非合作C模式信號識別與無源定位仿真分析

王俊文,周浩天,王盼盼

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088)

0 引 言

與一次雷達利用目標散射雷達發射的電磁波對其進行探測定位的原理不同,二次雷達由地面詢問機和機載應答終端合作完成定位。高精度無源定位[1]是一種非合作監視技術:當多站定位時,在不增加機載設備的前提下,可以通過多個地面無源接收站接收機載應答機信號,提取到達時間差或各個站點獨立測向值,實現目標時差或測向交叉定位;當單站定位時,可以通過地面無源接收站對接收的機載應答機信號進行方位和俯仰兩維測向,結合應答機高度碼聯合實現目標定位。

民航機載應答機發出的應答信號包括A模式代碼、C模式高度和S模式信息,其中A模式代碼和C模式高度代碼的脈沖形式完全相同。在二次雷達合作模式下,地面雷達詢問站通過詢問脈沖實現應答脈沖的模式識別,而在非合作無源定位系統中,因不知道地面雷達站發出的詢問脈沖類別,也就無法判別收到的應答是A模式還是C模式。因此,對于一個單站無源定位系統,如何從接收到的繁雜的機載應答信號中識別出C模式,并提取高度信息、提高單站的兩維測向精度尤為重要。

1 A/C模式脈沖編碼規則與識別

A/C模式應答信號時序如圖1所示,其中F1、F2為框架脈沖,脈沖間隔為(20.3±0.1)μs, SPI是特殊位置識別碼脈沖,這3個脈沖時序固定為0 μs、20.3 μs、24.65 μs。信息脈沖包含A、B、C、D共4類,每一類都包含3個信息。兩框架脈沖之間的12個碼可以編成4 096個獨立的應答碼,相鄰信息脈沖時間間隔為1.45 μs,脈沖寬度均為0.45 μs。備用脈沖X恒為低電平。在F2脈沖后4.35 μs位置的為SPI脈沖,用于區分來自兩個應答目標的兩組相同的應答碼。應答信號中的信息由12個脈沖攜帶,二進制1代表該脈沖存在,二進制0代表該脈沖不存在。對應于不同的詢問模式,應答信號可以傳遞的信息包括識別代碼、高度信息等。

圖1 應答信號時序圖

由于A/C模式應答信號采用相同的格式,信息脈沖的標志和位置也一樣,在非合作模式下,在接收到A/C應答碼后,無法知道是高度碼還是識別碼。通過分析兩種模式信號的編碼規則以及實際工程應用場景[2-5],非合作接收A/C碼識別可以采取排除法,工程應用中的具體操作方法總結如下:

(1)在信號處理完成機載應答信號脈沖參數測量以及信號分選后,將結果輸出至數據處理,數據處理將分選輸出的12位信息重新從高到低排列,格式為A4A2A1、B4B2B1、C4C2C1、D4D2D1,并按照8進制進行翻譯顯示,如果分選輸出的SPI脈沖標識位出現,則該條碼字判為模式A;

(2)按照步驟(1)進行翻譯碼字,若翻譯碼字信息為7 500、7 600、7 700之一,則該條碼字判為模式A(特殊危急信息代碼);

(3)按照步驟(1)進行翻譯碼字,若翻譯碼字中C為0、5、7之一,則該條碼字判為模式A。因為在高度編碼中,C組碼是5周期循環碼,連續遞增5次,標準循環碼才遞增1次,若信息碼C組尾數為1、2、3、4、6,可能是高度碼,也可能是識別碼;

(4) 按照步驟(1)進行翻譯碼字,若翻譯碼字中D為1、2、3、5、6、7之一,則該條碼字判為模式A因為根據高度編碼規則,若 D1為1,等同于飛機高度大于30 km,目前的民航飛機還未達到此高度,故D1為0;另外,民航飛機飛到18 km的概率也較少,D2基本也為0;

(5)在其他情況下,可根據無源接收站點的位置,判定接收機是處于機場附近起降區域,還是機場外飛機航路航線飛行區域,因為在航路航線飛行區域,C模式高度碼通常不會發生變化,可以結合中國民航劃定5 000 m以上不同飛行高度層與對應編碼之間的關系以及飛機的飛行航向進行綜合判斷。

2 結合高度碼的單站定位算法模型

機載應答信號單站無源定位系統利用單站分別對目標信號進行方位、俯仰兩維高精度測向,并結合飛機C模式高度碼信息對目標進行單站定位。假設目標在大地坐標系中方位角為α、俯仰角為β、高程信息為h,偵察站與目標距離為s,地球半徑為R,單站無源定位模型如圖2所示。

圖2 單站無源定位模型

假設目標在直角坐標系中的位置為x、y、z,通過大地坐標系與直角坐標系轉換可得

(1)

為了描述定位誤差與幾何位置的關系,引入定位精度的幾何稀釋度GDOP來描述定位誤差的三維幾何分布,其表達式為

(2)

式中,δx、δy、δz分別為3個方向上的定位標準差。

定位方程可表示為

(3)

微分可得

(4)

定位誤差協方差矩陣可以表示為

PdX=E[dXdXT]=C{E[dVdVT]}CT

(5)

式中,

假設方位角度測量Δα、俯仰角度測量Δβ、高度信息測量Δh的誤差均服從零均值、標準差分別為δΔα、δΔβ、δΔh的高斯分布。單站定位GDOP為

(6)

3 仿真分析

通過上述算法模型推導可知定位精度受方位、俯仰等觀測值影響,考慮高程測量精度10 m情況下,針對不同測向誤差情況進行仿真。

仿真1:方位測角精度1°、俯仰測角精度1°,不同高度與俯仰角度目標的GDOP如圖3所示。

圖3 不同高度與俯仰角度下目標定位精度仿真1

仿真2:方位測角精度0.5°、俯仰測角精度0.5°,不同高度與俯仰角度目標的GDOP如圖4所示,兩維測向精度較仿真1得到提高,定位精度提高明顯。

圖4 不同高度與俯仰角度下目標定位精度仿真2

仿真3:方位測角精度0.3°、俯仰測角精度0.5°,不同高度與俯仰角度目標的GDOP如圖5所示,方位測向精度較仿真2得到提高,對定位精度的影響較小。

圖5 不同高度與俯仰角度下目標定位精度仿真3

仿真4:方位測角精度0.5°、俯仰測角精度0.3°,不同高度與俯仰角度目標的GDOP如圖6所示,俯仰測向精度較仿真2得到提高,定位精度提高明顯。

圖6 不同高度與俯仰角度下目標定位精度仿真4

可以看出,結合高程信息的單站無源定位模型受測角精度影響較大,俯仰測角精度的影響比方位測角精度的影響大;要實現工程可用的定位精度,測角精度須控制在0.3°～ 0.4°左右,尤其是俯仰測角精度。

4 結束語

單站無源定位是一種新式高效目標定位技術,相對于多站時差與測向交叉等無源定位系統,具有系統簡單、高效等特點。本文針對機載應答A/C模式信號特點,分析并總結相關識別方法,工程實用性較強;在此基礎上推導并仿真了基于方位、俯仰測角信息與高程信息的單站無源定位算法,可為單站無源定位系統的設計和工程應用提供參考。