無人機(jī)載多站時差定位系統(tǒng)分析

張曉東

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州225101)

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,各軍事強(qiáng)國越來越多地利用無人機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行戰(zhàn)場偵察監(jiān)視,獲取戰(zhàn)場主動權(quán)。雷達(dá)偵察任務(wù)載荷作為一種安裝于無人機(jī)上的常用偵察設(shè)備,能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)對雷達(dá)輻射源目標(biāo)的偵察和定位[1-2]。利用無人機(jī)偵察載荷對目標(biāo)進(jìn)行無源定位,能為多項軍事活動提供支持。機(jī)載偵察平臺無源定位技術(shù)將成為決定今后戰(zhàn)爭中戰(zhàn)場主動權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

考慮到單架無人機(jī)執(zhí)行無源定位任務(wù)存在一定的局限性,采用多架無人機(jī)進(jìn)行協(xié)同無源定位成為一種趨勢[3]。目前多架無人機(jī)進(jìn)行協(xié)同無源定位一般采用時差定位法。

本文以3個機(jī)載平臺為例,對機(jī)載多平臺時差定位進(jìn)行原理分析,并分析了對時差定位精度造成影響的因素,以及系統(tǒng)的平臺構(gòu)型對定位精度產(chǎn)生的影響,將機(jī)載多平臺時差定位系統(tǒng)對海面目標(biāo)進(jìn)行定位的情況進(jìn)行了仿真分析。

1 機(jī)載多平臺時差定位法原理

時差定位法又稱為雙曲線定位法,是通過處理多架無人機(jī)接收到的目標(biāo)輻射源信號到達(dá)時間差數(shù)據(jù)對目標(biāo)進(jìn)行無源定位的[4]。機(jī)載三平臺時差無源定位的示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)載多平臺時差無源定位示意圖

無人機(jī)載主偵察平臺負(fù)責(zé)偵察以及組織全系統(tǒng)的電子偵察活動,同時控制各子平臺的偵察策略同步。副平臺無人機(jī)在主平臺的指揮協(xié)調(diào)下,完成對所在區(qū)域信號的偵測,并將各自偵收到的信號特征參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至主平臺無人機(jī)[5-6]。主平臺無人機(jī)對各偵察平臺上報的偵測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析、相關(guān)識別、定位[7]。各無人機(jī)載偵察平臺間的實時數(shù)據(jù)傳輸通過加密的無線通信鏈路完成。

2 機(jī)載多平臺時差定位法定位精度推導(dǎo)與分析

機(jī)載三平臺時差定位法的各站分布示意圖如圖2所示,定位精度用幾何精度因子(GDOP)來表示:

定位誤差的圓概率誤差可表示為:

式中:σx、σy表示x,y方向上的定位標(biāo)準(zhǔn)差。

圖2 三站分布示意圖

令(CTC)-1CT=B=(bij)2×2,由于各時間差測量中都包含有主站測量到達(dá)時間的誤差,也即各時間差測量中都包含有共同的誤差因素,因此各Δt的觀測誤差是時間相關(guān)的。設(shè)定時間測量誤差系統(tǒng)誤差修正后是零均值的,且站址誤差各元素之間及各站址誤差之間互不相關(guān),則定位誤差的協(xié)方差為:

時差定位系統(tǒng)定位誤差主要由系統(tǒng)測量到達(dá)時間(TOA)誤差、站址誤差和各站與目標(biāo)相對位置決定,在目標(biāo)相對各站位置一定的條件下,定位誤差主要取決于系統(tǒng)授時誤差和系統(tǒng)測量輻射源信號TOA誤差。同時,機(jī)載平臺構(gòu)型對定位精度也會產(chǎn)生一定的影響。

3 定位精度仿真分析

通過仿真對機(jī)載三平臺時差定位系統(tǒng)對海面目標(biāo)所能達(dá)到的精度以及其平臺陣型對定位精度的影響進(jìn)行分析。

對海偵察采用如圖3所示陣型,此時2個副平臺在距離海平面5 km高度巡航,主平臺在距里海平面3 km高度巡航,3個平臺呈倒掛的等腰三角形排布,三角形平面垂直海平面。

圖3 對海偵察示意圖

3架無人機(jī)平臺協(xié)同偵察定位時,在時間同步誤差為20 ns、無人機(jī)位置誤差為10 m,無人機(jī)主副平臺間基線為10 km、基線夾角為120°的情況下,對距離200 km的海面目標(biāo)定位誤差分布如圖4。圖中無人機(jī)平臺距離目標(biāo)200 km時的定位誤差為10 km,當(dāng)偵察距離減小到100 km時,定位誤差為3.5 km。

在時間同步誤差為20 ns、無人機(jī)位置誤差為10 m、無人機(jī)主副平臺間基線為30 km、基線夾角為120°的情況下,對距離200 km的海面目標(biāo)的定位誤差分布如圖5所示。

圖4 無人機(jī)主副平臺間基線為10 km的情況下的定位誤差分布

圖5 無人機(jī)主副平臺間基線為30 km的情況下的定位誤差分布

由圖4和圖5可以看出,無人機(jī)主副平臺間基線越長,定位精度越高。

當(dāng)3架無人機(jī)以等邊三角形在空中巡航,三角形邊長為30 km,2架副機(jī)巡航高度5 km,主機(jī)巡航高度3 km,在時間同步誤差為20 ns、無人機(jī)位置誤差為10 m的情況下,對距離200 km的海面目標(biāo)的定位誤差分布如圖6所示。

根據(jù)仿真圖可以分析得出以下結(jié)論:當(dāng)基線角為60°時,系統(tǒng)定位誤差遠(yuǎn)高于基線角為120°時的定位誤差。因此,基線角的增加可以提高定位精度。采用機(jī)載三平臺時差定位系統(tǒng)對海面目標(biāo)進(jìn)行定位,當(dāng)無人機(jī)主副平臺間基線為30 km、基線角為120°時,對距離200 km的海面目標(biāo)的定位誤差可以達(dá)到1.2 km,定位精度很高。

4 結(jié)束語

圖6 無人機(jī)主副平臺間基線為30 km的情況下的定位誤差分布

本文對無人機(jī)載多平臺時差定位法的原理進(jìn)行了闡述,對時差定位系統(tǒng)的定位誤差進(jìn)行了推導(dǎo),分析了對時差定位精度造成影響的因素,分析了系統(tǒng)的平臺構(gòu)型對定位精度產(chǎn)生的影響,將機(jī)載多平臺時差定位系統(tǒng)在不同條件下對海面目標(biāo)進(jìn)行定位的情況分別進(jìn)行了仿真分析。通過仿真得出如下結(jié)論:在各機(jī)載平臺時間同步誤差及位置誤差控制較好的前提下,選擇優(yōu)化的平臺構(gòu)型,對目標(biāo)的定位精度可以達(dá)到很高的水平,能夠滿足現(xiàn)代作戰(zhàn)的需要。