空一體化無源定位系統主要有美國海軍和國會研制的艦載SLQ－32V系統與新型直升機載無源定位系統 ALQ－142 （I ）綜合一體化系統。這種新型直升機載定位系統是艦／空一體化電子戰系統的機載前端傳感器部分，在測向方面采用相位干涉儀天線陣列，所以其測向精度比原先采用羅特曼透鏡多波束比幅測向的ALQ－142（V）型更為先進。ALQ－142（I ）系統測得的敵輻射源信號特征參數和方位參數通過數據鏈直接傳送到艦載SLQ－32（V）系統電子戰席位或送到艦上作戰情報中心（CIC），利用交叉定位法確定出敵輻射源的位置，使整個艦／空電子戰系統的探測距離超過雷達視距范圍。

2.1.2 艦載無人機載定位系統

國外正在研究艦載無人機載定位系統，無人機攜帶偵察設備對一定頻域和空域內的各種電磁信號進行搜索、測量和分析識別，可以把分析識別放在無人機上進行，把信息傳送到艦上，以減輕無人機的載荷，這樣艦上偵察設備與無人機上的偵察設備配合使用，就可對敵輻射源進行比較精確的定位。

2.1.3 AN／WLR－1H（V）7ESM 系統

美海軍為提高航母和海岸巡邏快艇的威脅告警能力開發的AN／WLR－1H（V）7ESM 系統，代表了目前ESM 海上電子情報（ELINT）和通信情報（COMINT）應用的最新技術。雖然它與CEC 計劃無關，但系統具有構建CEC 能力的潛力，能夠用來識別各種飛機和艦船上的特殊輻射源，對它們進行跟蹤，并把輻射源的信息分發給戰斗群的其他艦船。

2.1.4 “沉默的哨兵”無源探測定位系統

1998 年10 月美國公開了洛克希德·馬丁公司經過15 年潛心研究的利用商用調頻擴播和電視信號、采用相干技術進行目標識別的“沉默的哨兵”無源探測定位系統。系統對雷達截面積（RCS）為10m2空中目標的探測和跟蹤距離達180km，方位覆蓋60°～360°，同時發現和跟蹤目標的容量達200部，每秒可進行8 次實時數據更新。據報導，美國在2002 年7 月22 日將“沉默的哨兵3 ”安裝在運動速度為15kn 的艦船上進行演示試驗，試驗裝置如圖1所示。

圖1 “沉默的哨兵3”艦上試驗樣機

試驗結果表明，“沉默的哨兵3 ”傳感器能夠作為有限覆蓋區域補盲提供空中監視和跟蹤，對低空飛行、非協作、慢速運動目標及導彈進行跟蹤，能對飛機、不對稱威脅和助推階段導彈提供連續監視，采用低成本無人值守遙控管理?！俺聊纳诒? ”能對關鍵的基礎設施提供近期作戰監視。

2.1.5 美海軍CEC 系統與美軍CKISR 系統中的無源定位系統

從20 世紀90 年代以來，為了提高艦艇編隊的協調指控能力，實現從“平臺中心戰”向“網絡中心戰”的轉變，美國海軍率先提出了發展CEC 計劃，意在將航母戰斗群中各艦艇的探測跟蹤系統、指揮控制系統和武器系統以及預警機等有機聯系起來。美海軍未來聯合作戰能力將兼容ESM、電子情報、通信情報、雷達和紅外等多種傳感器。美海軍和空軍正在實現CEC 與NCCT 網絡的結合。美軍計劃將在2025 年建成C4KISR 系統，實現對全球任何目標的網絡化精確探測、定位和打擊。

ISR 是C4KISR 系統的核心和保障。ISR 系統根據設備的覆蓋范圍通常可分為3 級：第1 級ISR系統能覆蓋戰場的大部分地區。美軍通過NCCT計劃把海、陸、空、天基的升空傳感器如RC－135 “鉚釘”、“聯合星”、空中預警飛機、“全球鷹”無人機和海軍的EP－3 飛機這樣的平臺通過Link－16 數據鏈等連成網絡，以大大改進對時敏目標的探測、識別和定位能力，減小目標定位誤差和瞄準時間，擴大現有傳感器的作用距離。第2 級ISR 系統包括那些對重點地區進行詳細監視的系統如“捕食者”無人機，以及攜帶有各種傳感器的戰斗機和直升機，通過Ad－Hoc 自組網技術等連成網絡，支持第1 級系統。第3 級ISR 系統是進入21 世紀以來，美軍針對在伊拉克城市作戰環境中缺乏靈活偵察手段，快速發展起來的無線傳感器網絡系統。

