影響海上動平臺多站時差定位測量系統精度因素分析?

（中國人民解放軍92502部隊 大連 116023）

1 引言

在靶場試驗中，導彈與攻擊目標之間的脫靶量測量一直是試驗中關鍵的測量數據，是評判導彈性能指標的重要依據，通常導彈試驗測量方法有多種，通常采取的是交會測量法，在發射坐標系下分別測量目標和導彈飛行軌跡，尋找最小值，即可計算出導彈與目標的脫靶量關系。對攻擊目標的測量很易實現，對導彈飛行旗的動態軌跡測量方法很多，不同的方法，需要不同的保障條件和設備。彈上有足夠空間時，可安裝測量設備，自主測量飛行器軌跡，如衛星測量；如目標附近便于布設測量設備，可設置雷達、光學經緯儀進行主動或交會測量飛行器軌跡［1］。近年來，基于彈道導彈和巡航導彈飛行器技術對海上目標打擊的新戰法設計和新試驗方法設計不斷發展，準確可靠測量飛行器落點位置和末段軌跡的要求越來越高，受飛行器載荷能力、海上設備布站及復雜電磁環境等因素限制，同時此類飛行器在末段飛行速度快，時間短，飛行高度低，要完成海上條件下落點位置和末段軌跡測量存在一定難度，特別是彈道導彈海上落點測量。本文提出利用飛行器彈上遙測信號和海上無人平臺控制技術基于多站時差測量原理對飛行器落點位置和末段軌跡進行測量，通過對精度和使用環境影響進行分析，以提出解決問題思路。

2 多站時差測量系統基本原理

多站時差測量又稱雙曲線定位系統，常用于無源定位。無源定位是指定位系統不向被定位目標發射電磁波信號，而是僅利用目標輻射源的輻射信息，確定出目標位置的一種技術。無源定位系統可以通過測量輻射源發射的信號相關變化特征，對目標進行定位，其中利用測量輻射源信號到達多個接收站的時間差，對目標進行定位，這種定位方法叫做多站時差定位，簡稱 TDOA［2］。

多站到達時間差的定位算法是聯合多個接收站測量得到的輻射源信號的到達時間，獲得信號到達觀測站的時間差，進而根據時間差信息建立包含輻射源位置的定位方程，實現對目標輻射源位置的解算，在三維空間中，到達時間差測量信息對應一個雙曲面，由多個測量站獲得的雙曲面的交點就是輻射源的位置。在兩維空間對目標定位需要三個測量站，在三維空間對目標進行定位需要四個測量站，以4站為例，定位原理示意圖見圖1，可以看出，4站無源定位測量是在確定4個接收站的基礎上，得到3時間差，利用形成的3個雙曲面，求解面面相交的曲線，在通過求解曲線交點確定目標位置。

圖1 多站時差定位原理示意圖

根據上圖，定位原理公式如下：

其中目標坐標（X，Y，Z），主測量站坐標（X0，Y0，Z0），第i個測量站的坐標（Xi，Yi，Zi），R0為目標到主測量站的距離，Ri為目標到第i測量站的距離，ΔRi為目標到主測量站和第i個測量站的距離差，C為光速，Ti目標信號到第i個測量站的時刻，T0目標信號到主測量站的時刻，ΔTi為目標信號到第i個測量站與主測量站的時差。

從多站時差定位測量系統定位原理公式可以看出，確定目標位置的過程，就是求解非線性方程解的問題，通常采用的方法有迭代法和線性化，要求給系統一個初始數值，初始值得確定對系統準確有效工作有重要意義。系統在實際工作中，由于被測目標位置具有特殊性，有時會產生定位曲面或曲線重合現象，無法求解被測目標位置，出現目標不可測現象；有時也會產生被測目標在某些位置時，得到的定位曲線間有多個交點，出現位置模糊現象，出現上述現象時，定位方程求解必須參照其他測量內容。

3 影響多站時差定位測量精度的主要因素

精確的坐標系統和時間系統是完成測量工作的基本前提［3］，這個道理在多站時差定位測量中體現的尤為明顯，根據多站時差定位原理公式，影響定位精度的主要誤差源應該包括時間測量隨機誤差，測量站址坐標誤差，此外測量站相對位置關系對系統精度也有較大影響。

