實(shí)現(xiàn)雙/多基地雷達(dá)時(shí)間同步的一種新方法

馮廣飛,謝軍偉,楊守國(guó),程智峰

（空軍工程大學(xué),三原 713800）

0 引 言

雙/多基地雷達(dá)由于收發(fā)分置,在體制上天然具備了反隱身、抗干擾、抗低空突防和抗反輻射導(dǎo)彈的優(yōu)勢(shì),與此同時(shí)也帶來(lái)了收發(fā)站之間的同步問(wèn)題,而時(shí)間同步是實(shí)現(xiàn)雙/多基地雷達(dá)同步的關(guān)鍵技術(shù)之一。雙/多基地跟蹤雷達(dá)為了實(shí)現(xiàn)高精度的距離解算,要求時(shí)統(tǒng)的精度為數(shù)十納秒以下,目前只有衛(wèi)星雙向中繼法、GPS衛(wèi)星授時(shí)、光纖通信和搬運(yùn)鐘能夠滿(mǎn)足精度要求。目前滿(mǎn)足高精度時(shí)間同步要求且使用方便的授時(shí)系統(tǒng)是GPS授時(shí),但在戰(zhàn)時(shí)GPS容易受到干擾,因此對(duì)不依賴(lài)于GPS的高精度的時(shí)間校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行研究是一個(gè)亟待解決的課題。

這里提出了一種新的時(shí)間同步校準(zhǔn)方法。通過(guò)短波束或有、無(wú)源電視同步信號(hào)進(jìn)行一次校時(shí),達(dá)到基本對(duì)準(zhǔn)的目的,精度可達(dá)1～5 ms。在一次校時(shí)基礎(chǔ)上,利用現(xiàn)代雷達(dá)大多具有多通道、多目標(biāo)跟蹤能力的特點(diǎn)進(jìn)行二次校時(shí),通過(guò)接收站不同通道對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行跟蹤,分別實(shí)施雙基測(cè)量和單基測(cè)量,對(duì)雙基和單基測(cè)量值進(jìn)行最小二乘處理,利用遺傳算法進(jìn)行最優(yōu)化搜索,仿真結(jié)果表明單雙基測(cè)量值比對(duì)可以達(dá)到高精度的時(shí)間同步。

1 對(duì)目標(biāo)進(jìn)行單、雙基測(cè)量和比對(duì)的時(shí)間校準(zhǔn)方法

1.1 對(duì)已知目標(biāo)測(cè)量的時(shí)間校準(zhǔn)方法

假設(shè)有已知的地標(biāo),相對(duì)發(fā)射站和接收站的距離已知,分別為RT和RR,則雙基距離和為RS=RT+RR,如圖1（b）所示,發(fā)射站對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射,接收站對(duì)雙基距離和進(jìn)行測(cè)量,其實(shí)測(cè)值為RS′,如圖1（a）所示,則接收站與發(fā)射站同步信號(hào)的時(shí)差為△τ=（RS′-RS）/c,調(diào)整接收站同步脈沖的時(shí)延,即可實(shí)現(xiàn)收、發(fā)站的時(shí)間同步。當(dāng)△τ＞0時(shí),延時(shí)△τ；當(dāng)△τ＜0時(shí),延時(shí)T-|△τ|。

假設(shè)雷達(dá)第i次測(cè)量值為RS′（i）,測(cè)量值中包含的系統(tǒng)誤差為△RXT（i）,雷達(dá)對(duì)已知目標(biāo)進(jìn)行了N次測(cè)量,則△τ的估計(jì)值為:

圖1 對(duì)已知目標(biāo)測(cè)量實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步示意圖

該方法比較簡(jiǎn)單,但當(dāng)收發(fā)站相距較遠(yuǎn)時(shí),受地物遮擋和地球曲率的影響很難找到照射站和接收站均能通視的標(biāo)定點(diǎn),因此該方法實(shí)用價(jià)值不大。

1.2 對(duì)未知目標(biāo)進(jìn)行單、雙基測(cè)量和比對(duì)的時(shí)間校準(zhǔn)方法

1.2.1 基本原理

新型雷達(dá)大多采用了相控陣技術(shù),因此具有多目標(biāo)跟蹤能力,使雷達(dá)的2個(gè)目標(biāo)通道同時(shí)對(duì)同一批目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。其中一個(gè)通道對(duì)目標(biāo)的單基信號(hào)進(jìn)行跟蹤,另一個(gè)通道對(duì)雙基信號(hào)進(jìn)行跟蹤。

設(shè)雙多基地雷達(dá)的時(shí)間同步誤差為△τ,在第i時(shí)刻測(cè)得的目標(biāo)單基距為R（i）,接收站測(cè)量得到的高低角為 ε（i）,方位角為β（i）,雙基距為Rs（i）,進(jìn)行系統(tǒng)誤差補(bǔ)償后,各測(cè)量分量為:

