(海軍蚌埠士官學(xué)校 蚌埠 233012)

單站無源定位技術(shù)研究*

藍(lán)紅生古軍峰王國恩

(海軍蚌埠士官學(xué)校 蚌埠 233012)

在戰(zhàn)略情報(bào)偵察中,單站無源定位可以測(cè)出雷達(dá)網(wǎng)的各雷達(dá)位置,同時(shí)在其它戰(zhàn)術(shù)技術(shù)情報(bào)的基礎(chǔ)上,進(jìn)而可以推斷出防御體系的布置。論文介紹單站無源定位跟蹤的幾種方法。

單站;無源定位

ClassNumberTN953

1 引言

用無源定位手段獲取雷達(dá)的位置信息是雷達(dá)對(duì)抗偵察的重要任務(wù)。在戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)中,精確的、實(shí)時(shí)的無源定位可以為反輻射導(dǎo)彈、火炮提供敵方雷達(dá)的坐標(biāo)數(shù)據(jù),為飛機(jī)、軍艦提供機(jī)動(dòng)回避的方向情報(bào)。其中,單站無源定位跟蹤技術(shù)是利用一個(gè)觀測(cè)平臺(tái),設(shè)備本身并不主動(dòng)發(fā)射信號(hào),而僅僅是靠被動(dòng)接收輻射源的信息來實(shí)現(xiàn)定位的技術(shù)。其定位的性質(zhì)有兩類:一是利用未知輻射源的輻射信號(hào),確定出該輻射源的類型及其平臺(tái)位置;二是利用已知地理位置的輻射源來確定航行中物體的空間和運(yùn)動(dòng)信息。

2 單站無源定位和跟蹤技術(shù)的基本原理

由于雷達(dá)對(duì)抗偵察設(shè)備一般不能測(cè)距,因而單站無源定位不能瞬時(shí)給出雷達(dá)目標(biāo)的位置。單站定位是利用雷達(dá)對(duì)抗偵察設(shè)備與雷達(dá)輻射源間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),通過運(yùn)動(dòng)過程中多次測(cè)量進(jìn)行定位的。其技術(shù)包括運(yùn)動(dòng)單站對(duì)固定輻射源定位技術(shù)和固定單站對(duì)有規(guī)律運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)輻射源的定位技術(shù)。

3 單站無源定位方法

3.1 到達(dá)時(shí)間定位法

對(duì)輻射源可以得到的一個(gè)測(cè)量值是信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。由于輻射源的距離未知,其到達(dá)時(shí)間的相對(duì)變化含有目標(biāo)的狀態(tài)信息,要獲取這些信息,必須對(duì)那些信號(hào)時(shí)間特征進(jìn)行精確的測(cè)量,才能獲取目標(biāo)的速度信息和距離信息,進(jìn)而獲取輻射源目標(biāo)的位置信息。

對(duì)脈沖重復(fù)周期(PRI)已知的情況:假定目標(biāo)信號(hào)的PRI已知,或可通過別的途徑精確獲取,具有輻射源發(fā)射穩(wěn)定的PRI固定脈沖信號(hào),則可在測(cè)量目標(biāo)到達(dá)時(shí)間差的基礎(chǔ)上,測(cè)得目標(biāo)在兩個(gè)不同角度位置上的距離差,從而獲得與目標(biāo)速度和距離有關(guān)的信息。對(duì)脈沖重復(fù)周期未知的情況,實(shí)際處理可能需要將PRI的精確測(cè)量與定位計(jì)算同時(shí)進(jìn)行。這時(shí),PRI一般是未知的。我們所能獲得的是若干雷達(dá)脈沖串的脈沖到達(dá)時(shí)間,將信號(hào)的PRI參數(shù)作未知參數(shù),通過狀態(tài)擴(kuò)充處理,仍可建立有效的到達(dá)時(shí)間差測(cè)量方程。該方法存在著速度慢、精度低的弊端。同時(shí),該方法的應(yīng)用還受到雷達(dá)頻率漂移、跳變的影響。

