攸陽(yáng) 錢(qián)志剛 李吉寧 柳文

(1.海軍參謀部信息通信局,北京 100841;2.中國(guó)電波傳播研究所,青島266107)

短波時(shí)差定位中電離層參數(shù)對(duì)定位影響仿真

攸陽(yáng)1錢(qián)志剛2李吉寧2柳文2

(1.海軍參謀部信息通信局,北京 100841;2.中國(guó)電波傳播研究所,青島266107)

在短波波段,由于電離層反射傳播,電波傳播路徑與實(shí)際地面距離存在較大差異,傳統(tǒng)時(shí)差定位方法不再適用．文章提出一種基于電離層射線(xiàn)追蹤技術(shù)的時(shí)差定位技術(shù),在此基礎(chǔ)上,仿真分析了電離層參數(shù)對(duì)定位精度的影響．結(jié)果表明:在準(zhǔn)確獲取電離層信息情況下,本方法可準(zhǔn)確定位目標(biāo);電離層測(cè)量誤差對(duì)定位精度影響較大;站點(diǎn)增加可提高定位精度,降低對(duì)電離層參數(shù)獲取精度要求．仿真結(jié)果為短波時(shí)差定位系統(tǒng)研制以及電離層參數(shù)獲取精度要求提供了理論依據(jù)．

時(shí)差定位;射線(xiàn)追蹤;電離層模型;定位誤差

引 言

短波偵測(cè)定位是遠(yuǎn)距離大范圍偵察監(jiān)視目標(biāo)定位重要的手段之一,同時(shí),由于采用被動(dòng)偵察技術(shù),具有“反隱”的天然優(yōu)勢(shì),不易被偵察對(duì)象察覺(jué),能極大提升其戰(zhàn)場(chǎng)生存能力．

短波偵測(cè)定位主要包括測(cè)向交匯定位、單站定位和時(shí)差定位．短波測(cè)向交匯定位技術(shù)利用大型陣列天線(xiàn)獲得來(lái)波方向,利用多站測(cè)向結(jié)果,交匯確定目標(biāo)位置[1];短波單站定位技術(shù)利用陣列天線(xiàn)獲得來(lái)波方向和仰角信息,結(jié)合電離層反射高度信息確定目標(biāo)位置[2];時(shí)差定位(Time Difference of Arrival, TDOA)技術(shù)不依賴(lài)陣列天線(xiàn),只分析輻射信號(hào)到達(dá)各偵收站的時(shí)間差異,即可實(shí)現(xiàn)被動(dòng)定位[3],與測(cè)向交匯定位和單站定位相比,具有設(shè)備規(guī)模小、費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì),可充分利用當(dāng)前分布廣泛的偵收站拓展其工作效能,有效彌補(bǔ)現(xiàn)役偵察系統(tǒng)的業(yè)務(wù)“盲區(qū)”．

常規(guī)時(shí)差定位是通過(guò)測(cè)量移動(dòng)臺(tái)(目標(biāo)位置)發(fā)射信號(hào)到達(dá)多個(gè)基站的距離差,確定目標(biāo)位置．例如測(cè)得目標(biāo)到達(dá)基站Bi和基站Bi+1的距離差,則目標(biāo)定位方程為[3]:

=rr+1,i.

(1)

由式(1)可以看出,目標(biāo)位于以Bi和Bi+1為焦點(diǎn)的雙曲線(xiàn)上,若同時(shí)測(cè)得到達(dá)三個(gè)站(或以上)的距離差,則可以確定目標(biāo)位置．常規(guī)時(shí)差定位的關(guān)鍵是求解非線(xiàn)性雙曲線(xiàn)方程組,主要包括Chan算法[4-5]和Taylor展開(kāi)法[6-7]等．

常規(guī)的時(shí)差定位方法主要適用于視距傳播,對(duì)于短波超視距傳播,受電離層折射傳播影響,無(wú)法準(zhǔn)確獲取真實(shí)的地面距離差．因此,若以電波傳播距離作為地面距離進(jìn)行時(shí)差定位處理,常規(guī)時(shí)差定位方法會(huì)出現(xiàn)較大的定位誤差．

