多站时差定位关键技术研究

田 达，唐英巡，杨树树，侯庆禹，马 琴

（1.中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007；2.中国人民解放军91635部队，北京 102249）

0 引言

对地面雷达辐射源进行无源探测定位是电子侦察的一项重要任务。侦察定位体制选择与辐射源信号特点、观测平台运动特性、应用要求等因素有关［1－3］。常见体制包括测向交叉、相位差变化率、长基线时差、差分多普勒等等。考虑到多数地面雷达以脉冲工作方式为主，信号波形持续时间相对较短、带宽较宽，有利于时差精确测量，因此长基线时差定位成为电子侦察多站定位体制的首选。与其他定位体制相比，长基线时差定位可以实现较高的定位精度，且定位所需时间短（理论上单次时差测量即可实现目标定位），特别适合电子支援或情报侦察作战应用。

本文提出一种多站目标精确定位方法，利用多个机动侦察站同步观测获得雷达辐射源时差信息，通过定位跟踪算法实现目标位置精确估计，只需三站即可测得地面目标的位置坐标。该方法具有较大的灵活性，适用于多种观测平台，且可方便地推广应用于更多机动平台组网观测，以提高侦察定位精度和稳健性。分析了精确时差测量、辐射源定位跟踪等关键技术，并进行了性能分析仿真。

1 系统方案

多站目标精确定位系统由三个侦察站和一个指挥控制中心组成，如图1所示。各侦察站保持严格时间同步，共同测得辐射源位置信息。指挥控制中心负责控制各侦察站平台的姿态、布站构形，根据需要调整平台位置姿态，形成最佳布站构形，达到最佳定位效果。

侦察站按照功能划分为一个主站和两个副站。主站除完成辐射源信号截获、参数测量、分析、给出辐射源信号描述字外，还负责多站定位系统工作时序和方式控制，将脉冲描述字（PDW）和控制信息以广播方式发送至副站。主站可接收副站回传的脉冲到达时间（TOA）测量结果和平台自定位数据，根据这些信息解算辐射源位置。副站在主站控制下，在指定频段上进行信号的跟踪侦收，测量脉冲信号的TOA，将测量结果和平台自定位数据经过微波链路回传到主站。

图1 多站目标精确定位系统

考虑到多站目标精确定位系统应用特点，主站、副站可采用相同任务载荷设计，包括侦察接收机、辐射源目标数据库、数据处理单元、二次电源等模块。此外，还有时间同步单元、控制单元、系统接口单元、通信链路、GPS导航等其他航电设备，如图2所示。

图2 设备组成框图

其中，侦察接收机实现辐射源信号截获和脉冲参数（RF，PW，PA及TOA）精确测量功能，编码产生脉冲描述字（PDW）；数据处理单元可对侦察接收机输出的PDW进行分析处理，实现脉冲分选和配对，提取时差，结合各侦察站的平台位置信息对辐射源进行定位跟踪处理，更新辐射源目标数据库；辐射源目标数据库用于存放历史的和当前的关于辐射源的描述数据，为目标识别和信号分选提供支持；GPS导航系统负责提供平台位置和速度信息；时间同步单元提供系统所需的高稳定度的1PPS同步秒脉冲和参考频率源；通信链路实现主站与各副站之间以及各站与指挥控制中心之间的通信数据传输；系统接口单元提供与控制单元及武器系统等其它系统的接口；控制单元用于系统协调管控，并实现对系统工作状态的监视。

2 高精度时差测量［4］

雷达信号多采用脉冲工作方式，因此雷达信号时差提取可通过测量脉冲TOA得到，处理过程依次包括TOA测量、脉冲信号分选配对、TOA比对等几大步骤，如图3所示。该方法可以较好地适应脉冲工作环境，并且主副站之间转发数据量小，不需要大容量的站间通信链路。

图3 基于TOA的时差提取流程

与传统模拟视频脉冲检测处理方式不同，本方案采用基于小波分析的方法实现雷达脉冲TOA精确测量，具有更高的灵敏度和测量精度。基本原理是通过自相关得到脉冲包络并初步确定上升沿的位置，用Haar小波对脉冲包络进行单尺度变换，通过小波变换WT（a，n）模值的峰点位置检测出脉冲前沿。基于小波分析的TOA精确测量处理流程如图4所示。