3.1 時間測量誤差對系統精度的影響

多站時差定位測量系統是通過測量無線電信號到各測量站的時間來定位的，無線電波是以光速傳播的，在時間測量系統中100ns測量誤差約等效于30m的距離測量誤差，時間測量是該系統的關鍵環節，引起的誤差也是該系統的主要隨機誤差。分析信號從源頭發出到各測量站接收機采集并判讀出信號特征的物理過程，影響時間測量誤差的主要包括以下內容：信號傳播時間誤差、測量站間時統誤差、信號接收機噪聲引起的隨機誤差、目標與測量站相對運動引起多普勒效應造成時間誤差等［4］。

信號傳播時間誤差是指信號由待測目標傳播至測量站過程中，由于傳播路徑和經歷的傳播物理環境不同引起的傳播時間的差異［5］，如各傳播路徑大氣延遲影響、多徑效應影響等。在不同工作條件下，影響信號傳播時間的各種因素基本相同，但各種因素因工作條件的不同對形成誤差貢獻可能不盡相同，如工作在不同環境的測量站，目標到各測量站距離、各測量站間距離，都可能造成信號傳播時間誤差不同，并造成影響電波傳播的相關誤差在“大量”與“小量”之間變換。

測量站間時統誤差是指各測量站間時間測量精準程度，體現了各測量站間授時和定時的能力，主要包擴測量站間時間同步誤差和測量站本地時鐘誤差兩個方面。測量站間時間同步誤差與授時源精度相關，根據目前采用的衛星授時技術，站間同步誤差可以控制在10ns量級。測量站本地時鐘誤差與測量站本身晶振的準確度和穩定度相關，當采用高準確度和穩定度晶振時，測量站本地時鐘誤差通常可采用晶振量化誤差，正常情況下這個值較小，處于納秒量級。

測量站接收機噪聲引起的隨機誤差是指無線電波進入接收機到接收機準確判別出信號過程因噪聲引起時間誤差，該誤差的大小與接收機性能差異、信號體制等相關。因此多站時差定位測量系統要求對來自測量目標的信號要有充分的理解［8］，在一定條件下，盡可能對來自目標的信號進行功能設計，便于實現信號處理減小測量站接收機噪聲引起的隨機誤差，提高時差測量精度，進而完成定位測量。同時各測量站接收機設計和加工制作中要保持一定的功能一致性，以減小隨機誤差。

多普勒效應誤差是指目標與測量站之間存在相對運動，測量到的時間應該包含多普勒效應引起的時間誤差。通常在目標飛行器末段，速度較大，并與測量站之間位置關系不斷變換多，普勒效應必然存在，此外若測量站采用動平臺，因平臺位置變化或天線姿態變化也會引入多普勒效應，造成時間測量誤差。誤差大小應視具體工作情況分析。

3.2 測量站址坐標測量誤差對系統精度的影響

根據系統原理公式，要確定目標坐標（X，Y，Z），無論采用那種具體算法解算目標位置，必須利用主測量站坐標（X0，Y0，Z0）和輔助測量站的坐標（Xi，Yi，Zi）已知坐標為解算基礎，因此測量站站址坐標誤差必然對系統精度產生影響，影響的效果因與系統解算方法和系統布站幾何相關。因此在實際工作中必須要采取高精度測量測量手段，獲取測量站高精度站址坐標。若在活動平臺上布設測量站，站址坐標的實時測量獲取的采樣頻率和精度應與系統工作指標統一考慮。

3.3 測量站相對位置關系對系統精度的影響

測量站相對位置關系實際是目標到各測量站方向余弦的表現，研究表明，多站時差定位精度與目標和各測量站構成的多面體體積相關，體積越大，精度越高［7］。因此測量站相對位置關系對系統精度有較大作用，要充分考慮。主要從目標與測量站的高度差、測量站之間基線大小和測量站的布站形狀三方面考慮。通常隨著目標與測量站觀測平面高度增加和測量站間基線距離的增加，系統定位精度會有所提高。布站形狀不同，影響相對測量站不同觀測方向對目標定位精度。以4站測量為例，測量站布站形狀通常有Y形、T形、菱形、正方形等，因此測量站的相對位置關系的布設要考慮目標計劃飛行軌跡、飛行段落測量精度需要，此外還考慮自然環境、觀測信號共視、信號識別能力、信號波長、站間通信等因素綜合考慮測量站相對位置關系。理想條件下就是在目標各個方向具有測量站布設，避免目標相對測量站方向余弦量值相近，如測量站布射在同一平面上和測量站布設在同一直線上。