2.1.5.1 AN／ALQ－217AESM 系統

E－2D預警機是海軍擴展防空任務的一個關鍵“使能器”，E－2D 的核心裝備是 AN／APY－9 雷達和AN／ALQ－217AESM 系統。AN／APY－9 雷達采用機械掃描與電掃描相結合的探測方式，完全能夠滿足美海軍無縫隙覆蓋360°空域的要求。AN／ALQ－217AESM系統能以很高的有效性和很低的成本精確識別和定位雷達。E－2D能與CEC 系統完全兼容，借助數據鏈將來自各種平臺的雷達跟蹤數據融合為一幅高質量、實時合成的跟蹤圖像，通過Link－16 將監視圖像分發給沒有裝備CEC 的平臺，提供一個無縫的空中戰術態勢圖像。E－2D將成為美海軍網絡中心戰中極其重要的一個空中節點。

2.1.5.2 LR－100ESM／ELINT 系統及 ELINT 有效載荷

“全球鷹”裝有由利頓公司設計、諾斯羅普·格魯曼公司生產的LR－100 小型自動化的ESM 電子情報（ELINT）系統。LR－100 重27kg，頻率覆蓋范圍為2 ～18GHz ，可對射頻輻射源進行探測、識別和定位，并將輻射源的到達角、位置、頻率、脈沖重復頻率和脈沖寬度等參數顯示在坐標上?！叭蝥棥敝饕揽吭撓到y執行戰場信號情報偵察任務。

“全球鷹”上還裝有由德國EADS 公司開發的ELINT 有效載荷，它是一種“高靈敏度傳感器”，可以對雷達輻射源進行探測、定位和分類，探測距離達500km。它具有2 種工作模式：一種是自動工作模式，在很寬的電磁頻譜范圍內，對已知和未知輻射源進行連續監視，從而建立電子作戰序列；另一種是人工模式，對特定的輻射源進行詳細分析，并對所有被監視的輻射源進行記錄。接收到的輻射源信號在無人機上進行預處理，然后通過下行鏈路傳送到地面，由電子情報地面支援站做進一步分析。

“全球鷹”能夠為網絡中心戰快速戰場感知提供強有力的支持，其先進的機載任務載荷能極大地提高對地面目標持久和高精度的偵察監視能力，以及對目標的識別、跟蹤和快速定位能力。

2.1.5.3 海洋偵察衛星“無源定位”任務載荷

美國“白云”系列、俄羅斯的海洋偵察衛星和目前的“微衛星編隊”是多星偵察系統，采用TDOA定位體制。多星定位體制的衛星軌道一般為1 000km以上。在多星體制的偵察系統中，單顆衛星僅配置信號參數測量單元，即采用一個用于信號參數測量的信號接收天線，而不需要測量信號DOA的復雜的天線陣列，它利用3 ～4 顆衛星的位置差別得到信號TDOA 來完成對輻射源的定位。這種定位體制要求星座中各顆衛星間有嚴格的時間同步。

2.1.5.4 借助互聯網的遠程遙控編隊無源定位系統

國外一種基于Ad－hoc 無線網絡的“組網化無人機（UAV）通信、指揮與控制”（NetUAVC3）樣機進行了試飛。該項目體現了外軍提出的一種受群集昆蟲特性啟發而形成的“群集情報”的概念。“群集化”UAV的電子戰接收機具有數字式信息素自主功能，即把每臺接收機看作是存在于這個“群集”中的一個螞蟻，獲得的參數可作為另一臺接收機截獲信號時的引導。利用這種NetUAVC3架構，操作員可以對遠方“掛拖”在因特網上的“魚網式網絡”進行遙控，對遠方輻射源進行定位偵察。該研究內容包括，一種將“網絡級情報”和“任務級情報”融合到“自主飛行控制單元”中去的算法、演示“把UAV 的任務功能連接到移動節點上”的功能和由組網化UAV編隊對射頻輻射源定位的功能。

2.2 多艦／空無源定位技術

多艦／空無源定位的處理方法目前主要有以下幾種：

（1）多艦／空（編隊）測向交叉定位技術

多艦／空測向交叉定位法的基本原理是利用2個或2 個以上的艦／空平臺對同一目標輻射源測得的方位信息，采用三角方法或最佳狀態估計法等算出目標輻射源的位置。

（2）多艦／空（編隊）時差無源定位技術

多艦／空時差定位法的基本原理是利用已被精確測定了相互間位置、距離的3 個（或3 個以上）艦／空偵察設備去測量輻射源信號到達的時差，在二維平面內，輻射源信號到2 個艦／空平臺的到達時間差確定了一組以2 個艦／空平臺的位置為焦點的雙曲線，2 個艦／空平臺的連線稱為基線，3 個（或3 個以上）艦／空平臺根據時差就可作出2 組（或2 組以上）雙曲線，2 組雙曲線相交得到2 個交點，再利用粗測向信息排除基線另一側的虛假定位點，就可確定輻射源的位置。測時差定位的優點是定位精度較高；缺點是對偵察設備和時統設備的要求高，同時由于噪聲和誤差的存在，會出現多值模糊和無解的情況。

