單站無源定位技術研究*

(海軍蚌埠士官學校 蚌埠 233012)

單站無源定位技術研究*

藍紅生古軍峰王國恩

(海軍蚌埠士官學校 蚌埠 233012)

在戰略情報偵察中,單站無源定位可以測出雷達網的各雷達位置,同時在其它戰術技術情報的基礎上,進而可以推斷出防御體系的布置。論文介紹單站無源定位跟蹤的幾種方法。

單站;無源定位

ClassNumberTN953

1 引言

用無源定位手段獲取雷達的位置信息是雷達對抗偵察的重要任務。在戰術行動中,精確的、實時的無源定位可以為反輻射導彈、火炮提供敵方雷達的坐標數據,為飛機、軍艦提供機動回避的方向情報。其中,單站無源定位跟蹤技術是利用一個觀測平臺,設備本身并不主動發射信號,而僅僅是靠被動接收輻射源的信息來實現定位的技術。其定位的性質有兩類:一是利用未知輻射源的輻射信號,確定出該輻射源的類型及其平臺位置;二是利用已知地理位置的輻射源來確定航行中物體的空間和運動信息。

2 單站無源定位和跟蹤技術的基本原理

由于雷達對抗偵察設備一般不能測距,因而單站無源定位不能瞬時給出雷達目標的位置。單站定位是利用雷達對抗偵察設備與雷達輻射源間的相對運動,通過運動過程中多次測量進行定位的。其技術包括運動單站對固定輻射源定位技術和固定單站對有規律運動的運動輻射源的定位技術。

3 單站無源定位方法

3.1 到達時間定位法

對輻射源可以得到的一個測量值是信號的到達時間。由于輻射源的距離未知,其到達時間的相對變化含有目標的狀態信息,要獲取這些信息,必須對那些信號時間特征進行精確的測量,才能獲取目標的速度信息和距離信息,進而獲取輻射源目標的位置信息。

對脈沖重復周期(PRI)已知的情況:假定目標信號的PRI已知,或可通過別的途徑精確獲取,具有輻射源發射穩定的PRI固定脈沖信號,則可在測量目標到達時間差的基礎上,測得目標在兩個不同角度位置上的距離差,從而獲得與目標速度和距離有關的信息。對脈沖重復周期未知的情況,實際處理可能需要將PRI的精確測量與定位計算同時進行。這時,PRI一般是未知的。我們所能獲得的是若干雷達脈沖串的脈沖到達時間,將信號的PRI參數作未知參數,通過狀態擴充處理,仍可建立有效的到達時間差測量方程。該方法存在著速度慢、精度低的弊端。同時,該方法的應用還受到雷達頻率漂移、跳變的影響。

3.2 測向定位法

對輻射源目標進行無源測量最直接的方法就是測量輻射源信號的到達角。利用目標在某一時刻所在位置與觀測站的相對位置關系,可以建立到達方位測量的觀測模型的數學表達式,是研究最多、最經典的單站無源定位技術,該技術已基本趨于成熟。

測向定位法技術定位依據的基本原理是三角定位法,即利用運動的單個觀測站在不同位置測得的目標方向角信息,運用交叉定位原理通過一定的定位算法確定出目標輻射源的位置(這是指對固定目標定位。當目標運動時,“交叉”無法實現,定位過程實際上是對目標運動狀態的估計或擬合)。現有的測向定位算法主要是基于極大似然法或最小二乘法,包括角度誤差最小、距離誤差最小等。若利用非線性最小二乘法濾波進行多次序測向定位可以平滑定位誤差,具有一定的成熟性和穩定性。

測向定位法的優點是只需要方向測量數據和觀測站自身位置數據,數據量小,數據處理手段也相對簡單。該方法的缺點是由于采用的信息量少,在實際應用中容易出現遞推發散的情形,或者陷入局部極小點,導致結果的偏差。其次,當目標輻射源運行時,該方法的可重復觀測性問題突出,即要求觀測站必須做特殊的機動運動,而且跟蹤精度直接取決于觀測站運動的機動量。另外,該定位法采用三角交會,要達到較高的精度,就需要形成較大的交會角,即要較長的運行測量時間,不利于及早確定目標位置,大大影響了該方法的實用性。

