基于IFF信號單站無源定位技術(shù)研究

孫 超，徐盼盼，柏如龍

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

對空中目標輻射源單站無源定位技術(shù)一直是電子偵察領(lǐng)域的一個研究難點[1]。當前單站無源定位技術(shù)的主要對象是固定目標或者勻速運動的目標，而對空中機動目標單站無源定位技術(shù)研究較少，難度較大。利用空中目標發(fā)射的IFF信號中包含高度信息的特點，基于方位、俯仰和高度3個觀測量，建立單站定位模型，可實現(xiàn)對空中目標的單站無源定位。劉睿嵐教授早在2006年就提出了利用二維測向+解譯高度值的單站定位算法[2]，文獻中采用的測向算法是雙平面單脈沖測向，測向精度有限。文中主要研究基于相位差和解碼信息的多目標分離、高精度測向定位技術(shù)以及基于廣播式自動相關(guān)監(jiān)視信號(ADS-B)誤差校準等關(guān)鍵技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上分析了針對民航飛機的實際應(yīng)用情況。

1 IFF應(yīng)答信號解譯

從20世紀30年代美國率先研制出具有代表性的第一代IFF系統(tǒng)以來,到目前為止最有代表性的IFF系統(tǒng)有MARK X系統(tǒng)、MARK XII(A)系統(tǒng)和S模式。

1.1 MARK X系統(tǒng)應(yīng)答信號高度信息解譯

MARK X的應(yīng)答信號是由一組脈沖信號構(gòu)成，其信號格式如圖1所示[3]。

應(yīng)答信號由2個框架脈沖F1、F2及位于框架脈沖之間的13個脈沖寬度為0.45 μs的脈沖信號組成。相鄰脈沖之間的間隔為1.45μs，13個脈沖不一定都有，如果有脈沖，則表示為1，沒有脈沖則表示為0。脈沖信息由A(A1,A2,A4)、B(B1,B2,B4)、C(C1,C2,C4)及D(D1,D2,D4)組成，共12個脈沖，中間脈沖X不作使用，專用位置顯示脈沖 (Special Position Indicator,SPI)位于F2之后4.35 μs處，一般不使用，當2架飛機距離較近時，才使用該脈沖。12個脈沖信息可以給出4 096種組合用于傳送信息，表1 給出了各種應(yīng)答模式下所使用的編碼。

圖1 MARK X應(yīng)答信號格式

表1 應(yīng)答信號編碼

模式類型碼字個數(shù)模式132模式24096模式3/A4096模式C2048

模式3/A為飛機身份碼詢問和應(yīng)答模式，軍民共用。當應(yīng)答器響應(yīng)身份詢問時，應(yīng)答碼代表身份碼。在目標執(zhí)行任務(wù)過程中，身份碼具有唯一性，可利用身份碼對空中目標進行多目標分離。

模式C應(yīng)答信號代表高度碼，高度碼的組成順序是：D1D2D4、A1A2A4、B1B2B4、C1C2C4。

其中D1～B4按“標準循環(huán)碼”(也叫格雷碼)編碼，它的最小遞增單位為500英尺，C組碼是“五周期循環(huán)碼”，其最小遞增單位為100英尺。這樣，當C組碼連續(xù)遞增5次(累計增量500英尺)，標準循環(huán)碼遞增一次。由模式C應(yīng)答信號，可獲得目標的高度值[9]。

1.2 S模式應(yīng)答信號高度信息解譯

S模式應(yīng)答信號分為長S模式和短S模式，信號格式如圖2 所示。S模式應(yīng)答引導脈沖總共4個，脈沖寬度均為0.5 μs。

數(shù)據(jù)塊根據(jù)脈沖位置進行調(diào)制編碼。每比特數(shù)據(jù)碼對應(yīng)于1 μs的時間。在編碼過程中，1 μs又分成2個周期，各占0.5 μs。若第一個周期有一個脈沖，而第二個周期無脈沖，則對應(yīng)的信息碼為1。反之，若第一個周期無脈沖，而第二個周期有一個脈沖，則對應(yīng)的信息碼為0。

