单站无源定位技术研究*

(海军蚌埠士官学校 蚌埠 233012)

单站无源定位技术研究*

蓝红生古军峰王国恩

(海军蚌埠士官学校 蚌埠 233012)

在战略情报侦察中,单站无源定位可以测出雷达网的各雷达位置,同时在其它战术技术情报的基础上,进而可以推断出防御体系的布置。论文介绍单站无源定位跟踪的几种方法。

单站;无源定位

ClassNumberTN953

1 引言

用无源定位手段获取雷达的位置信息是雷达对抗侦察的重要任务。在战术行动中,精确的、实时的无源定位可以为反辐射导弹、火炮提供敌方雷达的坐标数据,为飞机、军舰提供机动回避的方向情报。其中,单站无源定位跟踪技术是利用一个观测平台,设备本身并不主动发射信号,而仅仅是靠被动接收辐射源的信息来实现定位的技术。其定位的性质有两类:一是利用未知辐射源的辐射信号,确定出该辐射源的类型及其平台位置;二是利用已知地理位置的辐射源来确定航行中物体的空间和运动信息。

2 单站无源定位和跟踪技术的基本原理

由于雷达对抗侦察设备一般不能测距,因而单站无源定位不能瞬时给出雷达目标的位置。单站定位是利用雷达对抗侦察设备与雷达辐射源间的相对运动,通过运动过程中多次测量进行定位的。其技术包括运动单站对固定辐射源定位技术和固定单站对有规律运动的运动辐射源的定位技术。

3 单站无源定位方法

3.1 到达时间定位法

对辐射源可以得到的一个测量值是信号的到达时间。由于辐射源的距离未知,其到达时间的相对变化含有目标的状态信息,要获取这些信息,必须对那些信号时间特征进行精确的测量,才能获取目标的速度信息和距离信息,进而获取辐射源目标的位置信息。

对脉冲重复周期(PRI)已知的情况:假定目标信号的PRI已知,或可通过别的途径精确获取,具有辐射源发射稳定的PRI固定脉冲信号,则可在测量目标到达时间差的基础上,测得目标在两个不同角度位置上的距离差,从而获得与目标速度和距离有关的信息。对脉冲重复周期未知的情况,实际处理可能需要将PRI的精确测量与定位计算同时进行。这时,PRI一般是未知的。我们所能获得的是若干雷达脉冲串的脉冲到达时间,将信号的PRI参数作未知参数,通过状态扩充处理,仍可建立有效的到达时间差测量方程。该方法存在着速度慢、精度低的弊端。同时,该方法的应用还受到雷达频率漂移、跳变的影响。

3.2 测向定位法

对辐射源目标进行无源测量最直接的方法就是测量辐射源信号的到达角。利用目标在某一时刻所在位置与观测站的相对位置关系,可以建立到达方位测量的观测模型的数学表达式,是研究最多、最经典的单站无源定位技术,该技术已基本趋于成熟。

测向定位法技术定位依据的基本原理是三角定位法,即利用运动的单个观测站在不同位置测得的目标方向角信息,运用交叉定位原理通过一定的定位算法确定出目标辐射源的位置(这是指对固定目标定位。当目标运动时,“交叉”无法实现,定位过程实际上是对目标运动状态的估计或拟合)。现有的测向定位算法主要是基于极大似然法或最小二乘法,包括角度误差最小、距离误差最小等。若利用非线性最小二乘法滤波进行多次序测向定位可以平滑定位误差,具有一定的成熟性和稳定性。

测向定位法的优点是只需要方向测量数据和观测站自身位置数据,数据量小,数据处理手段也相对简单。该方法的缺点是由于采用的信息量少,在实际应用中容易出现递推发散的情形,或者陷入局部极小点,导致结果的偏差。其次,当目标辐射源运行时,该方法的可重复观测性问题突出,即要求观测站必须做特殊的机动运动,而且跟踪精度直接取决于观测站运动的机动量。另外,该定位法采用三角交会,要达到较高的精度,就需要形成较大的交会角,即要较长的运行测量时间,不利于及早确定目标位置,大大影响了该方法的实用性。

3.3 多普勒频率定位法

对于连续波或者有较长持续时间的信号辐射源,到达信号的频率包含了目标—观测器相对运动引起的多普勒成分,实质上包含了目标运动的状态,在一定条件下可以解算出来。对于位置固定、发射频率固定的辐射源目标,若其辐射源频率已知,对匀速运动的观测站,只要观测点不是总在径向(LOP)上,通过三次以上的测量可以实现定位:若载频未知,在状态估计时,把它加入到状态矢量中,可以一同被估计出来。对于运动的辐射源,在跟踪过程中,为了保证辐射源的可观测性(唯一解),和单独的测向法一样,必须使观测站作机动运动,而且误差和估计精度依赖于观测站的机动特性。

3.4 方位到达时间联合定位法

由于单站可测得运动目标的方位(DOA)和脉冲到达时间(TOA)。假设目标作匀速直线运动,且脉冲列具有恒定的脉冲重复周期,测量噪声符合零值高斯分布,每次测时差、方位角时的测量噪声彼此独立。将目标设定在二维坐标系中考虑,如图1所示,侦察站位于坐标原点O(0,0)。辐射源目标t0时刻位于A(x0,y0)点,其方位角为θ(t0),而t时刻则位于B(x(t),y(t))点,其方位角为θ(t),辐射源目标以速度V从A向B方向运动,方位发生了变化。

