孫　兵，李龍?bào)J，羅景青

(電子工程學(xué)院，安徽 合肥 230037)

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·技術(shù)前沿·

協(xié)同偵察系統(tǒng)增加猝發(fā)探測功能的定位技術(shù)

孫兵，李龍?bào)J，羅景青

(電子工程學(xué)院，安徽 合肥 230037)

協(xié)同偵察系統(tǒng)增加猝發(fā)式有源探測功能，使系統(tǒng)既具隱蔽性又可精確定位，是一個(gè)值得研究的問題。分析對遠(yuǎn)距離目標(biāo)的多平臺協(xié)同偵察定位和單站猝發(fā)式有源定位的定位誤差分布特點(diǎn)，提出了協(xié)同偵察增加猝發(fā)式有源探測的綜合探測體制，描述了系統(tǒng)工作流程，給出了協(xié)同偵察增加猝發(fā)探測的最大似然定位算法，仿真分析了定位性能。仿真結(jié)果表明，多平臺協(xié)同偵察系統(tǒng)有較高的切向定位精度，猝發(fā)式有源定位有較高的徑向定位精度，綜合定位能將二者定位性能進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，一定程度上提高定位精度。

協(xié)同偵察；猝發(fā)式；定位精度

0　引言

在進(jìn)行空防時(shí)，常會(huì)遇到敵方高價(jià)值的先進(jìn)作戰(zhàn)平臺，早期發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確確定敵方作戰(zhàn)平臺的位置有十分重要的意義。一般的有源探測容易被敵方截獲和識別，面臨綜合電子干擾和反輻射武器攻擊的威脅。而多機(jī)協(xié)同偵察系統(tǒng)自身不發(fā)射電磁信號，可以不被敵方發(fā)現(xiàn)，具有隱蔽性強(qiáng)的優(yōu)勢[1-2]，但是在敵來襲方向上的遠(yuǎn)距離目標(biāo)，多機(jī)協(xié)同偵察定位只能獲得較高的角度定位精度[3-5](切向定位精度)，而距離定位精度(徑向定位精度)較差。為了使系統(tǒng)獲得較高的距離定位精度，同時(shí)要求避免敵方發(fā)現(xiàn)己方的探測意圖，使該系統(tǒng)具備低可探測性能，主機(jī)可以采取猝發(fā)方式發(fā)射單個(gè)脈沖進(jìn)行有源探測，既避免一般有源探測信號容易被敵方截獲和識別的問題，又能獲得較高的距離定位精度。在此模式下，探測信號的發(fā)射方向基本上靠無源引導(dǎo)，精度不高，只能實(shí)現(xiàn)較好的測距。因此可以結(jié)合多機(jī)協(xié)同偵察定位獲得的角度信息，從而獲得較高的定位精度[6-8]。

本文首先分析多機(jī)協(xié)同偵察的遠(yuǎn)距離定位特點(diǎn)，分析在多機(jī)協(xié)同下偵察定位的定位性能，分析定位誤差的分布特征。然后再分析猝發(fā)式有源探測的定位性能，最后融合協(xié)同偵察和猝發(fā)有源探測的定位信息，給出最大似然估計(jì)定位結(jié)果并分析了定位性能。

1　多機(jī)協(xié)同對遠(yuǎn)距離輻射源目標(biāo)的偵察定位

為了獲得較高的定位精度，多機(jī)協(xié)同對遠(yuǎn)距離輻射源目標(biāo)常采用時(shí)差定位體制。

時(shí)差定位又稱為雙曲線定位，它是通過處理三個(gè)或更多個(gè)觀測站采集到的信號到達(dá)時(shí)間之間的差值對輻射源進(jìn)行定位的。在二維平面中，輻射源信號到達(dá)兩測量站的時(shí)間差確定了一對以兩站為焦點(diǎn)的雙曲線，利用三站就可形成兩對雙曲線來產(chǎn)生交點(diǎn)，再利用測向信息排除虛假點(diǎn)，就能把輻射源的位置確定下來。

設(shè)系統(tǒng)由1個(gè)主機(jī)和2個(gè)僚機(jī)構(gòu)成，待測目標(biāo)位置為(x,y),假定主機(jī)位于原點(diǎn)，2個(gè)僚機(jī)分別位于(xi,yi)，i=1,2,3。主機(jī)到各僚機(jī)的基線長度為di(i=1,2)，目標(biāo)到主機(jī)的距離為r0，目標(biāo)到僚機(jī)的距離為ri(i=1,2)。設(shè)系統(tǒng)各站布置和目標(biāo)的位置如圖1所示。

圖1　無源時(shí)差定位示意圖

輻射源到主機(jī)和僚機(jī)的距離差為：

(1)

其中：

(2)

式中，Δri=cΔti，Δti為時(shí)差測量值。

由式(1)建立線性方程組矩陣：

(3)

其中：

(4)

解得：

(5)

式中，

(6)

