偵察設(shè)備單站脈幅定位研究*

汪海銳　邵　偉　林明勝

(海軍蚌埠士官學(xué)校　蚌埠　233012)

WANG Hairui　SHAO Wei　LIN Mingsheng

(Bengbu Navy Petty Officer Academy, Bengbu　233012)

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偵察設(shè)備單站脈幅定位研究*

汪海銳邵偉林明勝

(海軍蚌埠士官學(xué)校蚌埠233012)

針對(duì)雷達(dá)設(shè)備探測(cè)定位所具有的不足之處，說明無源雷達(dá)所具有的優(yōu)點(diǎn)，并通過雷達(dá)方程、偵察方程建模過程的分析，以偵察設(shè)備對(duì)非合作輻射信號(hào)偵察、接收、測(cè)量的過程，說明以脈幅來測(cè)定輻射源與偵察設(shè)備距離的依據(jù)。

技術(shù)偵察; 定位; 脈幅; 無源雷達(dá)

WANG HairuiSHAO WeiLIN Mingsheng

(Bengbu Navy Petty Officer Academy, Bengbu233012)

Class NumberTN971.1

1　引言

輻射源定位是電子戰(zhàn)系統(tǒng)的一個(gè)基本功能與要求，明確目標(biāo)的具體位置具有極大的意義，首先，確定目標(biāo)的位置，有助于了解敵方的軍事部署；其次，在精確定位目標(biāo)之后，就可以使用帶有定位系統(tǒng)的精確制導(dǎo)武器進(jìn)行攻擊；最后，同一區(qū)域中集中的不同類型的輻射源的相關(guān)信息可以用來分析該區(qū)域中敵方的部隊(duì)的類型[1]。

常用的對(duì)輻射源定位的方法主要可以分為雷達(dá)探測(cè)定位、偵察設(shè)備定位。

對(duì)于雷達(dá)探測(cè)定位來說，在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索定位的同時(shí)，會(huì)主動(dòng)輻射出電磁波，從而使得在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索、探測(cè)的同時(shí)，也將自己的位置、電磁特性暴露無遺，被其他的目標(biāo)偵察、截獲。雷達(dá)的使用，使得己方被敵方發(fā)現(xiàn)的概率增大，也容易造成被敵方攻擊，同時(shí)，雷達(dá)探測(cè)定位也存在角度欺騙、距離欺騙等問題，而且雷達(dá)極易被無源假目標(biāo)干擾，造成探測(cè)定位中的失誤。

相對(duì)于雷達(dá)探測(cè)定位來說，偵察設(shè)備的探測(cè)定位則更具有優(yōu)勢(shì)，偵察設(shè)備只接收被偵測(cè)方輻射出的電磁波，不主動(dòng)發(fā)射，因此，被發(fā)現(xiàn)的概率大大的降低，具有極大的隱蔽性。由偵察設(shè)備構(gòu)成的無源探測(cè)和定位系統(tǒng)，其工作機(jī)理、定位方法和系統(tǒng)配置使它具有優(yōu)越的反隱身性能，作用距離遠(yuǎn)、隱蔽性強(qiáng)、不易被對(duì)方發(fā)覺，可免遭反輻射導(dǎo)彈、低空飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈等襲擊，在軍事行動(dòng)中，生存能力相對(duì)較強(qiáng)。

因此，采用偵察設(shè)備定位的方法較雷達(dá)探測(cè)定位更具有優(yōu)勢(shì)。

2　偵察設(shè)備測(cè)向與定位技術(shù)

2.1傳統(tǒng)偵察定位方法

在傳統(tǒng)的偵察設(shè)備的定位中，一般以測(cè)向?yàn)橹鳎饕臏y(cè)向方式有：搜索式測(cè)向、比幅法測(cè)向、比相法測(cè)向、時(shí)差法測(cè)向等[2～3]。在偵察設(shè)備進(jìn)行測(cè)向之后，通過三角定位法、角度與距離法、多距離測(cè)量法、雙角度與已知距離差分法、單部移動(dòng)式截獲接收機(jī)的多角度測(cè)量法五種基本定位方法之一實(shí)現(xiàn)其定位[4]。在具體的裝備中，一般采用飛越目標(biāo)法、方位/仰角定位法、測(cè)向交叉定位法、測(cè)時(shí)差無源定位法、多站無源定位法、單站機(jī)動(dòng)定位法等方法進(jìn)行測(cè)向定位[5]。

