基于系留載平臺組網的無源定位研究

范翔宇，王紅衛，陳 游，張 毅

(1. 空軍工程大學 航空航天工程學院， 西安 710038)(2. 中國人民解放軍94070部隊， 西安 710016)

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·總體工程·

基于系留載平臺組網的無源定位研究

范翔宇1，王紅衛1，陳 游1，張 毅2

(1. 空軍工程大學 航空航天工程學院， 西安 710038)(2. 中國人民解放軍94070部隊， 西安 710016)

系留載平臺可以實現高遠程預警與持續懸停于空中，適用于空基組網實現無源定位。以系留載平臺為對象，對比系留載平臺與陸基和空基運動平臺，歸結其特有的優勢與軍事價值，對系留載組網無源定位進行分析。依托系留載組網，首先構建典型的三系留載體系結構，再采用盲信號處理方式從復雜電磁環境分選識別出威脅信號；最后，采用“定位精度的幾何稀釋”對誤差進行深入分析，構建數學模型，提出最佳定位點的選取并進行仿真驗證。該文為后續的日后無源定位的布站應用提供借鑒。

系留載平臺組網；盲信號處理；定位精度的幾何稀釋；最佳定位點

0 引 言

由于系留氣球載雷達系統具有覆蓋范圍大、低空探測能力好、生存能力強、效費比高等優勢，已逐漸成為國土防空和沿海預警探測情報網中的重要組成部分[1]。空天預警能力直接影響著國土安全，遠程長時和高精度的警戒能力直接決定著戰爭的主動權甚至最終的成敗。多數來襲平臺和武器系統使用的雷達作為其主要探測設備，為此提升對來襲目標雷達的探測能力，本文以具備全天候使用，探測距離遠，精度高，工程實現技術成熟優勢的系留載無源探測系統為對象，研究其對雷達的無源探測預警能力。

我國研制的系留載雷達“金雕”可在1000m的高空對方圓10km以內的諸如火柴盒等微小目標進行成像識別，能夠在空中執行任務長達15個晝夜，并具備抗10級臺風和雷暴天氣的優勢，其潛在的軍用價值難以估量[2]。

目前，世界上能夠生產系留氣球載雷達系統的國家主要有美國、以色列、法國、俄羅斯等[3]。美軍空軍空中作戰司令部己經將系留載雷達部署在南部邊境地區，同時也將其廣泛應用在對伊拉克、阿富汗的戰爭中。基于本土的典型應用有JLENs國土導彈防御網絡傳感系統、RAID系留氣球快速布防系統、REAP系留氣球快速升空系統、PTDS長期反恐監測系統、及MARTS海軍空中中繼系統等。挪威Tyra Invest AS公司、英國AllsoppHelikite公司和Noesis./ Lindstrand公司也提出了自己的系留氣球ISR概念，即一種特殊的情報、監視、偵察及通信平臺，將為特種作戰部隊提供一種經濟的解決方案，以提高部隊執行發現、確定和摧毀敵人以及保護友軍等任務的態勢感知能力[4-6]。

我國系留載平臺的軍事應用相對滯后，尤其對戰略戰術層面的優化配置關注有待進一步開發。本文從系留載平臺的組網應用出發，首先介紹系留載平臺自身的優勢，再從組網實現無源探測入手，構建典型三系留載平臺的典型結構，選取盲信號分離算法并協同組網內資源調度，實現對混雜信號的快速精確分選；最后討論其定位誤差，根據推導結果提出最佳定位點并仿真驗證，為后續多站甚至自適應布站提供理論指導。

1 系留載平臺自身特性

1)預警時間長，探測距離遠。登高望遠是驅動系留平臺發展的動力所在，受到地球曲率的影響，地面平臺受到視距的限制，探測距離大大折扣，如圖1所示。

圖1 地面平臺與系留載平臺威力探測區對比

通過圖1可以直觀地看出，我方系留載平臺高度越高，探測性能受到地球曲率的影響越小，探測范圍越大，能夠提供預警的時間就越長。

2)生存能力強。系留載平臺可以采用復合材料降低其金屬含量，使得體積接近10 000 m3的平臺的RCS接近于2 m2。系留載平臺本身的造價并不高，目前能夠對高空構成威脅的武器系統稀少且昂貴，除非軍事需要，否則不可能采用此類武器對系留載平臺實施打擊。美軍曾實驗使系留氣球氣囊受損，其依舊可以在空中飄落2 h后安全著陸。