圖2 S模式應(yīng)答信號格式

長S模式數(shù)據(jù)長度為112 bit，短S模式數(shù)據(jù)長度為56 bit，根據(jù)詢問信號的要求來確定應(yīng)答使用哪一種模式。不管長S模式還是短S模式，最后的24位校驗位。S模式信號可解譯得到地址碼、位置、速度、身份等信息。其中地址碼共24 bit，是國際民航組織為每架飛機分配的唯一標識，可用來進行多目標分離。高度信息的解譯與Mark X系統(tǒng)高度解譯類似[4]，這里不再詳細描述。

2 時域參數(shù)檢測與模式識別

2.1 時域參數(shù)檢測

IFF信號時域參數(shù)，即脈沖描述字，包括脈沖到達時刻(TOA)、脈沖寬度(PW)、脈沖幅度(PA)等，脈沖描述字檢測原理如圖3所示。

圖3 敵我識別信號時域參數(shù)檢測原理

① 計算脈沖檢測門限Threshold，將信號中所有小于門限值Threshold的樣點置零；

② 檢測脈沖上升沿、下降沿，并計算脈沖寬度PW，實現(xiàn)脈沖的粗略定位；

③ 根據(jù)脈沖寬度設(shè)置門限，將脈寬小于門限的毛刺剔除；

④ 計算脈沖上升沿和下降沿之間信號的最大幅度，按照幅度的一半進行截取，獲得脈沖的起止時刻，實現(xiàn)對脈沖的精確定位；

⑤ 脈沖精確定位之后，利用脈沖的起止時刻計算得到精確的脈沖寬度。

2.2 脈沖分選和模式識別

根據(jù)測得的時域、頻域參數(shù)，進行脈沖信號的分選與模式識別。在測量出各脈沖時域參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)敵我識別信號格式及技術(shù)參數(shù)[9]分析，進行脈沖的分選與信號模式識別。敵我識別信號脈沖分選與模式識別原理如圖4所示。

圖4 敵我識別信號脈沖分選與模式識別原理

對于詢問信號，篩選出脈沖寬度為0.5 μs、0.8 μs、16.25 μs、30.25 μs的脈沖。

對于脈沖寬度為0.5 μs的脈沖，再篩選出脈沖間隔為2 μs的整數(shù)倍的脈沖，并將符合寬度為0.5 μs、間隔為2 μs整數(shù)倍的脈沖串識別為MARK XII(4)模式；

對于脈沖寬度為0.8 μs的脈沖，分析脈沖間隔，如果2個脈沖之間的間隔為3/5/8/17/21/25 μs，則將該脈沖串分別識別為1、2、3/A、B、C、D模式；如果在第2個脈沖之后的2 μs處出現(xiàn)寬度為0.8 μs或1.6 μs的P4脈沖，則將其識別為A/C/S全呼叫模式；

對于脈沖寬度為0.8 μs的脈沖，如果2個脈沖之間的間隔為2 μs，則進一步檢測P6脈沖，根據(jù)P6脈沖持續(xù)時間為30.25 μs或16.25 μs分別將其識別為長S模式或短S模式；

對于應(yīng)答信號，篩選出脈沖寬度為0.45 μs、0.5 μs、1.0 μs的脈沖。

對于脈沖寬度為0.45 μs的脈沖，再篩選出脈沖間隔為1.45 μs的整數(shù)倍的脈沖，如果檢測到框架脈沖，則將其識別為MARK X應(yīng)答模式；將脈沖間隔為1.75 μs整數(shù)倍的脈沖識別為MARK XII(4)應(yīng)答模式；

對于脈沖寬度為0.5 μs或1.0 μs的脈沖，再篩選出脈沖間隔為1.0 μs、2.5 μs、3.5 μs、4.0 μs的脈沖流，如果檢測到前導脈沖，則將其識別為S模式應(yīng)答信號，根據(jù)信號持續(xù)時間進一步確定為長、短模式。

3 IFF信號測向定位

基于IFF信號單站無源定位模型如圖5所示，其中R0為地球半徑，Lon0、Lat0、H0分別為接收站經(jīng)度、緯度、高度，Lon1、Lat1、H1分別為空中目標經(jīng)度、緯度、高度，H1由IFF應(yīng)答信號C模式或者S模式解譯得出，β為接收站觀測到的目標俯仰角，L為目標與接收站之間的距離。

圖5 IFF單站無源定位模型

3.1 二維測向

如圖6所示，方位基線上的理論相位差φα與方位角α、俯仰角β、方位基線長度lα之間的關(guān)系式如式(1)所示。

圖6 方位與俯仰在二維測向模型中的示意圖

(1)