3.2 測(cè)向定位法

對(duì)輻射源目標(biāo)進(jìn)行無源測(cè)量最直接的方法就是測(cè)量輻射源信號(hào)的到達(dá)角。利用目標(biāo)在某一時(shí)刻所在位置與觀測(cè)站的相對(duì)位置關(guān)系,可以建立到達(dá)方位測(cè)量的觀測(cè)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式,是研究最多、最經(jīng)典的單站無源定位技術(shù),該技術(shù)已基本趨于成熟。

測(cè)向定位法技術(shù)定位依據(jù)的基本原理是三角定位法,即利用運(yùn)動(dòng)的單個(gè)觀測(cè)站在不同位置測(cè)得的目標(biāo)方向角信息,運(yùn)用交叉定位原理通過一定的定位算法確定出目標(biāo)輻射源的位置(這是指對(duì)固定目標(biāo)定位。當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí),“交叉”無法實(shí)現(xiàn),定位過程實(shí)際上是對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的估計(jì)或擬合)。現(xiàn)有的測(cè)向定位算法主要是基于極大似然法或最小二乘法,包括角度誤差最小、距離誤差最小等。若利用非線性最小二乘法濾波進(jìn)行多次序測(cè)向定位可以平滑定位誤差,具有一定的成熟性和穩(wěn)定性。

測(cè)向定位法的優(yōu)點(diǎn)是只需要方向測(cè)量數(shù)據(jù)和觀測(cè)站自身位置數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量小,數(shù)據(jù)處理手段也相對(duì)簡(jiǎn)單。該方法的缺點(diǎn)是由于采用的信息量少,在實(shí)際應(yīng)用中容易出現(xiàn)遞推發(fā)散的情形,或者陷入局部極小點(diǎn),導(dǎo)致結(jié)果的偏差。其次,當(dāng)目標(biāo)輻射源運(yùn)行時(shí),該方法的可重復(fù)觀測(cè)性問題突出,即要求觀測(cè)站必須做特殊的機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng),而且跟蹤精度直接取決于觀測(cè)站運(yùn)動(dòng)的機(jī)動(dòng)量。另外,該定位法采用三角交會(huì),要達(dá)到較高的精度,就需要形成較大的交會(huì)角,即要較長(zhǎng)的運(yùn)行測(cè)量時(shí)間,不利于及早確定目標(biāo)位置,大大影響了該方法的實(shí)用性。

3.3 多普勒頻率定位法

對(duì)于連續(xù)波或者有較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的信號(hào)輻射源,到達(dá)信號(hào)的頻率包含了目標(biāo)—觀測(cè)器相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒成分,實(shí)質(zhì)上包含了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài),在一定條件下可以解算出來。對(duì)于位置固定、發(fā)射頻率固定的輻射源目標(biāo),若其輻射源頻率已知,對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)站,只要觀測(cè)點(diǎn)不是總在徑向(LOP)上,通過三次以上的測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)定位:若載頻未知,在狀態(tài)估計(jì)時(shí),把它加入到狀態(tài)矢量中,可以一同被估計(jì)出來。對(duì)于運(yùn)動(dòng)的輻射源,在跟蹤過程中,為了保證輻射源的可觀測(cè)性(唯一解),和單獨(dú)的測(cè)向法一樣,必須使觀測(cè)站作機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng),而且誤差和估計(jì)精度依賴于觀測(cè)站的機(jī)動(dòng)特性。

3.4 方位到達(dá)時(shí)間聯(lián)合定位法

由于單站可測(cè)得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的方位(DOA)和脈沖到達(dá)時(shí)間(TOA)。假設(shè)目標(biāo)作勻速直線運(yùn)動(dòng),且脈沖列具有恒定的脈沖重復(fù)周期,測(cè)量噪聲符合零值高斯分布,每次測(cè)時(shí)差、方位角時(shí)的測(cè)量噪聲彼此獨(dú)立。將目標(biāo)設(shè)定在二維坐標(biāo)系中考慮,如圖1所示,偵察站位于坐標(biāo)原點(diǎn)O(0,0)。輻射源目標(biāo)t0時(shí)刻位于A(x0,y0)點(diǎn),其方位角為θ(t0),而t時(shí)刻則位于B(x(t),y(t))點(diǎn),其方位角為θ(t),輻射源目標(biāo)以速度V從A向B方向運(yùn)動(dòng),方位發(fā)生了變化。

