基于單站干涉儀測向法的未知輻射源定位技術*

韋 卓

（中國兵器工業(yè)試驗測試研究院 華陰 714200）

1 引言

信息化武器裝備在靶場進行設計性能及指標檢驗時，需排除一切未知干擾因素對檢測結果的影響，其中最為關鍵的是排除一切未知電磁信號，尤其是同頻、臨近頻率的電磁信號。但是由于靶場是一個開放的試驗空間，在試驗時難以保證試驗區(qū)域的電磁環(huán)境純凈，因此試前、試中需對試驗區(qū)域電磁環(huán)境進行監(jiān)測采集，一旦發(fā)現(xiàn)與被試裝備所用頻段有重合或鄰近的未知電磁信號，需要查找該信號的輻射源位置，協(xié)調關閉該輻射源，保證試驗的正常進行。

但是目前技術成熟的單臺無源監(jiān)測設備在靜止狀態(tài)下以采集分析信號參數(shù)及測向功能為主，對未知輻射源不具備定位能力［1］。針對這一問題，本文采用單臺無源監(jiān)測設備多次布站的方式，通過測向交叉定位法及誤差剔除方法，可較為精確地得出輻射源的位置坐標［2～5］。

2 干涉儀法測向原理

采用單臺無源監(jiān)測設備對輻射源進行定位，首先需要測得輻射源的來向。對輻射源測向的方法較多，有干涉儀測向、比幅測向、空間譜估計等多種方法，其中干涉儀測向法因測向精度高、速度快等特點，廣泛應用于靶場對未知輻射源的測向中。干涉儀測向是利用測量同一輻射源到達接收天線陣列的各單元之間的相位差來確定輻射源來向的一種測向體制［6～8］，測向示意圖如圖1所示。

圖1 干涉儀法測向示意圖

兩天線的接收相位誤差為

則通過式（1）可得，輻射源的來向θ，如式（2）所示。

其中：Δφ為兩天線測得的輻射源相位差；θ為輻射源入射角；d為兩天線之間距離。

根據(jù)數(shù)字干涉儀測向原理，其不模糊視角為

其中：θu為不模糊視角；λ為偵察信號波長；d0為虛擬短基線長度。

數(shù)字干涉儀測角誤差公式如下：

式中：Δφ為兩天線測得的輻射源相位差；D為天線陣總基線長度；λ為偵察信號波長；θ為輻射源入射角。

通過分析式（3）、式（4）可見，在信號波長一致的情況下，干涉儀測向法不模糊視角與測向精度是矛盾的，天線基線越短，不模糊視角越大；天線基線越長，測向精度越高。為了解決這一矛盾，一般采取多基線法布設天線陣列，短基線保證較大的不模糊視角，長基線保證測向精度［9］，同時可采用四面陣天線，保證所有來向信號都在天線的±45°范圍內，進一步保證信號不會處于不模糊視角外，且保證信號的測向精度。四面陣多天線布局示意圖如圖2所示，天線接收方向如圖3所示。

圖2 四面陣多天線布局示意圖

圖3 四面陣天線接收方向圖

3 定位原理

單臺電磁無源測向設備可測得自身所在位置坐標及輻射源來向，采用交叉定位法可實現(xiàn)對輻射源的初步定位。交叉定位法是在已知的兩個或多個不同位置上測量輻射源電磁波的到達方向，然后利用三角幾何關系計算出輻射源位置。具體實施辦法是：1）將無源測向設備布在一個選定位置，利用設備本身自帶的GPS/BD測向定位裝置測出布站坐標（x1，y1），利用電磁無源測向設備測出輻射源以該站為原點與正北方向的夾角a1；2）將電磁無源測向設備重新布站，為了保證計算精度，要求兩個站之間的距離≮3km［10］。在新站址重新測量電磁環(huán)境監(jiān)測設備的坐標（x2，y2）以及輻射源以該站為原點與正北方向的夾角a2。利用電磁環(huán)境監(jiān)測設備兩次布站測得的其本身坐標（x1，y1）、（x2，y2）和兩個輻射源與正被方向的夾角a1、a2，采用交叉定位法可以計算輻射源的坐標（p，q），交叉定位法原理圖如圖4所示，計算公式如下所示。

圖4 交叉定位法原理圖

根據(jù)角度定義可以得到：

解方程組（5），可得輻射源的位置坐標為

電磁無源測向設備要求是按規(guī)定日期校準過的，因此不考慮其測量本身站點坐標和輻射源方位存在系統(tǒng)誤差，但是需要考慮測量的隨機誤差，該隨機誤差通過式（6）的計算結果傳導進輻射源的坐標（p，q）上。從統(tǒng)計學和概率學上講，最有效的一種減小隨機誤差的方法是多次測量然后取平均數(shù)，然后剔除誤差較大的野值，再取平均數(shù)的方法，增加輻射源坐標測量精度［11～12］。

假設通過多次布站和交叉定位計算，得出n個輻射源的坐標，記為

式（7）中第一行代表計算得出的輻射源的橫坐標，第二行代表計算得出的輻射源的縱坐標。

對式（7）中輻射源的橫坐標和縱坐標分別取平均值，記為

為了進一步提高精度，采用兩點之間距離公式，將式（7）中的坐標與式（8）、（9）取平均值后的坐標（g，h）分別計算距離，得到（L1，L2，…，Li，…，Ln），對這n個距離取平均值，記為

將計算得到的n個距離值（L1，L2，…，Li，…，Ln）與式（10）的L值進行比較，大于L值的認為是野值，剔除掉其對應的坐標點位，剩下的m個坐標點位再使用平均數(shù)公式進行計算，記為

式（11）、式（12）計算的輻射源坐標（J，K）即為最終得出的精度較高的輻射源坐標值，計算效果圖如圖5所示。

圖5 平均數(shù)法計算輻射源坐標效果圖

其中黑色小十字標代表采用交叉定位法計算的未知輻射源的位置坐標（p，q），圓形黑點代表采用式（4）、式（5）計算的輻射源平均位置坐標（g，h），圓環(huán)中十字標代表需要剔除的誤差較大的野值，小圓圈代表剔除測量野值之后剩余的輻射源范圍，五角星代表剔除野值之后，利用小圓中剩余的輻射源，采用式（11）、式（12）計算得到的最終較為精確的輻射源位置坐標（J，K）。

4 結語

本文選用干涉儀測向方法，保證了對未知輻射源的測向精度。通過測向設備多次布站測量的方法，實現(xiàn)了基于輻射源來向的交叉定位，很大程度上保障了信息化裝備科研試驗的正常進行。但是該方法目前僅適用于對地面固定輻射源進行定位，對移動目標不具備定位能力。考慮到靶場試驗中未知輻射源主要來源于地面，該方法是一種比較簡單實用的技術手段，但對于來自空中的未知輻射源，該方法還不具備定位能力，有一定的局限性，還需要國內相關院所展開進一步研究。