（3）二艦／空時差、測向交叉無源定位技術

利用時差的無源定位，通常要有3 個接收站以達到消除多值模糊和定位精度的要求。如果海上艦對艦的無源定位，要以3 條艦艇作為接收站，那它們之間的數據傳輸和時間同步都變得十分復雜，會影響定位的收斂時間和定位精度。

二艦／空測時差、測向定位法又稱雙曲線－直線交叉法，基本原理是利用已被精確測定了相互間位置、距離的2 個艦／空的偵察設備測輻射源信號到達的時差，做出一組雙曲線，然后用其中一個艦空平臺的測向線和雙曲線相交，交點即為輻射源的位置。該方法實際上是測向交叉定位法和測時差定位法的綜合，定位精度和要求的設備復雜度介于測向交叉定位法和測時差定位法之間。

（4）利用外輻射源的超視距探測定位技術

傳統的無源探測定位裝備主要是通過探測目標輻射源信號來確定目標的位置，但對保持電磁沉默狀態的目標卻無法實現有效的探測和定位。于是，人們探索出新穎的利用廣播和電視等信號在被測目標形成的反射信號來對目標定位的無源探測定位技術。利用這種技術的典型代表是美國洛克希德·馬丁公司研究的“沉默的哨兵”無源探測定位系統，關鍵技術是無源相干定位（PCL）技術。該技術以IBM公司研究的算法為基礎，通過接收來自一個或多個調頻無線電臺、電視臺的直接路徑信號或散射信號，并利用目標飛過時產生的反射信號載波和信號包絡定位空中目標，同時借助可視化軟件和分析軟件將目標顯示在三維顯示器上。目前，該技術在工程實現上還存在如何從很強的直達波和背景噪聲中檢出微弱信號以及如何解模糊，獲得精確的AOA 和TDOA等諸多問題。

（5）基于大氣波導的超視距無源探測定位技術

超視距無源探測定位技術系統利用對流層散射和大氣波導傳輸機理，來實現對千里以外的射頻信號探測和定位。大氣對流層可以對雷達輻射的電磁波產生散射，雖然這種散射信號很弱，但只要偵察接收機的靈敏度足夠高，還是可以截獲到雷達信號的，可以對雷達實施超視距偵察?，F主要有湍流理論、不相干反射理論和相干反射理論3 種理論可以在某種程度上解釋對流層遠距離傳播的現象，與實測的結果大部分是相符的，但都還不能做出全面、完整的解釋，目前比較成熟的是湍流理論。所謂大氣波導就是由于特定區域的溫度和濕氣急劇地垂直變化使雷達波集中在對流層最低部位的一種反?，F象。大氣波導的出現可使陷獲在其中的電波以較小的損失（和在自由空間的衰減量級相當）沿波導傳輸，所以，對通信系統和有源無源探測系統會造成嚴重影響。

在軍事應用上，波導對于雷達和電子戰系統都是一把“雙刃劍”，一方面存在波導時，如果選用合適的頻率和發射角，能使雷達實現超視距探測；另一方面如果正確掌握波導位置、厚度和密度等，又可實現ESM系統對目標雷達的超視距探測、定位和干擾。

3 結束語

本文在大量收集國內外有關艦載無源定位技術資料的基礎上，對利用外輻射源信號和利用目標自身輻射信號的多艦／空和單艦無源定位系統、定位方法和關鍵技術進行了較為全面的概述。多艦／空無源定位存在艦船機動性差、多艦／空平臺之間面臨復雜時間同步、脈沖配對及信息傳輸等一系列難題，目前發展較緩慢；單艦無源定位發展迅速，國外已有產品，國內應把握時機，爭取在關鍵技術上取得突破，

并形成裝備，與有源雷達協同工作、相互支持，在未來對敵斗爭中確?！爸齐姶艡唷?。

［1］Glenn Goodman.New horizons for shipboard EW——US navy undertakes major renewal of its SLQ－32ESM system［J］.The Journal of Electronic Defense ，2009（1）：25－32.

［2］單月暉，孫仲康，皇甫堪.不斷發展的無源定位技術［J］.航天電子對抗，2002（1）：36－42.

［3］張彥華，管振輝，周希朗.基于概率估計的艦載DOA無源 定 位 的 仿 真 ［J］.計 算 機 仿 真，2005 ，10 （22 ）：8－11.

［4］彭根建，周希郎.利用TDOA方法實現單站機動無源定位［J］.計算機仿真，2005 ，10（22）：20－30.

［5］陸志宏.艦載電子戰系統中對運動輻射源的單站無源測距定位技術［J］.艦船電子對抗，2007（4）：16－19.