通過測(cè)向后采用相關(guān)方法進(jìn)行定位時(shí)，都存在著輻射源信號(hào)的甄別問題，一般的定位方法中，因?yàn)樾枰獙?duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行確認(rèn)，保證偵察接收機(jī)接收到的信號(hào)來自同一被偵察目標(biāo)，甚至需要確認(rèn)被測(cè)試的電磁波信號(hào)來自同一目標(biāo)的同一波束。如：在三角定位法中，需要確保兩部不同的接收機(jī)接收到的是同一個(gè)信號(hào)源輻射出的信號(hào)，這個(gè)給信號(hào)的識(shí)別、分選工作提出了較高的要求。而采用時(shí)差法進(jìn)行定位時(shí)，在平面上至少需要三個(gè)站，在立體空間至少需要四個(gè)站，才有可能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，而且在定位過程中，需要保證幾個(gè)接收站接收到的信號(hào)是同一輻射源發(fā)射出的同一信號(hào)，在測(cè)頻和測(cè)時(shí)時(shí)均需要較高精度的頻率基準(zhǔn)，使得測(cè)向定位的難度增大[6]。在整個(gè)測(cè)向定位過程中，定位精度受到目標(biāo)和該系統(tǒng)的相對(duì)幾何關(guān)系制約，尤其受到各接收站之間的構(gòu)形的制約，存在著是站址誤差、時(shí)差測(cè)量誤差標(biāo)準(zhǔn)差等問題[7]。采用單站脈幅定位法，則只需要對(duì)接收的電磁波信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分選，不需要對(duì)電磁波信號(hào)進(jìn)行同一波束的確認(rèn)。

較之其他的定位方法，使用偵察設(shè)備進(jìn)行單站測(cè)向、脈幅定位具有很明顯的優(yōu)勢(shì)。

2.2偵察設(shè)備的構(gòu)成

當(dāng)前的偵察設(shè)備大多具有較高的測(cè)向精度，但僅限于測(cè)向；對(duì)于測(cè)距還得借助其他相關(guān)設(shè)備配合進(jìn)行。典型雷達(dá)偵察設(shè)備的基本組成如下[8]：

由圖1可知，在測(cè)向天線陣進(jìn)行測(cè)向的同時(shí)，測(cè)頻天線也在進(jìn)行信號(hào)的處理，測(cè)頻天線主要針對(duì)信號(hào)的fRF,tTOA,Ap,τpw,F參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理。其中，可以判定非合作輻射源與當(dāng)前偵察設(shè)備距離的信號(hào)參數(shù)為信號(hào)脈沖幅度Ap。在實(shí)際的工作中，通過對(duì)偵察裝備長(zhǎng)期使用發(fā)現(xiàn)，非合作輻射源的脈沖幅度Ap與偵察設(shè)備之間的距離有一種內(nèi)在的聯(lián)系。

通過對(duì)雷達(dá)方程、偵察方程模型的理解，可以得出偵察設(shè)備測(cè)距的公式。

圖1　典型雷達(dá)偵察設(shè)備的基本組成

2.3雷達(dá)方程與偵察方程

脈沖雷達(dá)的作用距離，一般按以下模型建立，進(jìn)行定性分析、定量計(jì)算[9～10]。

當(dāng)天線按最大接收方向標(biāo)定，即：天線方向圖的最大值對(duì)準(zhǔn)輻射源時(shí)，有效接收面積就可以達(dá)到最大值A(chǔ)max，天線在其它位置時(shí)，A=Amaxρ2(θ,φ)，式中ρ(θ,φ)表示天線電場(chǎng)方向圖單位標(biāo)稱值。

在雷達(dá)測(cè)距進(jìn)行定量分析時(shí)，充分考慮到了各種可能影響測(cè)距的因素，但相對(duì)而言，雷達(dá)接收機(jī)，在接收信號(hào)時(shí)，進(jìn)行的是反射回波的接收與處理，而采用偵察設(shè)備，則可以直接對(duì)非合作輻射源進(jìn)行信號(hào)處理。

利用雷達(dá)偵察設(shè)備進(jìn)行測(cè)距的有多種方法[11]，利用偵察方程測(cè)距、功率測(cè)量法，在偵察設(shè)備上最直觀的顯示是偵察設(shè)備接收到信號(hào)的脈沖幅度。

利用偵察方程的建模及公式推導(dǎo)過程如下：

綜合考慮傳輸損耗、大氣衰減以及地面或海面反射等因素的影響，得到修正后的偵察方程，修正偵察方程主要考慮有關(guān)饋線和裝置損耗等情況。其中，輻射信號(hào)在傳輸、接收、處理過程中，主要損耗如下：