3)不易被探測。由于系留載平臺近似懸停于空中，對應的多普勒頻率較小，來襲平臺PD雷達濾波器組無法實現有效探測。致使火控雷達失去了至少40 dB的動目標探測(MTD)改善因子，作戰效能大打折扣。系留載平臺不具有發動機等能夠被紅外探測到的裝備，光學平臺也無法實現有效探測。星載SAR平臺的主瓣寬度很小，而且SAR平臺的頻率非常穩定，難以實現脈沖捷變甚至重頻抖動等抗干擾措施，星載SAR雷達為防止參數被截獲，開機時間通常不超過1 min。即使被SAR偵察到，我方系留載平臺也會接收到敵方SAR雷達的脈沖描述字，對于我方構建情報體系和日后對SAR平臺的干擾研究意義重大。

4)系留載平臺效費比高。由于本身成本相較預警機或偵察機要低廉許多，可以長時間懸停于空中，消耗的能量很少，設備老化與損壞的概率有所下降，便于研制生產與使用維護，平臺可靠性大大提高，能夠實現對既定區域進行長時偵察。

5)系留載平臺可用于構建雜波數據庫。目前雜波模型的構建基于長期的數據積累。系留載平臺可以長期懸停于空中某處，對某一區域實施長時的觀測，得到大量不同條件下的雜波數據。此類實驗在國內開展的較少，我國對于雜波模型的研究本身就滯后于國外。系留載平臺有利于雜波理論的研究與其數學模型的構建。同時，長時間對于某一區域進行觀測，可以形成該區域的距離—雜波門。將得到的雜波數據共享給不同的作戰平臺，便于作戰平臺通過信號處理系統做相關解算，采用雜波對消，進一步加強對該區域的偵察與檢測。

6)陸基無源探測平臺的機動性較弱，敵方通過偵察或者情報途徑得到布防位置后，陸基無源探測的隱蔽性幾乎喪失，軍用價值大打折扣。同時，陸基大型平臺難以移動，無法實現二次利用。機載無源探測設備的穩定性差，其定位精度受到設備的嚴重制約，同時還要克服運動補差、時間同步等技術難題，難以通過機間鏈實現組網應用，單機系統的定位誤差并不可觀。而系留載平臺不受上述條件限制，可以實現快速布防與組網應用。其軍事價值亟待開發。

2 三系留載平臺組網盲信號分離

現代空間中電磁信號已達到百萬個/秒量級，關于敵方雷達參數先驗信息有限，敵方雷達為降低被我方偵收到的概率，力求向低截獲概率雷達(LPI)方向發展，更增加了對敵信號識別的難度。

因此，本文采用瞬時盲信號分離的方法實現復雜混疊信號的分離。本文采用的算法是現今主流而且成熟的，保證算法的收斂性、實時性與可行性，仿真對比了EASI、RLS、NRLS三種算法的處理效果，得到結果圖，如圖2所示。

圖2 三種算法的學習曲線

觀察圖2可以發現RLS學習效果較NRLS算法與EASI算法差，通過多次迭代后，NRLS算法與EASI算法已經趨于收斂，且NRLS的收斂效果最為明顯。

圖3中第一行為兩種信源信號與高斯白噪聲，其中x軸為時間/秒，縱軸為信號幅度。由于現代戰機采用脈沖調制，在信源信號中設定了兩種脈沖調制信號，即圖3中的前兩行波形。圖4～圖6分別為EASI、RLS和NRLS算法的處理結果。從上圖中可以看出NRLS分離結果最優，EASI其次，NRLS方法的效果很不明顯。

