短波时差定位中电离层参数对定位影响仿真

攸阳 钱志刚 李吉宁 柳文

(1.海军参谋部信息通信局,北京 100841;2.中国电波传播研究所,青岛266107)

短波时差定位中电离层参数对定位影响仿真

攸阳1钱志刚2李吉宁2柳文2

(1.海军参谋部信息通信局,北京 100841;2.中国电波传播研究所,青岛266107)

在短波波段,由于电离层反射传播,电波传播路径与实际地面距离存在较大差异,传统时差定位方法不再适用．文章提出一种基于电离层射线追踪技术的时差定位技术,在此基础上,仿真分析了电离层参数对定位精度的影响．结果表明:在准确获取电离层信息情况下,本方法可准确定位目标;电离层测量误差对定位精度影响较大;站点增加可提高定位精度,降低对电离层参数获取精度要求．仿真结果为短波时差定位系统研制以及电离层参数获取精度要求提供了理论依据．

时差定位;射线追踪;电离层模型;定位误差

引 言

短波侦测定位是远距离大范围侦察监视目标定位重要的手段之一,同时,由于采用被动侦察技术,具有“反隐”的天然优势,不易被侦察对象察觉,能极大提升其战场生存能力．

短波侦测定位主要包括测向交汇定位、单站定位和时差定位．短波测向交汇定位技术利用大型阵列天线获得来波方向,利用多站测向结果,交汇确定目标位置[1];短波单站定位技术利用阵列天线获得来波方向和仰角信息,结合电离层反射高度信息确定目标位置[2];时差定位(Time Difference of Arrival, TDOA)技术不依赖阵列天线,只分析辐射信号到达各侦收站的时间差异,即可实现被动定位[3],与测向交汇定位和单站定位相比,具有设备规模小、费用低等优势,可充分利用当前分布广泛的侦收站拓展其工作效能,有效弥补现役侦察系统的业务“盲区”．

常规时差定位是通过测量移动台(目标位置)发射信号到达多个基站的距离差,确定目标位置．例如测得目标到达基站Bi和基站Bi+1的距离差,则目标定位方程为[3]:

=rr+1,i.

(1)

由式(1)可以看出,目标位于以Bi和Bi+1为焦点的双曲线上,若同时测得到达三个站(或以上)的距离差,则可以确定目标位置．常规时差定位的关键是求解非线性双曲线方程组,主要包括Chan算法[4-5]和Taylor展开法[6-7]等．

常规的时差定位方法主要适用于视距传播,对于短波超视距传播,受电离层折射传播影响,无法准确获取真实的地面距离差．因此,若以电波传播距离作为地面距离进行时差定位处理,常规时差定位方法会出现较大的定位误差．

文献[8]提出了一种基于电离层反射的短波信号时差定位方法．该方法假定在目标点附近有一个已知位置的电台,通过测量定位站与电台时差,推算电台到每个定位站的电离层高度,并将该电离层高度作为目标点到定位站的电离层高度的近似值．然而在实际工程中,电台是定频工作,该方法只能计算单一工作频率下的电离层高度,而不同频率电离层反射高度不同,因此该方法在实际应用中存在一定的局限性．

针对短波时差定位,本文在文献[8]基础上提出了一种新的短波时差定位方法,该方法不受频率限制．最后仿真分析了电离层参数对时差定位精度的影响．

1 基于射线追踪的时差定位方法

1.1定位原理

定位采用搜索方法,首先确定目标的大概位置,以该位置为中心,在一定的搜索半径内,按照一定的距离间隔将区域划分为若干网格,依次假设目标位于各网格点内,采用遍历方法,利用射线追踪技术,计算网格点到各站的电波传播距离,计算各路径时差,将时差与实际时差最接近的网格点确定为目标位置．

其中,射线追踪所需大区域电离层参数可在多站点实时探测(如电离层垂测仪、斜向探测仪和返回散射探测仪等)基础上,经反演、差值、重构获得．

1.2电离层射线追踪技术

射线追踪技术作为电波传播研究与应用的基本工具之一,通常分为两类:解析射线追踪[9-10]和数值射线追踪[11]．解析射线追踪通常是忽略地磁场和碰撞影响,并且假设电离层球形对称分布,基于特定的电离层模型获得射线传播路径参数的解析表达式．用于实现解析射线追踪的模型有准抛物[9]或分段准抛物[10]等．当电离层非均匀或者考虑地磁场和碰撞影响时,射线传播路径参数的解析表达式无法获得,需用数值方法进行求解,该方法虽然也能获得比较准确的结果,但计算量较大．本文采用解析射线追踪进行仿真．

解析射线追踪通常忽略地磁场和碰撞影响,并且假设电离层球形对称分布,基于准抛物电离层模型获得的射线传播地面距离D、群路径P′、相位路径Pr解析表达式为[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为地球半径,rb为电离层底高,β0为电波射线仰角;f为工作频率;fc为临界频率;ym为层的半厚;rm为最大电子密度的高度(简称峰高),rm=rb+ym．

