基于5G基站信號的被動雷達無源定位方法分析?

戴文瑞 王 銳 魏 巍

（陸軍炮兵防空兵學院 合肥 230031）

1 引言

近年來圍繞著應對低慢小飛行器帶來的安全隱患，基于民用信號的無源被動雷達探測成為研究熱點，另一方面隨著5G通信技術的飛速發展，基于5G基站的外輻射源雷達的研究為探測低慢小目標帶來了另一種可能，可以作為當前防空雷達的一種有益補充手段。目前大多研究中對于外輻射源雷達采用的定位方法主要是時差定位法，即利用個接收站對單個外輻射源照射到目標上的信號進行定位，這種方法需要設置多個站點，并且要保證不同接收站之間嚴格的信號同步，且5G基站作為外輻射源，其分布密集，未最大化發揮多輻射源的優勢，時差定位法對于基于5G基站的外輻射源雷達并不能完美適用。本文針對5G基站布站密集、架設便捷的特點，在多源分布式時差定位方法基礎上提出一種適用于基于5G基站信號的無源定位技術方法，該方法可適應多基站發射單接收站接收的定位方法，也可適用于多基站發射多基站接收，實現方法更為簡單，部署方式更加靈活。

2 低慢小目標無源定位方法對比

無源定位方法按工作原理可分為兩類，一類通過偵收目標本射輻射的信號進行定位，另一類是利用目標受非合作的外輻射源照射產生的散射信號進行定位［1］。而所謂低慢小目標是指體型較小、飛行速度慢、飛行高度低的空中目標，大多低慢小目標本身除較弱的通信信號外，本身不輻射電磁波。對低慢小進行無源定位只可采用外輻射源無源定位法。

外輻射源無源定位方法主要有DOA（測向定位）、時差定位（TDOA）、頻差定位（FDOA）、時頻差定位等。DOA（測向定位）通過多接收機測量目標輻射的電磁波角度，經多站交會進行定位，定位精度受測角精度影響較大，定位精度不高，且必須多接收機同時對目標輻射的信號進行測量。時差定位（TDOA）是通過多個接收站測量的輻射源到達時間差數據對輻射源定位，該算法對接收機對目標探測的方位信息要求不高，定位精度較高，但TDOA需要多站同時測量信號，并要求保證信號的同步傳輸。頻差定位（FDOA）與時差定位類似，通過多個站測量目標輻射源和接收站之間由相對運動的多普勒頻移差來定位，也需要多站保證信號的同步傳輸［3］。另外在TDOA和FDOA基礎上發展起來的時頻差定位法，定位精度更高，但也存在同樣問題。

以上方法主要依靠多個接收站對單個外輻射源照射到目標上的信號進行定位，需要進行輻射源測向或多接收站信號同步等任務，但5G基站作為外輻射源，其分布密集，未最大化發揮多輻射源的優勢，以上方法較適用民用廣播外等站點較少的輻射源，對于5G基站外輻射源定位，可采用多源分布式定位法即T2R距離和橢圓定位法［2］，該方法利用單個接收站同時接收多個基站回波信號及直達波信號的相對時延差來對目標進行定位，有以下優勢。

1）多源分布式定位能充分利用基站數量多的優勢，提高定位精度；

2）接收站對輻射源方向不敏感，不需要進行輻射源方位測量，減小了測角設備消耗；

3）單個接收站即可完成以低慢小目標進行定位，無需多站信號同步；也可多個接收站協同定位，僅需保證通信暢通，無需多站信號同步；

4）利用5G基站外輻射信號，隱蔽性好，且無需目標自身輻射電磁波，可靠性高。

3 T2R多源分布式定位法

3.1 目標相對時延提取

5G基站作為外輻射源，輻射源和接收站之間無法建立同步鏈路，無法實現者間的時間頻率同步，而是在接收端設計一個（或多個）參考接收通道，如圖1紅色箭頭所示，截獲輻射源的直達波信號sref(t)，另一通道接收經目標散射后的回波信號，如圖1藍色箭頭所示，將直達波信號與目標的回波通道信號secho(t)進行相關處理，從而提取目標回波與直達波的相對時延差τ［1］。

圖1 外輻射源雷達相對時延差示意圖

5G基站采用蜂窩網絡布站，每個基站天線為隨機定向天線，不考慮基站天線發射波角度，接收站采用同時多波束技術，可同時接收和處理多個基站的回波信號與直達波信號，從而可得到多個基站對于目標回波與直達波的相對時延差τi。

因5G基站位置已知，可設基站與接收機距離為L，目標與基站距離為Rt，目標與接收站距離為Rr，又因低慢小目標一般飛行高度較低，為簡化分析，下面以兩個不同位置分析的基站輻射源為例，且目標、基站和接收站簡化在一個雙基礎平面內進行分析，如圖2所示，由距離關系可得：

圖2 相對時延差距離關系圖

即通過提取目標回波與直達波的相對時延差τ，可得目標與基站和接收站的距離和RSi。

3.2 T2R距離和橢圓定位法

設目標位置為[x , y]，接收站位置為[x0,y0]，兩個基站位置分別為，則目標到接收站的位置距離為

目標到輻射源i(i=1,2)的距離ri為

可得目標與輻射源和接收站的距離和Rsi為

根據式（1）可知，Rsi可由相對時延差計算得出，由此可以確定一個等距離和的橢圓，兩個基站與接收站確定兩個橢圓即可定位目標位置，如圖3所示。

圖3 相對時延差距離關系圖

建立直角坐標系，由于接收站為已方站，可設接收站位置為坐標原點，即x0=y0=0，代入式（4）簡化可得：

即解得r0可能有兩個值r01，r02，如果這兩個值都小于0，則取正值為r0，如兩個值都大于0，還存在定位模糊問題。

3.3 解決定位模糊問題

4 結語

本文針對基于5G信號的被動雷達所面對的無源定位問題，比較分析多種常用的無源定位方法，針對低慢小目標特點，結合基于5G基站信號的被動雷達目標時差提取實現方法，在綜合分析對比多種無源定位方法的基礎上，提出采用T2R距離和橢圓定位法對目標進行定位，并對該方法的基本原理和定位實現步驟進行了研究，最終實現對目標的無源定位。本文基于T2R距離和橢圓定位法的定位模糊問題進行了討論，提出了解決定位模糊的幾種方法，下一步在解決定位模糊、分析定位精度和目標跟蹤算法上，還可以做進一步研究。