圖3 三種信源信號

圖4 EASI算法處理結果

圖5 RLS算法處理結果

圖6 NRLS算法處理結果

對比三種算法的實時性，對三種算法進行100次蒙特卡洛實驗，計算運行時間的平均值，得到結果如表1所示。

表1 三種盲信號算法消耗時間的對比s

通過表1可以看出，EASI算法所需要的時間最短，其次為NRLS，RLS算法耗時最長。

本文基于三系留載平臺組網。組網的目的就是實現資源的整合與高效利用。無論實際信號處理流程采用哪一種算法，必然要在處理精度與實時性之間進行抉擇，無法兼顧實時性與準確性；而如果采用EASI、RLS與NRLS算法串行處理，所消耗的時間為三者時間的累加。因此，本文協同調度空基組網內資源，采用并行處理方式以保證信號的精度與實時性，具體原理如圖7所示。

圖7 三系留載平臺盲信號處理示意圖

三個系留載平臺之間在平時監視時沒有主次之分，均采用EASI算法或NRLS算法對所在空域實施監視。而當三者中的某一個平臺采用盲信號處理，出現了無法判別的信號時，該平臺立刻上升為主系留載平臺，將偵察到的數據傳遞給另外兩個平臺，并引導另外兩個平臺對該區域實施重點探測，主平臺負責主程序的處理，另外兩個平臺采用不同算法，兼顧精度與效率，提取出信號記錄平臺的全脈沖參數，用于后續的鑒別，從而實現對信號的甄別與對該區域的有效探測。

3 三系留載平臺無源定位誤差分析

雙基地平臺的無源定位僅具有典型性，現今雷達以組網形式工作，研究三基地無源定位可以為后續的多平臺組網布站、自適應布站等研究奠定基礎。

由于實際測量過程中得到的角度θ1、θ2和θ3必然存在誤差，設測角誤差分別為δθ1、δθ2和δθ3，這樣三個系留載平臺測向的交點會形成一個不確定的模糊區域，如圖8所示。

圖8 三系留載平臺無源測向定位原理及誤差示意圖

系統噪聲產生定位誤差，定位點在真實位置附近呈現隨機分布，本文假定測向誤差為標準高斯分布，定位點的定位誤差隨機分布呈現橢圓形狀，如圖5所示。本文采用“定位精度的幾何稀釋”，即GDOP來描述定位誤差，它用式(1)表達，即

(1)

式(1)描述定位誤差的三維分布。本文考慮到Z方向的誤差相對X和Y方向而言影響很小，如果在實際中運算Z方向，那么計算量將會從信號采樣點數n的平方次直接逼近立方次運算，時效性很容易喪失，效費比大打折扣，因此在二維平面內描述定位誤差在平面上的分布，則用式(2)表示

(2)

1)定位誤差的分析

根據圖8的幾何關系，得到目標T與3個定位點之間的關系如式(3)所示

(3)

對三系留載平臺定位的誤差進行分析。假設各系留載平臺之間的測向誤差相互獨立。對式(3)求偏導，整理后可得

A·δX=B

(4)

其中

定位誤差

通過對式(3)或者式(4)的觀察可以發現，待求解的未知參數只有兩個。因此，只需要2個方程即可。此處，即可體現出三系留載平臺組網的優勢。三系留載平臺所得到的結果為三組方程解的交集，探測精度與探測范圍明顯優于雙基地平臺。

通過計算雙基站定位GDOP。整理式(4)可以得到定位誤差為

δX=A-1BCB

(5)

其中

(6)

(7)

故可以得到定位誤差的幾何稀釋為

(8)

整理得到下式

(9)

式中：l為兩個系留載平臺之間的距離；σθ為平臺測向誤差的標準差。

2)無源定位的最佳定位點

如果GDOP取得最優值，偏導為零，即

(10)

故可以得到方程

(11)

解式(11)可以得到

sin2θ1=sin(-2θ2)

(12)