1)從雷達(dá)發(fā)射機(jī)到雷達(dá)發(fā)射天線之間的饋線損耗L1≈3.5dB；

2)雷達(dá)發(fā)射天線波束非矩形損失L2≈1.6dB～2dB；

3)偵察天線波束非矩形損失L3≈1.6dB～2dB；

4)偵察天線增益在寬頻帶內(nèi)變化所引起的損失L4≈2dB～3dB；

5)偵察天線與雷達(dá)信號(hào)極化失配損失L5≈3dB；

6)從偵察天線到接收機(jī)輸入端的饋線損耗L6≈3dB；

對(duì)于偵察設(shè)備而言，其主要過程是接收到非合作源的輻射信號(hào)，其接收過程與處理的實(shí)質(zhì)與無源雷達(dá)相同，因此，該偵察方程也可以作為無源雷達(dá)的距離方程。

在其他的建模過程中，基于同等的假設(shè)，也可以得到無源雷達(dá)距離方程的另一種表現(xiàn)形式，當(dāng)無源雷達(dá)探測(cè)信號(hào)來自目標(biāo)自身輻射電磁信號(hào)時(shí)，無源雷達(dá)的距離方程可以表示為：

式中：Pt為輻射源的脈沖功率；Gt為輻射源天線平均旁瓣增益；Gr為被動(dòng)站接收天線增益，即偵察設(shè)備接收天線的增益；λ為工作波長(zhǎng)；SPG為被動(dòng)站信號(hào)處理增益；S/N為偵察設(shè)備工作信噪比；L為各種損耗之積；Pmin為被動(dòng)站接收機(jī)極限靈敏度，Pmin=kTBrNr，k為波爾茲曼常數(shù)，T為接收機(jī)等效溫度，290K，Br為接收機(jī)帶寬；Nr為接收機(jī)噪聲系數(shù)[7]。

在實(shí)際的使用過程中，即使接收機(jī)的靈敏度略小于雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度，也能保證作用距離大于被偵察雷達(dá)的作用距離，從而有助于偵察工作的隱蔽性，使得偵察設(shè)備的測(cè)距相對(duì)于雷達(dá)測(cè)距而言，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3　脈幅定位研究

3.1偵察設(shè)備脈幅測(cè)距公式

在發(fā)送端與接收端的功率比值為：

對(duì)該式進(jìn)行分析可知，對(duì)于某型固定的非合作輻射信號(hào)源而言，其中發(fā)射信號(hào)的電平幅值A(chǔ)ut、等效內(nèi)阻rot、輻射源天線平均旁瓣增益Gt、信號(hào)波長(zhǎng)λ均為固定值(該值對(duì)偵察設(shè)備而言，為已知值；若非合作輻射源為頻率捷變雷達(dá)，則該值相對(duì)于單個(gè)具體的脈沖，為固定值。)；偵察接收設(shè)備方面，偵察接收天線增益Gr、等效內(nèi)阻ror也為固定值。

由此得出結(jié)論：當(dāng)輻射信號(hào)的頻率為定值時(shí)，偵察設(shè)備偵測(cè)到目標(biāo)的距離與觀測(cè)到的信號(hào)幅度近似成簡(jiǎn)單的反比關(guān)系。

3.2偵察設(shè)備脈幅定位

精確度需求不高的場(chǎng)合，可以認(rèn)為，非合作輻射源的信號(hào)幅度與距離成簡(jiǎn)單的反比關(guān)系。

在偵察方程中，對(duì)測(cè)距精度影響比較大的因素主要是發(fā)散損耗，而如果發(fā)射功率電平和接收功率電平都是已知的，就可能計(jì)算出信號(hào)發(fā)射的距離，由于該技術(shù)只用于不需要高精度測(cè)距的一些電子戰(zhàn)系統(tǒng)中，通常忽略除發(fā)散(即空間)損耗外的所有因素。

發(fā)散損耗由下式計(jì)算：LS=32.4+10logF+20logR，其中：LS為發(fā)散損耗(dB)；F為發(fā)射頻率(MHz)；R為傳輸路徑長(zhǎng)度(Km)。

在真實(shí)的偵察設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)過程中，可以通過大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)得出距離和發(fā)散損耗之間的關(guān)系，從而得到在一定環(huán)境(如某種海況、某氣象)條件下的發(fā)散損耗之值，從而對(duì)偵察測(cè)距公式進(jìn)行修正，再聯(lián)合偵察方程，可以得到較為精確的脈幅與距離之間的關(guān)系。

3.3偵察設(shè)備脈幅測(cè)距中存在的問題

在實(shí)際的偵察設(shè)備中，為了保證對(duì)水平極化與垂直極化的電磁波信號(hào)的偵測(cè)與接收的問題，在真實(shí)的偵察裝備中，對(duì)非合作輻射源的信號(hào)進(jìn)行處理，使得不同極化的輻射信號(hào)在偵察接收機(jī)中，其功率被不同的衰減，這個(gè)也造成了脈幅測(cè)距的因不同類型的輻射源的信號(hào)而得到不同的幅度的問題。