式中，λ為信號波長。俯仰基線上的理論相位差φβ與俯仰角β、俯仰基線長度lβ之間的關(guān)系式表示為：

φβ=2π/λ·lβsin(β)。

(2)

先利用式(2)求解俯仰角β，再將β代入式(1)，求解方位角α。

3.2 已知方位俯仰求解目標位置

根據(jù)獲知的目標方位角α、俯仰角β，解譯得到的目標高度H1以及接收站經(jīng)度Lon0、緯度Lat0、高度H0的條件下，建立定位模型，根據(jù)公式推導，目標經(jīng)緯度的計算公式可表示為：

H=(H1-H0)/arcsin(β)/R，

(3)

Lat1=asin(sin(Lat0)cos(H))+cos(Lat0)sin(H)cos(α))，

(4)

Lon1=Lon0+

(5)

式中，R表示為地球半徑。

4 IFF單站定位系統(tǒng)校準

IFF應(yīng)答信號長S模式中包含了ADS-B信號， ADS-B信號中包含民航飛機的位置信息，可以實時解譯出民航目標的經(jīng)度、緯度、高度信息[5]。利用這種特性，可將民航目標上的ADS-B設(shè)備作為校準源、ADS-B信號作為校準信號，對系統(tǒng)進行誤差校準。

4.1 利用ADS-B信號精確估計方位和俯仰

根據(jù)接收站的經(jīng)緯度Lon0、Lat0、H0及目標的經(jīng)緯度Lon1、Lat1、H1，按照定位模型可將方位角α、俯仰角β，表示為：

(6)

(7)

式中，L表示民航目標與接收站之間的距離。

4.2 通道相位誤差估計

在求得理論上的方位角和俯仰角后，繼續(xù)對通道誤差進行校準。利用通道誤差公式

Error方位= mod(α-[l方位×cos(α理)×

cos(β理)×360×f/c],360)，

(8)

Error俯仰= mod(β俯仰-[l俯仰×sin(β理)×

360×f/c],360)。

(9)

分別求得不同基線長度(不同通道之間)的誤差值，各自求平均值，作為通道誤差校準值。

5 試驗結(jié)果

5.1 通道相位誤差估計結(jié)果

通過外場試驗數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)性能，在實際信號環(huán)境中，對一段時間內(nèi)多個民航目標發(fā)射的IFF信號進行偵收，并且篩選出其中的ADS-B信號，解譯出民航目標的位置信息。首先利用式(6)和式(7)求解出理論上的俯仰角和方位角，然后利用式(8)和式(9)計算得到通道誤差曲線，剔除每條基線的相位誤差散點后再求平均，實現(xiàn)對基線通道相位誤差的高精度估計，如圖7所示。

圖7 方位俯仰基線通道相位誤差曲線

5.2 二維測向結(jié)果

完成對系統(tǒng)誤差的校準之后，在實際信號環(huán)境中，對空中的民航目標發(fā)射的IFF信號進行偵收和處理，其中方位測向和俯仰測向的結(jié)果如圖8所示。

對圖8中方位測向和俯仰測向結(jié)果分別與ADS-B解譯得到的方位俯仰結(jié)果進行比較，得出結(jié)論：方位精度優(yōu)于0.4°，俯仰精度優(yōu)于0.3°。

圖8 對空中目標二維測向結(jié)果曲線

5.3 單站定位結(jié)果

在實際信號環(huán)境中，對空中民航目標進行定位，其定位結(jié)果與ADS-B解譯位置信息進行比較，得到定位精度的曲線如圖9所示。

圖9 對空中目標定位誤差曲線

從圖9的定位誤差曲線可以看出，在200 km以內(nèi)，系統(tǒng)的定位精度在1%～1.5%之間，隨著目標距離的增加，定位誤差逐漸增大。

6 結(jié)束語

對基于IFF信號單站無源定位技術(shù)進行了研究，并通過偵收實際信號環(huán)境中的IFF信號驗證了二維測向+高度的定位體制的可行性。該技術(shù)需要的設(shè)備量小，實現(xiàn)簡單，未來可布置在島礁、偏僻西部山區(qū)對空域中的民航目標、無人機甚至軍事目標進行監(jiān)視與跟蹤，具有重大的推廣價值。

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