基于運動平臺的多普勒頻移無源定位算法

趙穎楠,張 陽,彭占立

(南京科瑞達電子裝備有限責任公司,江蘇 南京 211100)

0 引 言

快速精確的無源定位能力是現代電磁頻譜戰的重要致勝因素。實戰中,目標或己方平臺的運動往往會帶來測量誤差,導致定位難、定不準等問題。多普勒頻移是由平臺間的相對運動產生的,依據多普勒效應,深入解析,能夠解決相對運動的2個平臺間的定位問題,實現對目標快速、精確的無源定位。

1 多普勒頻移定位算法

1.1 多普勒效應

多普勒效應是指當雷達和目標之間存在相對運動時,雷達輻射源信號波形會被壓縮或展寬,產生頻率偏移,偏移值跟散射體與雷達的相對徑向速度成正比。雷達應用中,多普勒頻移滿足以下公式[1]:

(1)

式中:fd為多普勒頻移;vr為相對運動徑向速度;λ為輻射源信號波長。

1.2 多普勒頻移無源定位算原理

多普勒效應通常被應用于雷達對動目標的檢測。無源定位中,也可以利用多普勒頻移規律,對與偵察設備存在相對運動的目標進行定位[2]。運動平臺無源定位示意圖如圖1所示。

圖1 運動平臺無源定位示意圖

如圖1所示,機載平臺安裝偵察設備,以速度V沿水平方向飛行,雷達距離為R,信號輻射源入射角為α。根據雷達掃描周期及照射時間確定測量點,即為1、2、3、4位置,計算多普勒頻移及相位差變化率,根據公式(1)計算得出雷達距離:

(2)

(3)

式中:f為雷達輻射源信號頻率;c為光速;Δt為雷達照射時間。

1.3 算法優化

實際應用中,由于機載平臺速度快,信號入射角變化快[3],同時雷達照射時間短,有效數據少,使得多普勒頻移測量誤差較大,從而導致無源定位效果較差[4-5]。本文提出了多普勒頻移定位優化算法,根據機載平臺速度、目標大概距離等信息確定滑動窗口,并列出查找表,得出每次滑動值。此種方法在已有雷達照射時間短、平臺運動速度快、數據量少的情況下,能夠極大提升數據利用率,降低測量誤差,提高定位精度。

本方法主要受時效性需求及數據處理能力的限制,算法優化時,首先根據目標大概位置確定窗口個數。在仿真驗證中,由于不受限于數據處理能力,設計的窗口個數為1 336;然后確定每個窗口數據個數,此數據可由平臺速度與目標大概相對位置仿真遍歷實現,得出查找表。本文在具體數據仿真驗證時,采用的滑動窗口數據個數為4。

2 仿真驗證

仿真設計:機載平臺與目標雷達相對運動,目標距離100 km,平臺運動速度300 m/s,信號頻率8.5 GHz,相位測量誤差2°,方位測量誤差0.5°,雷達掃描周期1 s,偵察設備接收到的照射時間0.01 s時,進行仿真驗證。

采用優化算法前后,多普勒頻移變化曲線分別如圖2、圖3所示。

圖2 未采用優化算法時的多普勒頻移變化曲線

圖3 采用優化算法后多普勒頻移變化曲線

由仿真可見,未采用優化算法時,多普勒頻移規律未能清晰展示,存在跳變與飛躍點現象,數據較混亂;采用優化算法后,多普勒頻移規律較清晰,與物理規律吻合,且數據清晰平滑,不存在飛點現象,能夠用于后續數據處理。

采用優化算法前后,多普勒頻移定位誤差分別如圖4、圖5所示。

圖4 未采用優化算法時多普勒定位誤差

圖5 采用優化算法后多普勒頻移定位誤差

由仿真可見,未采用優化算法時,多普勒頻移定位誤差非常大,合理區域平均定位誤差達到40%,基本不能實現有效定位;采用多普勒頻移優化算法后,合理區域定位誤差均值為7%,具備良好的定位性能。

3 結束語

隨著現代電磁頻譜戰的發展,對雷達偵察設備的要求越來越高,無源定位能夠充分發揮偵察設備的優勢,在敵方雷達無知無覺中獲取目標信息。本文提出的多普勒頻移優化算法不需要額外的測量體系,直接應用現有數據進行優化濾波,減少了多普勒信息飛點,提高了數據利用率,有效提升了無源定位精度,為偵察設備的定位提供了一種新的方法。在可預見的未來,機載平臺仍是取得制空權、制信息權的重要手段,隨著偵察打一體無人機的迅速發展成熟,機載平臺快速、精確的定位能力將是信息情報搜集、作戰資源分配以及效能評估的重要保障,具有重要的戰略意義。