协同侦察系统增加猝发探测功能的定位技术

孙　兵，李龙骧，罗景青

(电子工程学院，安徽 合肥 230037)



·技术前沿·

协同侦察系统增加猝发探测功能的定位技术

孙兵，李龙骧，罗景青

(电子工程学院，安徽 合肥 230037)

协同侦察系统增加猝发式有源探测功能，使系统既具隐蔽性又可精确定位，是一个值得研究的问题。分析对远距离目标的多平台协同侦察定位和单站猝发式有源定位的定位误差分布特点，提出了协同侦察增加猝发式有源探测的综合探测体制，描述了系统工作流程，给出了协同侦察增加猝发探测的最大似然定位算法，仿真分析了定位性能。仿真结果表明，多平台协同侦察系统有较高的切向定位精度，猝发式有源定位有较高的径向定位精度，综合定位能将二者定位性能进行优势互补，一定程度上提高定位精度。

协同侦察；猝发式；定位精度

0　引言

在进行空防时，常会遇到敌方高价值的先进作战平台，早期发现和准确确定敌方作战平台的位置有十分重要的意义。一般的有源探测容易被敌方截获和识别，面临综合电子干扰和反辐射武器攻击的威胁。而多机协同侦察系统自身不发射电磁信号，可以不被敌方发现，具有隐蔽性强的优势[1-2]，但是在敌来袭方向上的远距离目标，多机协同侦察定位只能获得较高的角度定位精度[3-5](切向定位精度)，而距离定位精度(径向定位精度)较差。为了使系统获得较高的距离定位精度，同时要求避免敌方发现己方的探测意图，使该系统具备低可探测性能，主机可以采取猝发方式发射单个脉冲进行有源探测，既避免一般有源探测信号容易被敌方截获和识别的问题，又能获得较高的距离定位精度。在此模式下，探测信号的发射方向基本上靠无源引导，精度不高，只能实现较好的测距。因此可以结合多机协同侦察定位获得的角度信息，从而获得较高的定位精度[6-8]。

本文首先分析多机协同侦察的远距离定位特点，分析在多机协同下侦察定位的定位性能，分析定位误差的分布特征。然后再分析猝发式有源探测的定位性能，最后融合协同侦察和猝发有源探测的定位信息，给出最大似然估计定位结果并分析了定位性能。

1　多机协同对远距离辐射源目标的侦察定位

为了获得较高的定位精度，多机协同对远距离辐射源目标常采用时差定位体制。

时差定位又称为双曲线定位，它是通过处理三个或更多个观测站采集到的信号到达时间之间的差值对辐射源进行定位的。在二维平面中，辐射源信号到达两测量站的时间差确定了一对以两站为焦点的双曲线，利用三站就可形成两对双曲线来产生交点，再利用测向信息排除虚假点，就能把辐射源的位置确定下来。

设系统由1个主机和2个僚机构成，待测目标位置为(x,y),假定主机位于原点，2个僚机分别位于(xi,yi)，i=1,2,3。主机到各僚机的基线长度为di(i=1,2)，目标到主机的距离为r0，目标到僚机的距离为ri(i=1,2)。设系统各站布置和目标的位置如图1所示。

图1　无源时差定位示意图

辐射源到主机和僚机的距离差为：

(1)

其中：

(2)

式中，Δri=cΔti，Δti为时差测量值。

由式(1)建立线性方程组矩阵：

(3)

其中：

(4)

解得：

(5)

式中，

(6)

在式(6)中r0有两个值，利用其中一个僚机的测向信息剔除一个虚假目标信息。

下面对时差定位法的定位精度进行分析。

对定位方程两端求微分，可以得到：

(7)

令B=C-1，得：

(8)

由于各时间差测量中均包含有主机测量到达时间的误差，因此各Δri的测量误差间是相关的。设定测量误差经系统修正后是零均值的，且站址误差各元素之间及各站址误差之间互不相关，则定位误差的协方差矩阵为：

(9)

当误差服从正态分布，误差区域是一个椭圆，称为概率误差椭圆(EEP)，这个误差椭圆能清楚地限定出辐射源位置的估计值以一定概率位于其中的位置范围，这个概率通常取50%。椭圆长轴方向为目标位置不确定分布的主要方向。本文用EEP衡量定位性能。

对于远距离的辐射源目标，当主机与僚机间的距离不大时，定位结果在距离向的可靠性较差。例如，假定目标在距离主机150km处,两僚机距离主机20km,主机与僚机成线性排列。主机坐标(0,0)，僚机1坐标(-14，14)，僚机2坐标(14,-14)，目标坐标(106.1,106.1)，单位为km。不考虑站址误差，测量时差测量误差均方根值分别为30ns、60ns和100ns时，定位误差椭圆如图2所示。

图2　时差定位定位误差椭圆

由图2可以看出，对于位置靠得较近的多个侦察站，定位误差椭球是一个以目标真实位置为中心，以目标方向为半长轴方向的细长椭圆。当时差测量精度的均方根值100ns时，切向误差的均方根值为99.3m。

如果主机与两僚机间的距离更近，则定位误差的概率椭圆更为细长。

为了提高定位精度，可以适当地增加主机与僚机间的距离。但距离的增加会带来其他方面(如通信和辐射源同时照射)的问题。

一般地说，多机协同侦察对远距离辐射源目标定位，会存在切向精度高但纵向精度太差的问题。

2　有源探测的定位性能

有源探测靠发射探测脉冲进行对平台目标的探测定位。假定发射的信号指向为θ，而利用脉冲测距可以测得目标的距离r。则目标位置与距离和方向角有如下关系：

(10)