文獻(xiàn)[8]提出了一種基于電離層反射的短波信號(hào)時(shí)差定位方法．該方法假定在目標(biāo)點(diǎn)附近有一個(gè)已知位置的電臺(tái),通過(guò)測(cè)量定位站與電臺(tái)時(shí)差,推算電臺(tái)到每個(gè)定位站的電離層高度,并將該電離層高度作為目標(biāo)點(diǎn)到定位站的電離層高度的近似值．然而在實(shí)際工程中,電臺(tái)是定頻工作,該方法只能計(jì)算單一工作頻率下的電離層高度,而不同頻率電離層反射高度不同,因此該方法在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性．

針對(duì)短波時(shí)差定位,本文在文獻(xiàn)[8]基礎(chǔ)上提出了一種新的短波時(shí)差定位方法,該方法不受頻率限制．最后仿真分析了電離層參數(shù)對(duì)時(shí)差定位精度的影響．

1 基于射線(xiàn)追蹤的時(shí)差定位方法

1.1定位原理

定位采用搜索方法,首先確定目標(biāo)的大概位置,以該位置為中心,在一定的搜索半徑內(nèi),按照一定的距離間隔將區(qū)域劃分為若干網(wǎng)格,依次假設(shè)目標(biāo)位于各網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi),采用遍歷方法,利用射線(xiàn)追蹤技術(shù),計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)到各站的電波傳播距離,計(jì)算各路徑時(shí)差,將時(shí)差與實(shí)際時(shí)差最接近的網(wǎng)格點(diǎn)確定為目標(biāo)位置．

其中,射線(xiàn)追蹤所需大區(qū)域電離層參數(shù)可在多站點(diǎn)實(shí)時(shí)探測(cè)(如電離層垂測(cè)儀、斜向探測(cè)儀和返回散射探測(cè)儀等)基礎(chǔ)上,經(jīng)反演、差值、重構(gòu)獲得．

1.2電離層射線(xiàn)追蹤技術(shù)

射線(xiàn)追蹤技術(shù)作為電波傳播研究與應(yīng)用的基本工具之一,通常分為兩類(lèi):解析射線(xiàn)追蹤[9-10]和數(shù)值射線(xiàn)追蹤[11]．解析射線(xiàn)追蹤通常是忽略地磁場(chǎng)和碰撞影響,并且假設(shè)電離層球形對(duì)稱(chēng)分布,基于特定的電離層模型獲得射線(xiàn)傳播路徑參數(shù)的解析表達(dá)式．用于實(shí)現(xiàn)解析射線(xiàn)追蹤的模型有準(zhǔn)拋物[9]或分段準(zhǔn)拋物[10]等．當(dāng)電離層非均勻或者考慮地磁場(chǎng)和碰撞影響時(shí),射線(xiàn)傳播路徑參數(shù)的解析表達(dá)式無(wú)法獲得,需用數(shù)值方法進(jìn)行求解,該方法雖然也能獲得比較準(zhǔn)確的結(jié)果,但計(jì)算量較大．本文采用解析射線(xiàn)追蹤進(jìn)行仿真．

解析射線(xiàn)追蹤通常忽略地磁場(chǎng)和碰撞影響,并且假設(shè)電離層球形對(duì)稱(chēng)分布,基于準(zhǔn)拋物電離層模型獲得的射線(xiàn)傳播地面距離D、群路徑P′、相位路徑Pr解析表達(dá)式為[9]:

D=r0(βb-β0)+

(2)

(3)

(4)

式中:A=1-(fc/f)2+(fcrb/(fym))2;

B=-2rm(fcrb/(fym))2;

X=Ar2+Br+C;

βb=cos-1((r0/rb)cosβ0),r0為地球半徑,rb為電離層底高,β0為電波射線(xiàn)仰角;f為工作頻率;fc為臨界頻率;ym為層的半厚;rm為最大電子密度的高度(簡(jiǎn)稱(chēng)峰高),rm=rb+ym．