在式(6)中r0有兩個(gè)值，利用其中一個(gè)僚機(jī)的測向信息剔除一個(gè)虛假目標(biāo)信息。

下面對時(shí)差定位法的定位精度進(jìn)行分析。

對定位方程兩端求微分，可以得到：

(7)

令B=C-1，得：

(8)

由于各時(shí)間差測量中均包含有主機(jī)測量到達(dá)時(shí)間的誤差，因此各Δri的測量誤差間是相關(guān)的。設(shè)定測量誤差經(jīng)系統(tǒng)修正后是零均值的，且站址誤差各元素之間及各站址誤差之間互不相關(guān)，則定位誤差的協(xié)方差矩陣為：

(9)

當(dāng)誤差服從正態(tài)分布，誤差區(qū)域是一個(gè)橢圓，稱為概率誤差橢圓(EEP)，這個(gè)誤差橢圓能清楚地限定出輻射源位置的估計(jì)值以一定概率位于其中的位置范圍，這個(gè)概率通常取50%。橢圓長軸方向?yàn)槟繕?biāo)位置不確定分布的主要方向。本文用EEP衡量定位性能。

對于遠(yuǎn)距離的輻射源目標(biāo)，當(dāng)主機(jī)與僚機(jī)間的距離不大時(shí)，定位結(jié)果在距離向的可靠性較差。例如，假定目標(biāo)在距離主機(jī)150km處,兩僚機(jī)距離主機(jī)20km,主機(jī)與僚機(jī)成線性排列。主機(jī)坐標(biāo)(0,0)，僚機(jī)1坐標(biāo)(-14，14)，僚機(jī)2坐標(biāo)(14,-14)，目標(biāo)坐標(biāo)(106.1,106.1)，單位為km。不考慮站址誤差，測量時(shí)差測量誤差均方根值分別為30ns、60ns和100ns時(shí)，定位誤差橢圓如圖2所示。

圖2　時(shí)差定位定位誤差橢圓

由圖2可以看出，對于位置靠得較近的多個(gè)偵察站，定位誤差橢球是一個(gè)以目標(biāo)真實(shí)位置為中心，以目標(biāo)方向?yàn)榘腴L軸方向的細(xì)長橢圓。當(dāng)時(shí)差測量精度的均方根值100ns時(shí)，切向誤差的均方根值為99.3m。

如果主機(jī)與兩僚機(jī)間的距離更近，則定位誤差的概率橢圓更為細(xì)長。

為了提高定位精度，可以適當(dāng)?shù)卦黾又鳈C(jī)與僚機(jī)間的距離。但距離的增加會(huì)帶來其他方面(如通信和輻射源同時(shí)照射)的問題。

一般地說，多機(jī)協(xié)同偵察對遠(yuǎn)距離輻射源目標(biāo)定位，會(huì)存在切向精度高但縱向精度太差的問題。

2　有源探測的定位性能

有源探測靠發(fā)射探測脈沖進(jìn)行對平臺目標(biāo)的探測定位。假定發(fā)射的信號指向?yàn)棣?，而利用脈沖測距可以測得目標(biāo)的距離r。則目標(biāo)位置與距離和方向角有如下關(guān)系：

(10)

假設(shè)距離測量值和方位值的誤差為δz=[δr,δθ]T，則誤差的協(xié)方差矩陣為：

(11)

對于位置矢量，求解其定位誤差，包括定位誤差δx=[δx,δy]T的表達(dá)式及其協(xié)方差矩陣Px。對于定位誤差的表達(dá)式為：

(12)

式中系數(shù)矩陣為：

(13)

這樣，對平臺目標(biāo)定位誤差的協(xié)方差矩陣為：

(14)

式中，

(15)

對于不進(jìn)行角度跟蹤條件下的有源目標(biāo)探測，特別是采用猝發(fā)式單脈沖測量的情況下，有源探測定位雖然可以獲得高的距離向精度，但其切向精度是較差的。例如，假設(shè)主機(jī)距離目標(biāo)150km，主機(jī)坐標(biāo)(0,0)，目標(biāo)坐標(biāo)(106.1,106.1)，單位km。主機(jī)測距誤差均方根值分別為50m，100m，200m，角度誤差分別對應(yīng)為0.5°、0.8°和1°，其誤差橢圓如圖3所示。

圖3　有源探測定位誤差橢圓

由圖3可以看出，猝發(fā)式有源探測定位誤差橢圓是一個(gè)以目標(biāo)真實(shí)位置為中心、以目標(biāo)方向?yàn)榘攵梯S方向的橢圓。說明猝發(fā)式有源探測在距離上定位精度較高，而在角度方向上基本上靠無源引導(dǎo)，精度不高。

