多站時差定位關鍵技術研究

田 達，唐英巡，楊樹樹，侯慶禹，馬 琴

（1.中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007；2.中國人民解放軍91635部隊，北京 102249）

0 引言

對地面雷達輻射源進行無源探測定位是電子偵察的一項重要任務。偵察定位體制選擇與輻射源信號特點、觀測平臺運動特性、應用要求等因素有關［1－3］。常見體制包括測向交叉、相位差變化率、長基線時差、差分多普勒等等?？紤]到多數地面雷達以脈沖工作方式為主，信號波形持續時間相對較短、帶寬較寬，有利于時差精確測量，因此長基線時差定位成為電子偵察多站定位體制的首選。與其他定位體制相比，長基線時差定位可以實現較高的定位精度，且定位所需時間短（理論上單次時差測量即可實現目標定位），特別適合電子支援或情報偵察作戰應用。

本文提出一種多站目標精確定位方法，利用多個機動偵察站同步觀測獲得雷達輻射源時差信息，通過定位跟蹤算法實現目標位置精確估計，只需三站即可測得地面目標的位置坐標。該方法具有較大的靈活性，適用于多種觀測平臺，且可方便地推廣應用于更多機動平臺組網觀測，以提高偵察定位精度和穩健性。分析了精確時差測量、輻射源定位跟蹤等關鍵技術，并進行了性能分析仿真。

1 系統方案

多站目標精確定位系統由三個偵察站和一個指揮控制中心組成，如圖1所示。各偵察站保持嚴格時間同步，共同測得輻射源位置信息。指揮控制中心負責控制各偵察站平臺的姿態、布站構形，根據需要調整平臺位置姿態，形成最佳布站構形，達到最佳定位效果。

偵察站按照功能劃分為一個主站和兩個副站。主站除完成輻射源信號截獲、參數測量、分析、給出輻射源信號描述字外，還負責多站定位系統工作時序和方式控制，將脈沖描述字（PDW）和控制信息以廣播方式發送至副站。主站可接收副站回傳的脈沖到達時間（TOA）測量結果和平臺自定位數據，根據這些信息解算輻射源位置。副站在主站控制下，在指定頻段上進行信號的跟蹤偵收，測量脈沖信號的TOA，將測量結果和平臺自定位數據經過微波鏈路回傳到主站。

圖1 多站目標精確定位系統

考慮到多站目標精確定位系統應用特點，主站、副站可采用相同任務載荷設計，包括偵察接收機、輻射源目標數據庫、數據處理單元、二次電源等模塊。此外，還有時間同步單元、控制單元、系統接口單元、通信鏈路、GPS導航等其他航電設備，如圖2所示。

圖2 設備組成框圖

其中，偵察接收機實現輻射源信號截獲和脈沖參數（RF，PW，PA及TOA）精確測量功能，編碼產生脈沖描述字（PDW）；數據處理單元可對偵察接收機輸出的PDW進行分析處理，實現脈沖分選和配對，提取時差，結合各偵察站的平臺位置信息對輻射源進行定位跟蹤處理，更新輻射源目標數據庫；輻射源目標數據庫用于存放歷史的和當前的關于輻射源的描述數據，為目標識別和信號分選提供支持；GPS導航系統負責提供平臺位置和速度信息；時間同步單元提供系統所需的高穩定度的1PPS同步秒脈沖和參考頻率源；通信鏈路實現主站與各副站之間以及各站與指揮控制中心之間的通信數據傳輸；系統接口單元提供與控制單元及武器系統等其它系統的接口；控制單元用于系統協調管控，并實現對系統工作狀態的監視。

2 高精度時差測量［4］

雷達信號多采用脈沖工作方式，因此雷達信號時差提取可通過測量脈沖TOA得到，處理過程依次包括TOA測量、脈沖信號分選配對、TOA比對等幾大步驟，如圖3所示。該方法可以較好地適應脈沖工作環境，并且主副站之間轉發數據量小，不需要大容量的站間通信鏈路。

圖3 基于TOA的時差提取流程

與傳統模擬視頻脈沖檢測處理方式不同，本方案采用基于小波分析的方法實現雷達脈沖TOA精確測量，具有更高的靈敏度和測量精度?；驹硎峭ㄟ^自相關得到脈沖包絡并初步確定上升沿的位置，用Haar小波對脈沖包絡進行單尺度變換，通過小波變換WT（a，n）模值的峰點位置檢測出脈沖前沿。基于小波分析的TOA精確測量處理流程如圖4所示。