電離層射線(xiàn)追蹤詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方式可參考文獻(xiàn)[9-11]．

電離層電子密度分布采用準(zhǔn)拋物模型,該模型與實(shí)際分布相當(dāng)接近,其數(shù)學(xué)表達(dá)式比較簡(jiǎn)單,方便求得解析解,其表達(dá)式為[12]

(5)

2 仿真分析

2.1三站定位仿真

本文主要分析電離層參數(shù)對(duì)定位影響,為方便分析,做以下假設(shè):

1) 準(zhǔn)確獲取時(shí)差信息,不考慮時(shí)差提取誤差;

2) 假設(shè)電離層均勻且所有反射點(diǎn)電離層狀態(tài)相同;

3) 電離層為單F層．

對(duì)于三站定位,假設(shè)三個(gè)站坐標(biāo)分別為B0(0,0)、B1(800,0)和B2(0,-500),目標(biāo)位于M(0,800)點(diǎn)處,目標(biāo)到三個(gè)站的地面距離分別為900 km、1 204.2 km和1 700 km．電離參數(shù)為:臨界頻率為15 MHz,底高為200 km,峰高為300 km,工作頻率為15 MHz．

根據(jù)目標(biāo)到B0、B1和B2三個(gè)站的地面距離D,利用射線(xiàn)追蹤,可計(jì)算獲得相應(yīng)的射線(xiàn)路徑分別為933.1 km、1 229.2 km和1 388.9 km．因此,可得站B0與站B1和B2的射線(xiàn)路徑差P10、P20分別為296.1 km和455.7 km,下文以此路徑差為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真分析．

在準(zhǔn)確獲取電離層參數(shù)情況下,采用1.1節(jié)定位方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位,在目標(biāo)位置周?chē)?00 km內(nèi)以間距5 km劃分網(wǎng)格,依次求解各網(wǎng)格點(diǎn)到三個(gè)站的射線(xiàn)路徑,然后計(jì)算相應(yīng)的時(shí)差,選擇計(jì)算時(shí)差與實(shí)際時(shí)差差值最小的網(wǎng)格點(diǎn)為目標(biāo)位置．仿真結(jié)果表明,在電離層參數(shù)準(zhǔn)確獲取情況下,本文提出的方法可以準(zhǔn)確定位目標(biāo),如圖1所示．

圖1 準(zhǔn)確獲取電離層參數(shù)時(shí)定位結(jié)果

2.2電離層參數(shù)誤差對(duì)定位影響分析

1) 臨界頻率誤差對(duì)目標(biāo)定位影響

保持其他參數(shù)不變,改變臨界頻率,分析臨界頻率測(cè)量出現(xiàn)誤差時(shí),對(duì)定位影響．圖2給出了不同臨界頻率下的定位誤差．從圖2中可以看出,當(dāng)臨界頻率大于10 MHz或大于20 MHz時(shí),定位誤差較大,最大超過(guò)400 km．

圖2 不同臨界頻率時(shí)的定位誤差 (實(shí)際臨界頻率為15 MHz)

2) 底高誤差對(duì)目標(biāo)定位影響

保持其他參數(shù)不變,改變底高,獲得不同底高情況下的定位誤差,如圖3所示．從圖中可以看出當(dāng)?shù)赘咴?50～250 km時(shí),時(shí)差定位誤差基本在100 km以?xún)?nèi)．

圖3 不同底高時(shí)的定位誤差

3) 峰高誤差對(duì)目標(biāo)定位影響

保持其他參數(shù)不變,改變峰高參數(shù),獲得不同情況下的定位誤差,如圖4所示．從圖中可以看出當(dāng)峰高在250～350 km時(shí),定位精度基本在100 km以?xún)?nèi)．

圖4 不同峰高的定位誤差

2.3四站定位仿真

為進(jìn)一步分析站點(diǎn)增加對(duì)定位影響,仿真分析了四站情況下定位誤差．

增加一個(gè)觀測(cè)站(800,0),保持其他仿真參數(shù)不變,分別改變臨頻、底高、峰高等電離層參數(shù),仿真不同參數(shù)下定位誤差,結(jié)果如圖5所示．