在實(shí)際的偵察設(shè)備采用脈幅進(jìn)行測(cè)距的過程中，由于非合作輻射源相對(duì)于偵察設(shè)備有著運(yùn)動(dòng)軌跡，在整個(gè)偵測(cè)過程中，綜合雷達(dá)設(shè)備的測(cè)距觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)：

1) 某型非合作輻射源在與偵察設(shè)備進(jìn)行直線相對(duì)飛行時(shí)，脈沖幅度比較穩(wěn)定，在接近過程中，脈沖幅度由弱到強(qiáng)的變化極為明顯，距離測(cè)算較為準(zhǔn)確。

2) 某型非合作輻射源圍繞偵察設(shè)備做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，在飛行至偵察設(shè)備左右舷某個(gè)角度區(qū)間時(shí)，脈沖幅度無明顯變化，距離測(cè)算較為準(zhǔn)確；在飛行至偵察設(shè)備另某個(gè)角度區(qū)間時(shí)，脈沖幅度由強(qiáng)忽然變?nèi)酰嚯x測(cè)算過程中，誤差明顯。

3) 某型非合作輻射源背對(duì)偵察設(shè)備遠(yuǎn)離時(shí)，脈沖幅度由強(qiáng)到弱變化明顯，距離測(cè)算較為準(zhǔn)確。

4) 由于艦載偵察設(shè)備的觀測(cè)方位角會(huì)有限制，因此，某型非合作輻射源的飛行高度對(duì)脈沖幅度也會(huì)影響，但相對(duì)而言，其脈幅與距離近似成反比關(guān)系。

在實(shí)際通過脈沖幅度測(cè)距定位過程中，也發(fā)現(xiàn)：

1) 當(dāng)固定頻率非合作輻射源與偵察設(shè)備相對(duì)行進(jìn)時(shí)，被偵測(cè)信號(hào)的脈沖幅度變化緩慢，距離如果由遠(yuǎn)及近，則脈沖幅度由弱及強(qiáng)。

2) 當(dāng)固定頻率非合作輻射源對(duì)偵察設(shè)備作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，脈沖強(qiáng)度變化無明顯特征。在實(shí)際偵測(cè)過程中，由于偵察設(shè)備接收天線的限制，會(huì)出現(xiàn)在偵察設(shè)備的某一個(gè)角度區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)接收的脈沖幅度變化不明顯的情況。這時(shí)，需要通過偵察設(shè)備的測(cè)向裝置再次判定被偵測(cè)目標(biāo)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況來進(jìn)行定位。

3) 當(dāng)頻率捷變型非合作輻射源相對(duì)偵察設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，脈沖幅度會(huì)隨時(shí)變化，其變化規(guī)律與頻率捷變型非合作輻射源頻率變化的規(guī)律相同。

4　結(jié)語

對(duì)于單站脈幅定位法具有其他定位方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)，如：不需要對(duì)被偵測(cè)目標(biāo)進(jìn)行電磁波信號(hào)的同源確認(rèn)，不需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分選，但是，單站脈幅定位法需要前期長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)偵測(cè)作為基礎(chǔ)，在偵察得到信號(hào)后，輔之先驗(yàn)知識(shí)確認(rèn)，可以很清楚地判定其相對(duì)位置與距離。該方法已經(jīng)被美國(guó)研制并投放裝備中進(jìn)行使用[12]，在具體的裝備使用過程中，需要長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累。

而通過長(zhǎng)期技術(shù)偵察觀測(cè)與數(shù)據(jù)的積累，能解決這個(gè)問題，如何利用長(zhǎng)期積累的大量觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，得出具體某型非合作源輻射信號(hào)脈幅與距離更精準(zhǔn)的關(guān)系，是以后有待更一步細(xì)化研究的內(nèi)容。

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Location of Single Station Pulse in Reconnaissance Equipment*

Focused on the disadvantages of radar detection and location, this paper illustrated the advantages of the passive radar. Through the analysis of the radar equation, reconnaissance equation modeling process, the reconnaissance equipment on non cooperative emitter signal reconnaissance, receiving, measurement process, this paper illustrated the basis of the method by the pulse amplitude to measure radiation source and reconnaissance distance.

reconnaissance, orientation, plus amplitude, passive radar

2016年2月7日,

2016年3月26日

汪海銳,男,碩士研究生，助理講師，研究方向：電子對(duì)抗、數(shù)據(jù)挖掘。邵偉,男,副教授,研究方向：電子對(duì)抗、信息作戰(zhàn)研究。林明勝,男,副教授,研究方向：通信與信息系統(tǒng)。

TN971.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.018