假设距离测量值和方位值的误差为δz=[δr,δθ]T，则误差的协方差矩阵为：

(11)

对于位置矢量，求解其定位误差，包括定位误差δx=[δx,δy]T的表达式及其协方差矩阵Px。对于定位误差的表达式为：

(12)

式中系数矩阵为：

(13)

这样，对平台目标定位误差的协方差矩阵为：

(14)

式中，

(15)

对于不进行角度跟踪条件下的有源目标探测，特别是采用猝发式单脉冲测量的情况下，有源探测定位虽然可以获得高的距离向精度，但其切向精度是较差的。例如，假设主机距离目标150km，主机坐标(0,0)，目标坐标(106.1,106.1)，单位km。主机测距误差均方根值分别为50m，100m，200m，角度误差分别对应为0.5°、0.8°和1°，其误差椭圆如图3所示。

图3　有源探测定位误差椭圆

由图3可以看出，猝发式有源探测定位误差椭圆是一个以目标真实位置为中心、以目标方向为半短轴方向的椭圆。说明猝发式有源探测在距离上定位精度较高，而在角度方向上基本上靠无源引导，精度不高。

3　协同侦察增加猝发功能的综合探测定位

本文提出的协同侦察增加猝发探测的综合探测定位模式，由一个主机和多个僚机组成的系统完成。

3.1系统的工作流程

协同侦察增加猝发探测的综合探测系统的工作流程为：

1)协同侦察定位

由主机和僚机协同对目标上的辐射源进行协同侦察定位，无源定位系统可在切向得到较高的定位精度。

2)主机猝发单脉冲测距

根据无源侦察的结果，经可威胁识别和可靠性估计，对感兴趣的辐射源目标，根据无源探测结果，可粗略估计目标是否进入有源探测作用距离范围，并据无源侦察得到的方向，向该方向猝发探测脉冲，获得高的距离定位精度。

由于无源侦察是单程传播，较有源探测具有明显距离优势，可比雷达更早发现目标。因此在系统先工作在无源侦察模式。经估计目标在有源探测范围后，发射探测脉冲，若能有效测距，则完成有源无源结合的定位任务；若不能完成有效探测，可能目标在有源探测范围之外，可过一段时间再用发射一个探测脉冲进行有源探测。这样，可以解决有源无源探测的距离匹配问题。

3)综合探测与定位

首先对有源探测的结果进行综合分析，当无源侦察和有源探测均为有效探测时，经确认无源侦察的辐射源与有源探测的平台是同一平台时，进行综合定位计算。

3.2综合探测定位计算

设多机协同侦察获得目标位置为：

(16)

猝发式探测获得目标位置为：

(17)

多机协同侦察定位误差的协方差矩阵为：

(18)

猝发式探测定位误差的协方差矩阵为：

(19)

(20)

其定位误差协方差矩阵为：

(21)

无源侦察增加有源猝发探测可以大大地提高定位精度。多机协同侦察定位测量时差测量误差均方根值为100ns，猝发式探测定位测距误差均方根值为200m，测角误差均方根值为1°。综合探测定位误差椭圆如图4所示。

由图4可以看出，协同侦察系统增加猝发式有源探测功能，可以利用两者定位优势进行互补，使得目标在径向定位精度上利用猝发式探测定位优势，在切向定位精度上利用多机协同侦察定位优势，使得总的定位精度得到提高。即使在时差测量精度为100ns、距离测量精度为200m的较差条件下，也可以获得定位误差均方根值为223.3m的定位精度。

图4　综合探测定位误差示意图

4　结束语

本文针对协同侦察增加猝发式有源探测的综合探测定位性能展开分析。首先分析了对远距离目标的多平台协同侦察定位的定位误差分布特征，然后分析了猝发式有源探测定位的定位性能，最后推导了协同侦察增加猝发探测的定位公式，分析了综合探测定位性能。结果表明，远距离条件下，典型多平台侦察定位可以获得较高的切向定位精度，猝发式有源探测可以获得较高的径向定位精度，将无源探测和有源探测的定位信息融合，可以获得更高的定位精度。■

[1]贺平,等.雷达对抗原理[M].北京:国防工业出版社,2016.

[2]张奎,罗景青,马贤同.基于时差测量的多目标位置信息场定位方法[J].探测与控制学报,2014,36(4): 78-82.

[3]马贤同.多目标位置信息场无源定位技术研究[D].合肥:电子工程学院,2013.

[4]曲长文,王昌海,徐征.基于时差序列的多机无源定位算法研究[J].现代雷达,2013,35(3):45-49.

[5]李红伟,何青益,李淳.运动多站无源时差定位的CRLB推导与分析[J].弹箭与制导学报,2013,33(6):167-170.

[6]程东升,李侠,周峻威.有源、无源联合探测系统综合性能分析[J].火力与指挥控制,2009,34(9):95-98.

[7]程东升,李侠,万山虎.无源/有源联合探测系统站点部署与探测性能分析[J].现代防御技术,2008,36(5):135-141.

[8]张政超,李文臣.有源无源一体模式下目标定位及其精度分析[J]. 电讯技术,2012,52(11):1758-1762.

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。

孙兵(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为雷达及雷达对抗理论与技术。

TN95

A