图4 基于小波分析的TOA测量算法流程

TOA测量性能试验仿真如图5所示。基于TOA测量的时差提取方法需要主副站之间采用相同的时间基准，即各侦察站在时间上严格保持同步，这可通过微波双向时间传递（TWTT）技术［5］实现，各平台自带高精度原子钟，通过微波无线链路实现双向时间传递，修正本地钟差，该方法对链路速率要求不高，适用于机动平台，可实现5ns以内同步精度。

3 辐射源定位跟踪

3.1 单次测量定位算法

设各侦察站平台位置分别为（x0，y0，z0）、（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2），辐射源的位置为xt＝（x，y，z）。以（x0，y0，z0）位置观测站为参考（主站），副站侦收信号相对主站侦收信号的到达时差分别为Δt1、Δt2，则辐射源位置坐标满足如下方程组（观测方程）：

对于地球表面的辐射源，其位置坐标还满足WGS－84地球椭球面约束方程：

式中，c为光速，N＝a（1－e2sin2B）－1/2为目标所在点的卯酉圈曲率半径，a为地球半长轴，e为第一偏心率，B为目标纬度，h为目标高程。联立上述方程组进行求解，即得到辐射源的位置坐标。

给定一组混有噪声的量测方程：

图5 TOA测量试验仿真

式中，nk为第k次观测的零均值测量噪声。未知噪声统计特性的情况下，最小二乘是一种合理的最优估计准则，即目标位置估计：

式中，向量γ＝［γ1，…，γK］T，f（xt）＝（f1（xt），…，fK（xt））T。

为便于处理，将函数f（xt）在初始点xt0＝（xt0，yt0，zt0）T处用一阶泰勒公式展开，获得线性化近似，即：

式中：

分别为位置增量和函数fk（xt）的梯度向量。将式（3）、（5）代入式（4），即得：

式中：

得出上述方程的最小二乘解：

在各观测站时差测量误差的协方差阵Rn＝E｛［n－E｛n｝］［n－E｛n｝］T｝已知的情况下，则有加权最小二乘解：

需要说明的是，上述方法是一种递推迭代方法。统计分析表明，只要选取的迭代初值xt0距离真值不是太远，该方法均收敛于真值附近，并提供统计意义下的无偏估计［2］。迭代初值可根据辐射源所处位置区域的先验信息确定。与其它时差定位系统一样，多站编队构形设计（侦察平台航迹）直接影响定位精度。

3.2 滤波跟踪算法

利用编队飞行过程中的多次时差测量进行滤波处理，可以进一步提高定位精度。对于固定辐射源，状态方程为：

测量方程为：

根据推广的Kalman滤波公式，结合状态方程式可得：

式中：

4 定位性能仿真

假设编队飞行高度18km，主副站间距30km，时差测量精度20ns，平台自定位精度1m。多站目标精确定位误差分布的计算结果（单次定位，未经滤波处理）如图6所示。在x、y方向±500km条带区域内，三站定位误差基本＜1%R。

图6 三站定位精度分布

为了进一步提高定位精度，在定位过程中采用滤波处理，500km距离目标的定位误差收敛典型曲线如图7所示，其滤波时间间隔为0.1s。表明，经过5s时间滤波，定位误差收敛到500m以内。

图7 三站定位滤波处理

5 结束语

本文提出的多站目标精确定位方法具有观测站少、原理简单、组网灵活的优点，可以推广应用于任意机动观测平台。与传统处理方式相比，该方法采用先进数字信号处理技术实现脉冲信号检测和TOA参数测量，具有更高的灵敏度和测量精度，能够较好地适应脉冲工作环境，并且主副站之间转发数据量小，不需要大容量的站间通信链路。采用的滤波跟踪算法可实现快速高精度定位，在电子侦察应用中具有良好的应用前景。

［1］Paradowski LR.Microwave emitter position location：present and future［C］∥12thInternational Conference on Microwaves and Radar，MIKON’98，1998，4：97－116.

［2］Torrieri DJ.Statistical theory of passive location systems［J］.IEEE Trans.on Aerospace and Electronic Systems，1984，20（2）：183－198.

［3］Mellen GII，Pachter M，Raquet J.Closed－form solution for determining emitter location using time difference of arrival measurements［J］.IEEE Trans.on Aerospace and Electronic Systems，2003，39（3）：1056－1058.

［4］周一宇，钟丹星，谢恺.三星座对地面辐射源的时差定位方法研究［C］∥电子战新概念新理论新技术第十一届学术年会论文集，2003：146－151.

［5］Warriner J，et al.Real－time two－way time transfer to aircraft［C］∥38thAnnual Precise Time and Time Interval（PTTI）Meeting，ADA474550，2007.