圖1 觀測(cè)點(diǎn)與目標(biāo)航跡示意圖

輻射源發(fā)射相繼脈沖時(shí),目標(biāo)到觀測(cè)站的距離發(fā)生了變化,使得脈沖傳播時(shí)間相應(yīng)變化,反映到測(cè)量的TOA中,從變化的DOA和TOA信息可以提取輻射源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),從而確定目標(biāo)的位置。相應(yīng)的定位跟蹤算法有:最優(yōu)加權(quán)最小二乘估計(jì)和卡爾曼濾波聯(lián)合跟蹤(WLS+KF)、交互式模型定位(IFF)算法、加權(quán)修正擴(kuò)展卡爾曼濾波(WMEKF)和擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF),對(duì)一些非線性跟蹤采用偽線性算法和MGKF算法。

3.5 方位-頻率聯(lián)合定位法

對(duì)于連續(xù)波或者有較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的目標(biāo),除了方位信息之外,還可以測(cè)量到達(dá)信號(hào)的頻率。該頻率包含了目標(biāo)與觀測(cè)站之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移,它反映了距離的變化率。一般在相對(duì)徑向速度不是恒定的條件下,在一段時(shí)間內(nèi)多次測(cè)量多普勒頻率,可以解算出輻射源的距離?；蛘邚亩嗥绽兆兓蕘砝斫?它可以和觀測(cè)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度一起確定一條測(cè)量曲線,它和測(cè)角方向線的交點(diǎn)就是輻射源的位置。

方位-頻率定位法即通過測(cè)量多普勒頻率提取目標(biāo)的距離信息,再結(jié)合測(cè)角系統(tǒng)所測(cè)得的方位信息對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。該方法的估計(jì)精度高于單純的測(cè)向定位法或頻率定位法。這樣使用可控制的觀測(cè)站,可減少觀測(cè)器的機(jī)動(dòng),增強(qiáng)目標(biāo)的可觀測(cè)性,使輻射源的定位跟蹤更容易實(shí)現(xiàn)。

3.6 幅度-方位定位法

眾所周知,雷達(dá)偵察與雷達(dá)相比,有諸多優(yōu)點(diǎn):隱蔽性好、作用距離遠(yuǎn)、獲取信息多、預(yù)警時(shí)間長(zhǎng)等。但雷達(dá)偵察也有它的弱點(diǎn)和局限性,其中的一點(diǎn)就是不能測(cè)距。過去,雷達(dá)偵察機(jī)只能根據(jù)接收到的雷達(dá)信號(hào)的強(qiáng)弱(波形觀察或功率計(jì)指針指示)來大概估計(jì)雷達(dá)的遠(yuǎn)近,要測(cè)定雷達(dá)的距離和位置,通常要用兩部或多部雷達(dá)偵察機(jī)進(jìn)行交叉定位測(cè)距。

由于功率測(cè)量部件靈敏度及其他多種因素的影響,波形或功率計(jì)指針指示方式估計(jì)雷達(dá)距離是很粗略的,而且會(huì)把有效發(fā)射功率大的遠(yuǎn)距離雷達(dá)誤認(rèn)為是功率小得多的近距離雷達(dá);多部雷達(dá)偵察機(jī)交叉定位測(cè)距,雖然能較精確地測(cè)距,但系統(tǒng)間的定時(shí)定位、信息傳送、信息處理等需要聯(lián)網(wǎng)并用專門的處理機(jī)來承擔(dān),使系統(tǒng)復(fù)雜化,實(shí)戰(zhàn)中受到諸多條件的制約。

我們從自由空間的雷達(dá)偵察方程入手進(jìn)行測(cè)距。方程式為

(1)

式中:Pr為偵察天線接收到的雷達(dá)信號(hào)功率;Pt為雷達(dá)發(fā)射的脈沖功率;Gt為雷達(dá)發(fā)射天線在偵察機(jī)指向處的增益;Ar為偵察天線在雷達(dá)方向處的有效接收面積;R為雷達(dá)距偵察機(jī)的距離。

由式(1)得:

(2)

由式(2)可見,R與被測(cè)雷達(dá)及偵察機(jī)本身的設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)(Pt,Gt,Ar),同時(shí)也與兩者的天線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)(Ar,Gt,Pr)。除了幅度(距離)信息外,利用非線性最小二乘法對(duì)到達(dá)角進(jìn)行濾波以得到更精確的方位信息,即可得輻射源目標(biāo)的位置。