3.3 多普勒頻率定位法

對于連續波或者有較長持續時間的信號輻射源,到達信號的頻率包含了目標—觀測器相對運動引起的多普勒成分,實質上包含了目標運動的狀態,在一定條件下可以解算出來。對于位置固定、發射頻率固定的輻射源目標,若其輻射源頻率已知,對勻速運動的觀測站,只要觀測點不是總在徑向(LOP)上,通過三次以上的測量可以實現定位:若載頻未知,在狀態估計時,把它加入到狀態矢量中,可以一同被估計出來。對于運動的輻射源,在跟蹤過程中,為了保證輻射源的可觀測性(唯一解),和單獨的測向法一樣,必須使觀測站作機動運動,而且誤差和估計精度依賴于觀測站的機動特性。

3.4 方位到達時間聯合定位法

由于單站可測得運動目標的方位(DOA)和脈沖到達時間(TOA)。假設目標作勻速直線運動,且脈沖列具有恒定的脈沖重復周期,測量噪聲符合零值高斯分布,每次測時差、方位角時的測量噪聲彼此獨立。將目標設定在二維坐標系中考慮,如圖1所示,偵察站位于坐標原點O(0,0)。輻射源目標t0時刻位于A(x0,y0)點,其方位角為θ(t0),而t時刻則位于B(x(t),y(t))點,其方位角為θ(t),輻射源目標以速度V從A向B方向運動,方位發生了變化。

圖1 觀測點與目標航跡示意圖

輻射源發射相繼脈沖時,目標到觀測站的距離發生了變化,使得脈沖傳播時間相應變化,反映到測量的TOA中,從變化的DOA和TOA信息可以提取輻射源的運動狀態,從而確定目標的位置。相應的定位跟蹤算法有:最優加權最小二乘估計和卡爾曼濾波聯合跟蹤(WLS+KF)、交互式模型定位(IFF)算法、加權修正擴展卡爾曼濾波(WMEKF)和擴展卡爾曼濾波(EKF),對一些非線性跟蹤采用偽線性算法和MGKF算法。

3.5 方位-頻率聯合定位法

對于連續波或者有較長持續時間的目標,除了方位信息之外,還可以測量到達信號的頻率。該頻率包含了目標與觀測站之間相對運動引起的多普勒頻移,它反映了距離的變化率。一般在相對徑向速度不是恒定的條件下,在一段時間內多次測量多普勒頻率,可以解算出輻射源的距離?；蛘邚亩嗥绽兆兓蕘砝斫?它可以和觀測平臺運動速度一起確定一條測量曲線,它和測角方向線的交點就是輻射源的位置。

方位-頻率定位法即通過測量多普勒頻率提取目標的距離信息,再結合測角系統所測得的方位信息對目標進行定位。該方法的估計精度高于單純的測向定位法或頻率定位法。這樣使用可控制的觀測站,可減少觀測器的機動,增強目標的可觀測性,使輻射源的定位跟蹤更容易實現。

3.6 幅度-方位定位法

眾所周知,雷達偵察與雷達相比,有諸多優點:隱蔽性好、作用距離遠、獲取信息多、預警時間長等。但雷達偵察也有它的弱點和局限性,其中的一點就是不能測距。過去,雷達偵察機只能根據接收到的雷達信號的強弱(波形觀察或功率計指針指示)來大概估計雷達的遠近,要測定雷達的距離和位置,通常要用兩部或多部雷達偵察機進行交叉定位測距。

由于功率測量部件靈敏度及其他多種因素的影響,波形或功率計指針指示方式估計雷達距離是很粗略的,而且會把有效發射功率大的遠距離雷達誤認為是功率小得多的近距離雷達;多部雷達偵察機交叉定位測距,雖然能較精確地測距,但系統間的定時定位、信息傳送、信息處理等需要聯網并用專門的處理機來承擔,使系統復雜化,實戰中受到諸多條件的制約。