假定0≤θ1≤π/2時，對式(12)進行分類討論，得到以下三種情況：

(1)θ1=-θ2，定位線無交點，此時無法定位；

(2)θ1=θ2=0，目標在兩點連線上，此時雙基地無法定位，應用三基地實現定位；

(3)θ1=π-θ2，兩條測向線形成的同旁內角相等，即最佳定位點位于底邊中垂線上時。

3 仿真驗證

通過前文分析，當采用三站定位時，三點呈現正三角形時可以達到最優的定位效果。本文選定在同一坐標系內，三個系留載平臺分別位于(50km，0km)、(-25 km，-43.3 km)和(-25 km，43.3 km)處，原點為(0 km，0 km)，可以計算得到無源測向定位的GDOP分布等高線圖，同時從影響定位誤差的角度出發，分別討論不同的l和σθ對定位誤差的影響。得到仿真圖如圖9～圖10所示。

圖9 三系留載平臺定位的GDOP三維圖

a) σθ=0.5°

b) σθ=0.7°

c) l=1.5l,σθ=0.5°

對比圖10a)、10b)可以發現得到，當定位角的誤差分布從原來的0.5°擴展為0.7°時，雖然定位的區域變化不明顯，但可以看出其GDOP的值增加了約1.4倍，符合式(10)的表述。對比圖10a)和圖10c)，基站之間的距離變為原來的1.5倍，因為GDOP與l有關，同時也與測向角有關，因此GDOP的變化與l不呈現線性關系，但正相關，與推導結果相符。從圖10c)可以看出，其GDOP空間有所下降，GDOP值有所上升，形成的GDOP區間有呈現獨立分布的趨勢。觀察圖10a)，明顯三個系留載平臺已經有各自為戰的趨勢，三者的整體性明顯下降，定位效果已經不如前幾種設定樣式明顯。

觀察仿真圖可以得到，任何兩個系留載平臺連線的中垂線上，GDOP的等高線最為稀疏，意味著梯度小變化緩慢，與系留載平臺相距同等長度內，其GDOP值最低，符合上述關于最佳定位點的分析。

可見，上式的推導具有合理性，選擇適當的系留載平臺之間的距離與改善平臺測向的誤差分布，可以提高空基平臺組網實現無源定位的定位精度。

4 結束語

本文首先介紹了目前系留載雷達的主要應用，較為全面地總結并提煉了系留載平臺自身特有的優勢，對比系留載、陸基與空基平臺的區別，突出其潛在的軍事價值；依托三基地組網，采用盲信號處理方式并行處理實現對于混疊信號的實時準確分離；構建數學模型，研究三基地無源定位的誤差效能；結合系留載的特性，提出無源定位的最佳定位點，并進行了仿真分析，驗證推導結果。本文結論可用于指導多基地與自適應無源組網的布站，對于以后關于系留載平臺的作戰使用有重要意義。

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范翔宇 男，1991年生，碩士研究生。研究方向為電子對抗理論與技術。

王紅衛 男，1974年生，副教授。研究方向為電子對抗理論與技術。

陳 游 男，1983年生，講師。研究方向為電子對抗理論與技術。

張 毅 男，1983年生，碩士研究生，工程師。研究方向為信號與信息處理。

A Study on Passive Localization Based on Netted Ballon-borne Platform

FAN Xiangyu1，WANG Hongwei1，CHEN You1，ZHANG Yi2

(1. Aeronautics and Astronautics Engineering College, Air Force Engineering University, Xi′an 710038 China)(2. The Unit 94070 of PLA, Xi′an 710016 China)

Balloon-borne platform is capable of far-distance detecting and hovering in the air , which is applicable to the passive localization with the netted of the air-based. Compared the balloon-borne platform with land-based and air-based moving one. Special advantages of the balloon-borne is induced and summarized as a platform to analysis the performance to achieve passive localization. First of all， the typical structure of three balloon-borne platforms system is established, then the threatening signals is sorted from the complicated electromagnetic environment ，which utilized blind signal processing (BSS). In the end, the geometric dilution of precision (GDOP) is discussed based on the mathematic model . According to the conclusion， the optimum anchor point is confirmed by simulation. The achievement can be used to guide to set base station in order to realize the passive localization.

netted balloon-borne platform; BSS; GDOP; optimum anchor point

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.03.003

范翔宇 Email：panda0077@163.com

2015-10-20

2015-12-23

TN97

A

1004-7859(2016)03-0012-06