3.7 測(cè)相位變化率定位法

在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上放置基線為d的二天線單元構(gòu)成干涉儀,測(cè)量干涉儀相位差及其變化率,即可獲得輻射源的位置信息。定位原理:從幾何上看,在二維平面內(nèi),相位改變與一定的目標(biāo)相對(duì)角度的改變相對(duì)應(yīng):

(3)

式中:B為目標(biāo)與觀測(cè)站的方位角;β為角度變化率;λ為波長(zhǎng);d為測(cè)量基線的長(zhǎng)度;φ為相位變化率。

恒定的相位變化率規(guī)定了目標(biāo)可能存在的軌跡,對(duì)于如圖2所示的幾何運(yùn)動(dòng),以及干涉儀基線的安置情況,其相位變化率是一個(gè)圓,且經(jīng)過平臺(tái)所在點(diǎn)O,其半徑為

(4)

式中:V是平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度,是已知的。干涉儀測(cè)得方向線與該圖的交點(diǎn)即是目標(biāo)的位置。相應(yīng)的定位算法主要有卡爾曼濾波算法(EKF)和修正增益擴(kuò)展卡爾曼濾波算法(MGEKF)。測(cè)相位變化率定位法具有快速性、準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn),但它們是以增加測(cè)量的復(fù)雜性和難度為代價(jià)的。

3.8 多普勒頻率變化率定位法

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理,當(dāng)觀測(cè)器與目標(biāo)輻射源作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),利用相互運(yùn)動(dòng)信息,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的無源定位與跟蹤,如圖3所示。

圖2 相位變化率-方位角定位原理

圖3 觀測(cè)器與目標(biāo)輻射度相對(duì)運(yùn)動(dòng)示意圖

目標(biāo)在Xt位置上以Vt的速度運(yùn)動(dòng),而觀測(cè)器在X0位置上以V0的速度運(yùn)動(dòng),目標(biāo)與觀測(cè)器的距離為r,相對(duì)于觀測(cè)器的方位角為B?？梢詫⒛繕?biāo)相對(duì)于觀測(cè)器的運(yùn)動(dòng)看作是兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的合成,即以Vt的切向速度圍繞觀測(cè)器旋轉(zhuǎn)和以Vr的徑向速度向觀測(cè)器接近。從而從切向速度Vt中提取出相位變化率,從徑向速度Vr中提取出多普勒頻率變化率,輔以方位信息,就可以實(shí)現(xiàn)單次測(cè)距的定位。利用多普勒頻率變化率作為測(cè)量,是一種快速高精度的單站無源定位技術(shù),若各測(cè)量量的測(cè)量精度滿足要求,則可以在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的測(cè)距精度。當(dāng)受輻射源限制時(shí),觀測(cè)器采樣率很低,依然可以通過較少的測(cè)量次數(shù)達(dá)到較高的測(cè)距精度。但該技術(shù)對(duì)多普勒頻率變化率的測(cè)量精度提出了較高的要求,并成為影響定位精度的主要原因之一。

4 結(jié)語

與有源定位方法相比,無源定位方法具有作用距離遠(yuǎn),抗干擾能力強(qiáng),實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的隱蔽接收、定位和跟蹤的能力。對(duì)于提高系統(tǒng)在電子戰(zhàn)環(huán)境下的生存能力和作戰(zhàn)能力有重要作用。

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SingleStationPassiveLocationTechnology

LAN Hongsheng GU Junfeng WANG Guo’en

In the strategic intelligence reconnaissance, single station passive location can be measured by the radar poison of radar network. At the same time, based on other technical and tactical intelligence, the defense system layout can be inferred. Several methods of single observer passive location and tracking are introduced in this paper.

single station, passive location

2013年11月7日,

:2013年12月18日

藍(lán)紅生,男,講師,研究方向:電子對(duì)抗。古軍峰,男,講師,研究方向:艦艇指控系統(tǒng)。王國恩,男,講師,研究方向:電子對(duì)抗。

TN953DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.016

(BenBu Naval Petty Officer Academy, Benbu 233012)