3　協(xié)同偵察增加猝發(fā)功能的綜合探測定位

本文提出的協(xié)同偵察增加猝發(fā)探測的綜合探測定位模式，由一個(gè)主機(jī)和多個(gè)僚機(jī)組成的系統(tǒng)完成。

3.1系統(tǒng)的工作流程

協(xié)同偵察增加猝發(fā)探測的綜合探測系統(tǒng)的工作流程為：

1)協(xié)同偵察定位

由主機(jī)和僚機(jī)協(xié)同對目標(biāo)上的輻射源進(jìn)行協(xié)同偵察定位，無源定位系統(tǒng)可在切向得到較高的定位精度。

2)主機(jī)猝發(fā)單脈沖測距

根據(jù)無源偵察的結(jié)果，經(jīng)可威脅識別和可靠性估計(jì)，對感興趣的輻射源目標(biāo)，根據(jù)無源探測結(jié)果，可粗略估計(jì)目標(biāo)是否進(jìn)入有源探測作用距離范圍，并據(jù)無源偵察得到的方向，向該方向猝發(fā)探測脈沖，獲得高的距離定位精度。

由于無源偵察是單程傳播，較有源探測具有明顯距離優(yōu)勢，可比雷達(dá)更早發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。因此在系統(tǒng)先工作在無源偵察模式。經(jīng)估計(jì)目標(biāo)在有源探測范圍后，發(fā)射探測脈沖，若能有效測距，則完成有源無源結(jié)合的定位任務(wù)；若不能完成有效探測，可能目標(biāo)在有源探測范圍之外，可過一段時(shí)間再用發(fā)射一個(gè)探測脈沖進(jìn)行有源探測。這樣，可以解決有源無源探測的距離匹配問題。

3)綜合探測與定位

首先對有源探測的結(jié)果進(jìn)行綜合分析，當(dāng)無源偵察和有源探測均為有效探測時(shí)，經(jīng)確認(rèn)無源偵察的輻射源與有源探測的平臺是同一平臺時(shí)，進(jìn)行綜合定位計(jì)算。

3.2綜合探測定位計(jì)算

設(shè)多機(jī)協(xié)同偵察獲得目標(biāo)位置為：

(16)

猝發(fā)式探測獲得目標(biāo)位置為：

(17)

多機(jī)協(xié)同偵察定位誤差的協(xié)方差矩陣為：

(18)

猝發(fā)式探測定位誤差的協(xié)方差矩陣為：

(19)

(20)

其定位誤差協(xié)方差矩陣為：

(21)

無源偵察增加有源猝發(fā)探測可以大大地提高定位精度。多機(jī)協(xié)同偵察定位測量時(shí)差測量誤差均方根值為100ns，猝發(fā)式探測定位測距誤差均方根值為200m，測角誤差均方根值為1°。綜合探測定位誤差橢圓如圖4所示。

由圖4可以看出，協(xié)同偵察系統(tǒng)增加猝發(fā)式有源探測功能，可以利用兩者定位優(yōu)勢進(jìn)行互補(bǔ)，使得目標(biāo)在徑向定位精度上利用猝發(fā)式探測定位優(yōu)勢，在切向定位精度上利用多機(jī)協(xié)同偵察定位優(yōu)勢，使得總的定位精度得到提高。即使在時(shí)差測量精度為100ns、距離測量精度為200m的較差條件下，也可以獲得定位誤差均方根值為223.3m的定位精度。

圖4　綜合探測定位誤差示意圖

4　結(jié)束語

本文針對協(xié)同偵察增加猝發(fā)式有源探測的綜合探測定位性能展開分析。首先分析了對遠(yuǎn)距離目標(biāo)的多平臺協(xié)同偵察定位的定位誤差分布特征，然后分析了猝發(fā)式有源探測定位的定位性能，最后推導(dǎo)了協(xié)同偵察增加猝發(fā)探測的定位公式，分析了綜合探測定位性能。結(jié)果表明，遠(yuǎn)距離條件下，典型多平臺偵察定位可以獲得較高的切向定位精度，猝發(fā)式有源探測可以獲得較高的徑向定位精度，將無源探測和有源探測的定位信息融合，可以獲得更高的定位精度?！?/p>

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Location technology of synergy reconnaissance system adding instantaneous detection function

Sun Bing, Li Longxiang, Luo Jingqing

(Electronic Engineering Institute,Hefei 230037,Anhui,China)

Synergy reconnaissance system adding instantaneous active detection function, which make the system more concealed as well as achieve accurate algorithm, is apparently worthy of studying. The error distribution features of multi-platform synergy reconnaissance location and single-station instantaneous active location for remote target are analyzed in the issue. Then the comprehensive detection system of synergy reconnaissance adding instantaneous active detection is proposed, and the work procedure of the system is described. In the end, the maximum likelihood estimation location algorithm of the system is deduced as well as the location performance is analyzed by simulation.With simulation approach proposed,the multi-platform synergy reconnaissance systemhave good crosswise location accuracy,and the instantaneous active location have good lengthways location accuracy.So comprehensive location can make both of them complemented and improve the location performance.

synergy reconnaissance;instantaneous;location accuracy

2016-03-16；2016-05-16修回。

孫兵(1991-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槔走_(dá)及雷達(dá)對抗理論與技術(shù)。

TN95

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