式中 :△R（i）、△ε（i）、△β（i）、△R（i）為系統(tǒng)誤差的補(bǔ)償量,可事先得到；c為光速。

則由i時(shí)刻目標(biāo)的雙基距離和、高低角和方位角可解得目標(biāo)的單基距:

式中:L為照射站和接收站的基線距離。

1.2.2 △τ的估計(jì)

f（△τ）是△τ的非線性函數(shù),故采用最小二乘法對(duì)f（△τ）進(jìn)行求解時(shí)必須進(jìn)行線性化,而△τ在整個(gè)距離周期內(nèi)具有很大的隨機(jī)性,因此不宜用最小二乘法進(jìn)行求解,仍可采用遺傳算法求解以上非線性?xún)?yōu)化問(wèn)題,為此構(gòu)造遺傳算法如下:

（1）誤差參數(shù)的選擇及約束條件

誤差參數(shù)選擇△τ,0＜△τ＜T,T為距離周期。

（2）編碼方式

由于△τ每次工作隨機(jī)性很大,取值范圍大,精度要求很高,選擇浮點(diǎn)數(shù)編碼的方法進(jìn)行編碼。

（3）目標(biāo)函數(shù)和適應(yīng)度函數(shù)的確定

目標(biāo)函數(shù)為:

在Matlab遺傳算法工具箱中,適應(yīng)度函數(shù)要求目標(biāo)函數(shù)減小時(shí)適應(yīng)度減小。因?yàn)槟繕?biāo)函數(shù)是求函數(shù)最小值的問(wèn)題,因此適應(yīng)度函數(shù)與目標(biāo)函數(shù)一致。

（4）遺傳算子的選擇

采用最優(yōu)保存策略,同時(shí)采用輪盤(pán)賭算法,交叉操作選擇中間重組算法,選用高斯變異算法。

（5）參數(shù)選擇

進(jìn)化過(guò)程中,從搜索時(shí)間等角度考慮,群體規(guī)模選為50,交叉概率選為0.8,變異概率選為0.01。

設(shè)置算法最大重復(fù)執(zhí)行次數(shù)為200,終止代數(shù)為50,停滯時(shí)間為20 s。確定遷移方向?yàn)榍跋?即遷移發(fā)生在下一個(gè)種群,也就是第N個(gè)子種群遷移到第N+1個(gè)子種群。間隔為20,即2次遷移間經(jīng)過(guò)20代,遷移比率設(shè)置為0.1。

2 仿真結(jié)果及分析

假設(shè)照射站和接收站的基線距離為40 km；目標(biāo)作等高直線飛行,飛行高度為8 000 m,目標(biāo)速度為420 m/s,航跡斜距范圍 10～40 km,航向角為7π/4,航路捷徑為0；單基距經(jīng)誤差補(bǔ)償后的起伏誤差為5 m,高低角和方位角經(jīng)誤差補(bǔ)償后的起伏誤差為2′,雙基距離和的起伏誤差為5 m。

假設(shè)收發(fā)站之間的時(shí)差為10-5s,采用遺傳算法搜索的結(jié)果為 1.001 93×10-5s,兩者相差19.3 ns,利用Matlab遺傳算法工具箱進(jìn)行仿真,各代適應(yīng)度圖形和最優(yōu)個(gè)體圖形如圖2所示。

圖2 適應(yīng)度圖形和最優(yōu)個(gè)體圖形

假設(shè)收發(fā)站之間的時(shí)差為10-4s,采用遺傳算法搜索的結(jié)果為9.999 22×10-5s,兩者相差7.8 ns,各代適應(yīng)度圖形和最優(yōu)個(gè)體圖形如圖2所示。

圖3 適應(yīng)度圖形和最優(yōu)個(gè)體圖形

由仿真結(jié)果可看出,系統(tǒng)誤差為0時(shí),遺傳算法具有很高的搜索精度,說(shuō)明該方法是可行的,但需要指出的是當(dāng)系統(tǒng)誤差補(bǔ)償不完善時(shí),搜索的精度將變差,同時(shí)搜索的精度也與航跡的選擇有關(guān),為了得到高的時(shí)間同步精度,應(yīng)選擇遠(yuǎn)離基線的航跡。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)GPS容易受干擾的缺點(diǎn),提出了先用短波或電視信號(hào)進(jìn)行一次校時(shí),再通過(guò)對(duì)目標(biāo)雙基測(cè)量,與單基測(cè)量值比對(duì)的二次校時(shí)方法。運(yùn)用最小二乘方法建立目標(biāo)函數(shù),再用遺傳算法進(jìn)行最優(yōu)搜索,結(jié)果表明可以達(dá)到高的時(shí)間同步精度。驗(yàn)證了這種時(shí)間同步校準(zhǔn)的方法在理論上是可行的,至于具體的實(shí)踐可行性還需作進(jìn)一步的試驗(yàn)和分析。

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