图1 观测点与目标航迹示意图

辐射源发射相继脉冲时,目标到观测站的距离发生了变化,使得脉冲传播时间相应变化,反映到测量的TOA中,从变化的DOA和TOA信息可以提取辐射源的运动状态,从而确定目标的位置。相应的定位跟踪算法有:最优加权最小二乘估计和卡尔曼滤波联合跟踪(WLS+KF)、交互式模型定位(IFF)算法、加权修正扩展卡尔曼滤波(WMEKF)和扩展卡尔曼滤波(EKF),对一些非线性跟踪采用伪线性算法和MGKF算法。

3.5 方位-频率联合定位法

对于连续波或者有较长持续时间的目标,除了方位信息之外,还可以测量到达信号的频率。该频率包含了目标与观测站之间相对运动引起的多普勒频移,它反映了距离的变化率。一般在相对径向速度不是恒定的条件下,在一段时间内多次测量多普勒频率,可以解算出辐射源的距离。或者从多普勒变化率来理解,它可以和观测平台运动速度一起确定一条测量曲线,它和测角方向线的交点就是辐射源的位置。

方位-频率定位法即通过测量多普勒频率提取目标的距离信息,再结合测角系统所测得的方位信息对目标进行定位。该方法的估计精度高于单纯的测向定位法或频率定位法。这样使用可控制的观测站,可减少观测器的机动,增强目标的可观测性,使辐射源的定位跟踪更容易实现。

3.6 幅度-方位定位法

众所周知,雷达侦察与雷达相比,有诸多优点:隐蔽性好、作用距离远、获取信息多、预警时间长等。但雷达侦察也有它的弱点和局限性,其中的一点就是不能测距。过去,雷达侦察机只能根据接收到的雷达信号的强弱(波形观察或功率计指针指示)来大概估计雷达的远近,要测定雷达的距离和位置,通常要用两部或多部雷达侦察机进行交叉定位测距。

由于功率测量部件灵敏度及其他多种因素的影响,波形或功率计指针指示方式估计雷达距离是很粗略的,而且会把有效发射功率大的远距离雷达误认为是功率小得多的近距离雷达;多部雷达侦察机交叉定位测距,虽然能较精确地测距,但系统间的定时定位、信息传送、信息处理等需要联网并用专门的处理机来承担,使系统复杂化,实战中受到诸多条件的制约。

我们从自由空间的雷达侦察方程入手进行测距。方程式为

(1)

式中:Pr为侦察天线接收到的雷达信号功率;Pt为雷达发射的脉冲功率;Gt为雷达发射天线在侦察机指向处的增益;Ar为侦察天线在雷达方向处的有效接收面积;R为雷达距侦察机的距离。

由式(1)得:

(2)

由式(2)可见,R与被测雷达及侦察机本身的设计参数有关(Pt,Gt,Ar),同时也与两者的天线运动状态有关(Ar,Gt,Pr)。除了幅度(距离)信息外,利用非线性最小二乘法对到达角进行滤波以得到更精确的方位信息,即可得辐射源目标的位置。

3.7 测相位变化率定位法

在运动平台上放置基线为d的二天线单元构成干涉仪,测量干涉仪相位差及其变化率,即可获得辐射源的位置信息。定位原理:从几何上看,在二维平面内,相位改变与一定的目标相对角度的改变相对应:

(3)

式中:B为目标与观测站的方位角;β为角度变化率;λ为波长;d为测量基线的长度;φ为相位变化率。

恒定的相位变化率规定了目标可能存在的轨迹,对于如图2所示的几何运动,以及干涉仪基线的安置情况,其相位变化率是一个圆,且经过平台所在点O,其半径为

(4)

式中:V是平台运动速度,是已知的。干涉仪测得方向线与该图的交点即是目标的位置。相应的定位算法主要有卡尔曼滤波算法(EKF)和修正增益扩展卡尔曼滤波算法(MGEKF)。测相位变化率定位法具有快速性、准确性等优点,但它们是以增加测量的复杂性和难度为代价的。

3.8 多普勒频率变化率定位法

根据运动学原理,当观测器与目标辐射源作相对运动时,利用相互运动信息,可以实现对目标的无源定位与跟踪,如图3所示。

图2 相位变化率-方位角定位原理

图3 观测器与目标辐射度相对运动示意图

目标在Xt位置上以Vt的速度运动,而观测器在X0位置上以V0的速度运动,目标与观测器的距离为r,相对于观测器的方位角为B。可以将目标相对于观测器的运动看作是两个运动的合成,即以Vt的切向速度围绕观测器旋转和以Vr的径向速度向观测器接近。从而从切向速度Vt中提取出相位变化率,从径向速度Vr中提取出多普勒频率变化率,辅以方位信息,就可以实现单次测距的定位。利用多普勒频率变化率作为测量,是一种快速高精度的单站无源定位技术,若各测量量的测量精度满足要求,则可以在很短的时间内达到较高的测距精度。当受辐射源限制时,观测器采样率很低,依然可以通过较少的测量次数达到较高的测距精度。但该技术对多普勒频率变化率的测量精度提出了较高的要求,并成为影响定位精度的主要原因之一。

4 结语

与有源定位方法相比,无源定位方法具有作用距离远,抗干扰能力强,实现对目标的隐蔽接收、定位和跟踪的能力。对于提高系统在电子战环境下的生存能力和作战能力有重要作用。

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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

蓝红生,男,讲师,研究方向:电子对抗。古军峰,男,讲师,研究方向:舰艇指控系统。王国恩,男,讲师,研究方向:电子对抗。

TN953DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.016

(BenBu Naval Petty Officer Academy, Benbu 233012)