电离层射线追踪详细实现方式可参考文献[9-11]．

电离层电子密度分布采用准抛物模型,该模型与实际分布相当接近,其数学表达式比较简单,方便求得解析解,其表达式为[12]

(5)

2 仿真分析

2.1三站定位仿真

本文主要分析电离层参数对定位影响,为方便分析,做以下假设:

1) 准确获取时差信息,不考虑时差提取误差;

2) 假设电离层均匀且所有反射点电离层状态相同;

3) 电离层为单F层．

对于三站定位,假设三个站坐标分别为B0(0,0)、B1(800,0)和B2(0,-500),目标位于M(0,800)点处,目标到三个站的地面距离分别为900 km、1 204.2 km和1 700 km．电离参数为:临界频率为15 MHz,底高为200 km,峰高为300 km,工作频率为15 MHz．

根据目标到B0、B1和B2三个站的地面距离D,利用射线追踪,可计算获得相应的射线路径分别为933.1 km、1 229.2 km和1 388.9 km．因此,可得站B0与站B1和B2的射线路径差P10、P20分别为296.1 km和455.7 km,下文以此路径差为基础进行仿真分析．

在准确获取电离层参数情况下,采用1.1节定位方法对目标进行定位,在目标位置周围400 km内以间距5 km划分网格,依次求解各网格点到三个站的射线路径,然后计算相应的时差,选择计算时差与实际时差差值最小的网格点为目标位置．仿真结果表明,在电离层参数准确获取情况下,本文提出的方法可以准确定位目标,如图1所示．

图1 准确获取电离层参数时定位结果

2.2电离层参数误差对定位影响分析

1) 临界频率误差对目标定位影响

保持其他参数不变,改变临界频率,分析临界频率测量出现误差时,对定位影响．图2给出了不同临界频率下的定位误差．从图2中可以看出,当临界频率大于10 MHz或大于20 MHz时,定位误差较大,最大超过400 km．

图2 不同临界频率时的定位误差 (实际临界频率为15 MHz)

2) 底高误差对目标定位影响

保持其他参数不变,改变底高,获得不同底高情况下的定位误差,如图3所示．从图中可以看出当底高在150～250 km时,时差定位误差基本在100 km以内．

图3 不同底高时的定位误差

3) 峰高误差对目标定位影响

保持其他参数不变,改变峰高参数,获得不同情况下的定位误差,如图4所示．从图中可以看出当峰高在250～350 km时,定位精度基本在100 km以内．

图4 不同峰高的定位误差

2.3四站定位仿真

为进一步分析站点增加对定位影响,仿真分析了四站情况下定位误差．

增加一个观测站(800,0),保持其他仿真参数不变,分别改变临频、底高、峰高等电离层参数,仿真不同参数下定位误差,结果如图5所示．

图5 三站与四站电离层参数变化对比图

从图5可以看出,与三站定位相比,相同电离层测量参数下,四站定位精度更高,对电离层参数的获取准确度要求更低．

2.4多层定位分析

以上给出了电离层仅存在F层时的仿真结果,而实际电离层通常由多个层构成,在四站定位下,对存在F1层和F2层电离层情况进行仿真．在保持其他参数不变情况下,分别更改各层临频、底高和峰高,结果表明:F1层电离层参数(包括临频、底高和峰高)误差对定位误差影响较F2层影响更大;其中F1层临频影响最大,误差4 MHz造成定位误差可达400 km以上．

3 结 论

本文提出了一种基于电离层射线追踪的时差定位方法,在此基础上,研究了电离层参数对定位误差的影响,结果表明:

1) 在准确获取电离层信息情况下,本方法可准确定位目标;

2) 电离层测量误差对定位精度影响较大;

3) 站点增加对于提高定位精度具有重要意义,可降低对电离层参数获取精度要求．

本文重点仿真了理想均匀电离层条件下短波时差定位方法,以及电离层参数对定位误差影响,由于电离层的复杂性,非均匀电离层情况下时差定位有待进一步分析;同时上述结论也有待进一步试验验证．

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攸阳(1978—),男,河北人,硕士,海军参谋部信息通信局工程师,主要研究方向为无线通信.

钱志刚(1991—),男,山东人,硕士,中国电波传播研究所工程师,主要研究方向为信号处理.

李吉宁(1982—),男,山东人,硕士,中国电波传播研究所高级工程师,主要研究方向为高频雷达、电离层电波传播、信号处理等.

柳文(1973—),男,湖南人,博士,研究员级高工,主要研究方向为电离层物理及电波传播等.

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

攸阳, 钱志刚, 李吉宁, 等. 短波时差定位中电离层参数对定位影响仿真[J]. 电波科学学报,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

国家自然科学基金(No.61331012)

联系人： 李吉宁 E-mail: ljnsf@126.com