3.4 測量站數量對系統精度的影響

通常條件下，在二維空間內，三個測量站可以解算出目標位置；在三維空間內，四個測量站可以解算出目標位置。隨著測量站數量的增加，通過數據融合處理，系統的精度會有所提高［6］。同時在實際使用中測量站適當冗余，便于消除目標解算位置模糊，還可以根據目標與測量站位置變化選取不同的測量站進行解算，保證系統定位精度。但測量站數量要綜合考慮精度與經費關系，同時測量站數量增加，造成系統解算復雜［10］。

通過以上分析影響多站時差定位系統精度的主要原因，可以看出多站時差定位系統的精度在不同的影響因素和工作條件下，在目標運動的不同時段，會有不同的精度，根據目前資料顯示，在良好工況條件下，最好段落精度在10m量級或更高。

4 海上活動平臺多站時差定位測量系設關注的問題

近年來，海上彈道導彈和巡航飛行器試驗訓練工作要求對落點及末段軌跡進行測量，通常這種測量依賴具有測角功能的雷達或光電經緯儀完成，但由于海上布站困難，目標運動速度快飛行時間短且缺少合作目標，即便安裝有雷達或光學設備的測量船完成此類任務都存在一定困難。目前基于人工智能的海上無人平臺技術日趨發展成熟［11］，智能化無人平臺車承載能力強，海洋環境適應性逐步提高，可以人工遙控和自主航行。同時，多站時差定位測量系統組成簡單，不用考慮測角問題，這為構建依托于海上活動平臺多站時差定位測量系統，完成海上彈道導彈和巡航飛行器落點及末段軌跡測量提供了可行性。彈道導彈和巡航飛行器通常是全程發射遙測信號，這是利用多站時差技術完成定位測量的前提。在此基礎上，我們著重分析下海上工作環境對多站時差定位測量系統性能產生的影響，探討提高系統精度的途徑，重點從海上工作環境和機動平臺兩方面分析。

4.1 海上布站對多站時差定位精度影響

海上布站獲得三維空間目標位置，不能只依托各類船艇、浮標進行海面布設測量站，還要依托飛行器在空中進行布站，使測量站在待測量區域形成良好布站幾何關系，來保證系統精度。依托船艇布站，因接收天線距海面較近，電波的海面多徑效應將對電波傳播產生較大影響，因此在信號設計、天線設計和接收機設計時要充分考慮，盡量減小因多徑效應對系統精度的影響。系統工作時要進行大氣波導情況預判，避免因大氣波導原因影響測量站接收目標電波信號。

4.2 機動平臺對多站時差定位精度影響

為了簡化系統，測量站在工作時，平臺應該保持駐泊、錨泊或懸停狀態，這樣機動性可以略去平臺運動速度，把平臺看成位置在一定范圍變化的準靜態，這樣可以從機動平臺位置測量的準確性和平臺姿態變化兩個方面分析給系統帶來誤差，機動平臺的位置測量目前最可行的手段是衛星導航定位，但在實時條件下仍將有較大誤差，一定程度上它將是影響系統精度的主要原因，為減小平臺位置誤差的影響，平臺位置測量的頻率要與系統匹配。海洋環境對機動平臺的姿態變化影響很大，影響各平臺間實時通信和準確測量時差，會影響系統工作的穩定性，要研究系統使用環境，并采用平臺穩定技術，在一定海洋環境條件下，減小平臺姿態對測量系統精度的影響。

5 結語

多站時差定位測量技術在電子偵察領域有著廣泛的應用，將其引入海上機動平臺應用，平臺的海上運動狀況，對系統的可靠準確工作具有重要意義。研究活動平臺的海上特性和預定海域的海洋環境狀況，提前采取有效措施，來保障系統海上測量工作可靠性。采用這種測量手段后，可以在一定精度范圍內解決復雜海上條件飛行器落點或末段測量問題，同時測量數據與數據仿真計算相互校證，可以更加精準掌握飛行器落點或末段飛行情況，對復雜條件下判斷導彈精度具有較大意義。