圖5 三站與四站電離層參數(shù)變化對(duì)比圖

從圖5可以看出,與三站定位相比,相同電離層測(cè)量參數(shù)下,四站定位精度更高,對(duì)電離層參數(shù)的獲取準(zhǔn)確度要求更低．

2.4多層定位分析

以上給出了電離層僅存在F層時(shí)的仿真結(jié)果,而實(shí)際電離層通常由多個(gè)層構(gòu)成,在四站定位下,對(duì)存在F1層和F2層電離層情況進(jìn)行仿真．在保持其他參數(shù)不變情況下,分別更改各層臨頻、底高和峰高,結(jié)果表明:F1層電離層參數(shù)(包括臨頻、底高和峰高)誤差對(duì)定位誤差影響較F2層影響更大;其中F1層臨頻影響最大,誤差4 MHz造成定位誤差可達(dá)400 km以上．

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于電離層射線(xiàn)追蹤的時(shí)差定位方法,在此基礎(chǔ)上,研究了電離層參數(shù)對(duì)定位誤差的影響,結(jié)果表明:

1) 在準(zhǔn)確獲取電離層信息情況下,本方法可準(zhǔn)確定位目標(biāo);

2) 電離層測(cè)量誤差對(duì)定位精度影響較大;

3) 站點(diǎn)增加對(duì)于提高定位精度具有重要意義,可降低對(duì)電離層參數(shù)獲取精度要求．

本文重點(diǎn)仿真了理想均勻電離層條件下短波時(shí)差定位方法,以及電離層參數(shù)對(duì)定位誤差影響,由于電離層的復(fù)雜性,非均勻電離層情況下時(shí)差定位有待進(jìn)一步分析;同時(shí)上述結(jié)論也有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證．

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攸陽(yáng)(1978—),男,河北人,碩士,海軍參謀部信息通信局工程師,主要研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)通信.

錢(qián)志剛(1991—),男,山東人,碩士,中國(guó)電波傳播研究所工程師,主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理.

李吉寧(1982—),男,山東人,碩士,中國(guó)電波傳播研究所高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)楦哳l雷達(dá)、電離層電波傳播、信號(hào)處理等.

柳文(1973—),男,湖南人,博士,研究員級(jí)高工,主要研究方向?yàn)殡婋x層物理及電波傳播等.

SimulationontheeffectofionosphericparametersonTDOAlocationinshortwave

YOUYang1QIANZhigang2LIJining2LIUWen2

(1.InformationandCommunicationBureauoftheChineseNavyStaff,Beijing100841,China;2.ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

In the short wave band, traditional time difference of arrival(TDOA) location method is no longer applicable for the big difference between the radio path and the actual ground distance brought on by the ionospheric reflection propagation. A new TDOA location method based on ray tracing technique is proposed, and the influence of ionospheric parameters on location precision is analyzed. The results show that in obtaining accurate ionospheric information, the proposed method can accurately locate the target; ionospheric measurement error greatly affects the location precision; increase the number of sites can improve location precision and reduce the precision requirements of the ionospheric parameters. The simulation results provide a theoretical basis for the development of the short wave TDOA location system and the precision requirement of the ionospheric parameters.

TDOA location; raytracing; ionosphere model; location error

攸陽(yáng), 錢(qián)志剛, 李吉寧, 等. 短波時(shí)差定位中電離層參數(shù)對(duì)定位影響仿真[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2017,32(4):462-466.

10.13443/j.cjors.2017033002

YOU Y, QIAN Z G, LI J N, et al. Simulation on the effect of ionospheric parameters on TDOA location in short wave[J]. Chinese journal of radio science,2017,32(4):462-466. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2017033002

TN01

A

1005-0388(2017)04-0462-05

DOI10.13443/j.cjors.2017033002

2017-03-30

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.61331012)

聯(lián)系人： 李吉寧 E-mail: ljnsf@126.com