圖4 基于小波分析的TOA測量算法流程

TOA測量性能試驗仿真如圖5所示?；赥OA測量的時差提取方法需要主副站之間采用相同的時間基準，即各偵察站在時間上嚴格保持同步，這可通過微波雙向時間傳遞（TWTT）技術［5］實現，各平臺自帶高精度原子鐘，通過微波無線鏈路實現雙向時間傳遞，修正本地鐘差，該方法對鏈路速率要求不高，適用于機動平臺，可實現5ns以內同步精度。

3 輻射源定位跟蹤

3.1 單次測量定位算法

設各偵察站平臺位置分別為（x0，y0，z0）、（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2），輻射源的位置為xt＝（x，y，z）。以（x0，y0，z0）位置觀測站為參考（主站），副站偵收信號相對主站偵收信號的到達時差分別為Δt1、Δt2，則輻射源位置坐標滿足如下方程組（觀測方程）：

對于地球表面的輻射源，其位置坐標還滿足WGS－84地球橢球面約束方程：

式中，c為光速，N＝a（1－e2sin2B）－1/2為目標所在點的卯酉圈曲率半徑，a為地球半長軸，e為第一偏心率，B為目標緯度，h為目標高程。聯立上述方程組進行求解，即得到輻射源的位置坐標。

給定一組混有噪聲的量測方程：

圖5 TOA測量試驗仿真

式中，nk為第k次觀測的零均值測量噪聲。未知噪聲統計特性的情況下，最小二乘是一種合理的最優估計準則，即目標位置估計：

式中，向量γ＝［γ1，…，γK］T，f（xt）＝（f1（xt），…，fK（xt））T。

為便于處理，將函數f（xt）在初始點xt0＝（xt0，yt0，zt0）T處用一階泰勒公式展開，獲得線性化近似，即：

式中：

分別為位置增量和函數fk（xt）的梯度向量。將式（3）、（5）代入式（4），即得：

式中：

得出上述方程的最小二乘解：

在各觀測站時差測量誤差的協方差陣Rn＝E｛［n－E｛n｝］［n－E｛n｝］T｝已知的情況下，則有加權最小二乘解：

需要說明的是，上述方法是一種遞推迭代方法。統計分析表明，只要選取的迭代初值xt0距離真值不是太遠，該方法均收斂于真值附近，并提供統計意義下的無偏估計［2］。迭代初值可根據輻射源所處位置區域的先驗信息確定。與其它時差定位系統一樣，多站編隊構形設計（偵察平臺航跡）直接影響定位精度。

3.2 濾波跟蹤算法

利用編隊飛行過程中的多次時差測量進行濾波處理，可以進一步提高定位精度。對于固定輻射源，狀態方程為：

測量方程為：

根據推廣的Kalman濾波公式，結合狀態方程式可得：

式中：

4 定位性能仿真

假設編隊飛行高度18km，主副站間距30km，時差測量精度20ns，平臺自定位精度1m。多站目標精確定位誤差分布的計算結果（單次定位，未經濾波處理）如圖6所示。在x、y方向±500km條帶區域內，三站定位誤差基本＜1%R。

圖6 三站定位精度分布

為了進一步提高定位精度，在定位過程中采用濾波處理，500km距離目標的定位誤差收斂典型曲線如圖7所示，其濾波時間間隔為0.1s。表明，經過5s時間濾波，定位誤差收斂到500m以內。

圖7 三站定位濾波處理

5 結束語

本文提出的多站目標精確定位方法具有觀測站少、原理簡單、組網靈活的優點，可以推廣應用于任意機動觀測平臺。與傳統處理方式相比，該方法采用先進數字信號處理技術實現脈沖信號檢測和TOA參數測量，具有更高的靈敏度和測量精度，能夠較好地適應脈沖工作環境，并且主副站之間轉發數據量小，不需要大容量的站間通信鏈路。采用的濾波跟蹤算法可實現快速高精度定位，在電子偵察應用中具有良好的應用前景。

［1］Paradowski LR.Microwave emitter position location：present and future［C］∥12thInternational Conference on Microwaves and Radar，MIKON’98，1998，4：97－116.

［2］Torrieri DJ.Statistical theory of passive location systems［J］.IEEE Trans.on Aerospace and Electronic Systems，1984，20（2）：183－198.

［3］Mellen GII，Pachter M，Raquet J.Closed－form solution for determining emitter location using time difference of arrival measurements［J］.IEEE Trans.on Aerospace and Electronic Systems，2003，39（3）：1056－1058.

［4］周一宇，鐘丹星，謝愷.三星座對地面輻射源的時差定位方法研究［C］∥電子戰新概念新理論新技術第十一屆學術年會論文集，2003：146－151.

［5］Warriner J，et al.Real－time two－way time transfer to aircraft［C］∥38thAnnual Precise Time and Time Interval（PTTI）Meeting，ADA474550，2007.