我們從自由空間的雷達偵察方程入手進行測距。方程式為

(1)

式中:Pr為偵察天線接收到的雷達信號功率;Pt為雷達發射的脈沖功率;Gt為雷達發射天線在偵察機指向處的增益;Ar為偵察天線在雷達方向處的有效接收面積;R為雷達距偵察機的距離。

由式(1)得:

(2)

由式(2)可見,R與被測雷達及偵察機本身的設計參數有關(Pt,Gt,Ar),同時也與兩者的天線運動狀態有關(Ar,Gt,Pr)。除了幅度(距離)信息外,利用非線性最小二乘法對到達角進行濾波以得到更精確的方位信息,即可得輻射源目標的位置。

3.7 測相位變化率定位法

在運動平臺上放置基線為d的二天線單元構成干涉儀,測量干涉儀相位差及其變化率,即可獲得輻射源的位置信息。定位原理:從幾何上看,在二維平面內,相位改變與一定的目標相對角度的改變相對應:

(3)

式中:B為目標與觀測站的方位角;β為角度變化率;λ為波長;d為測量基線的長度;φ為相位變化率。

恒定的相位變化率規定了目標可能存在的軌跡,對于如圖2所示的幾何運動,以及干涉儀基線的安置情況,其相位變化率是一個圓,且經過平臺所在點O,其半徑為

(4)

式中:V是平臺運動速度,是已知的。干涉儀測得方向線與該圖的交點即是目標的位置。相應的定位算法主要有卡爾曼濾波算法(EKF)和修正增益擴展卡爾曼濾波算法(MGEKF)。測相位變化率定位法具有快速性、準確性等優點,但它們是以增加測量的復雜性和難度為代價的。

3.8 多普勒頻率變化率定位法

根據運動學原理,當觀測器與目標輻射源作相對運動時,利用相互運動信息,可以實現對目標的無源定位與跟蹤,如圖3所示。

圖2 相位變化率-方位角定位原理

圖3 觀測器與目標輻射度相對運動示意圖

目標在Xt位置上以Vt的速度運動,而觀測器在X0位置上以V0的速度運動,目標與觀測器的距離為r,相對于觀測器的方位角為B。可以將目標相對于觀測器的運動看作是兩個運動的合成,即以Vt的切向速度圍繞觀測器旋轉和以Vr的徑向速度向觀測器接近。從而從切向速度Vt中提取出相位變化率,從徑向速度Vr中提取出多普勒頻率變化率,輔以方位信息,就可以實現單次測距的定位。利用多普勒頻率變化率作為測量,是一種快速高精度的單站無源定位技術,若各測量量的測量精度滿足要求,則可以在很短的時間內達到較高的測距精度。當受輻射源限制時,觀測器采樣率很低,依然可以通過較少的測量次數達到較高的測距精度。但該技術對多普勒頻率變化率的測量精度提出了較高的要求,并成為影響定位精度的主要原因之一。

4 結語

與有源定位方法相比,無源定位方法具有作用距離遠,抗干擾能力強,實現對目標的隱蔽接收、定位和跟蹤的能力。對于提高系統在電子戰環境下的生存能力和作戰能力有重要作用。

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SingleStationPassiveLocationTechnology

LAN Hongsheng GU Junfeng WANG Guo’en

In the strategic intelligence reconnaissance, single station passive location can be measured by the radar poison of radar network. At the same time, based on other technical and tactical intelligence, the defense system layout can be inferred. Several methods of single observer passive location and tracking are introduced in this paper.

single station, passive location

2013年11月7日,

:2013年12月18日

藍紅生,男,講師,研究方向:電子對抗。古軍峰,男,講師,研究方向:艦艇指控系統。王國恩,男,講師,研究方向:電子對抗。

TN953DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.016

(BenBu Naval Petty Officer Academy, Benbu 233012)