无源定位技术在水面舰艇上的应用分析∗

侯志楠 谢志军

（1.中国人民解放军91404部队91分队 秦皇岛 066000）（2.中国空气动力研究与发展中心 绵阳 621000）

1 引言

现代海战中，先敌发现、先敌攻击是取得战斗胜利的关键。用于探测发现目标的现代雷达是一种主动发射信号的大功率电磁辐射源，虽然能够准确地获得目标的方位和距离等信息，但很容易被敌方侦察、定位，并对其攻击和干扰；80年代出现的隐身技术与远距离掩护干扰手段结合使用，使雷达对隐身目标的探测非常困难；同时舰载雷达信号由于地球曲率或海面反射产生波瓣上翘，形成低空盲区以及低空探测海面杂波影响严重的特点，很难发现低空突防的攻击飞机或导弹。因此现代雷达面临着电子干扰、反辐射导弹攻击、隐身突防、低空突防四大威胁。无源定位是解决以上难题的一个有效途径，无源定位指的是使用被动式侦察设备接收辐射源信号，并定出辐射源的位置。无源定位本身不发射电磁信号，因此隐蔽性很高，不存在被敌发现，被敌干扰的问题，也不会受到反辐射导弹的攻击。另外，无源定位的作用距离通常比主动式设备的作用距离要远，一般是主动式设备作用距离的1.2～1.5倍。电子侦察设备还能测量辐射源目标的信号特征参数，可以利用隐身目标和低空突防目标的雷达等电磁辐射信号，探测和识别隐身目标和低空突防目标。因此，无源定位探测设备具有良好的抗电子干扰和抗反辐射导弹攻击的能力，以及一定的对隐身目标和低空突防目标的探测能力［1～3］。

由于无源探测是传感器本身不发射电磁波，只是被动接收目标辐射的、反射的和散射的电磁波，只能测量到目标的辐射特征、目标到达角、到达时间或时间差，不能直接测量目标的距离信息，因此无源探测比较难获得目标状态的良好估计。按观测站个数划分，无源定位可分为单站无源定位与多站无源定位。单站无源定位利用单个运动平台对目标连续测向进行定位和跟踪，多站无源定位利用多个平台同时测量目标信号到达角度或者到达时间差进行定位和跟踪，这其中又包括时差定位和测向交叉定位。单站无源定位战术使用灵活，但面对复杂战场电磁环境，不易及时准确地获取战场信息。多站无源定位综合利用多个观测站的无源探测信息及空间差异性，有助于及时准确地获取战场信息，但存在各站协同复杂等问题［4～6］。

本文充分利用海战场信息，针对水面舰艇对无源定位技术的使用需求，对单站和多站无源定位技术进行研究。从单站无源定位技术、多站无源定位技术、无源定位系统及发展展望等几个方面进行阐述。

2 单站无源定位技术

单站定位技术用单个运动的平台对辐射源进行连续测量，在获取一定量定位信息积累的基础上进行适当数据处理以获取辐射源的定位数据。从几何意义上说就是用多个定位曲线（或曲面）的交汇实现定位。常用的单平台无源定位的方法有采用测向信息的测向定位法、采用方位和到达时间的到达时间定位法、采用方位和多普勒频率的多普勒频率定位法以及多模型法［7］。

2.1 测向定位法

测向定位法是一种经典的无源定位方法，该方法依据三角定位基本原理，利用平台机动在不同位置测得的辐射源方位角信息，运用交叉定位原理通过一定的定位算法确定出固定辐射源的位置。由于辐射源处于机动状态，无法使用交叉定位方法实现对目标的定位，因此采用对辐射源进行的多次测向结果结合平台的特殊机动进行相关的算法处理对目标运动状态进行估计和拟合。在此基础上引入相位变化率信息进行定位的约束条件明显放宽，而且定位速度和定位精度都得到较大提高。

图1 相位差示意图

如图所示，设运动平台上的两个天线阵元A1和A2接收的来波信息相位差为：

其中：·0为来波角频率，·t为来波到达A1和A2两个天线阵元的时间差，c为电磁波的传播速度，D为阵元间距，且假定D远小于运动平台到辐射源之间的距离，f0为来波频率。对上式求导后可求得相位变化率φ(t)，由相位变化率φ(t)和传感器所测得的方位角β(t)经过一定的数学运算就可确定目标位置。

2.2 到达时间定位法

到达时间定位法是对于径向运动辐射源，由于辐射源距离未知，其辐射信号到达观测平台时间的相对变化包含了辐射源的状态信息。从该信息中获得辐射源的速度信息和距离信息，进而获得其位置信息［8］。

若辐射源脉冲重复周期（PRI）已知并且恒定，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，如图2所示。

图2 到达时间定位法原理图

观测平台位于坐标原点，辐射源由A向B匀速运动。设Tr为辐射源脉冲重复周期，辐射源位于A点时，观测平台于t1时刻接收到第i组脉冲串的某一个脉冲；辐射源位于B点时，观测平台于ti+1时刻接收到第（i+1）组脉冲串的某一个辐射源脉冲。在无测量噪声的情况下，到达时间差为

式中：i=1，2，…；N（i+1）为时间差内辐射源发射的脉冲数；c为光速；r为距离，即

式中：Vx、Vy与规定的正方向同向为正，反向为负。将式（2）、（3）代入式（1）中，便得到有4个未知量的方程。假设一个未知量为已知的情况下，且当测量参数超过3次时，可以采用最小二乘法对另外3个参数进行估计。估计的结果均是以假设的已知量为参数的，可以在方程中消去从而得到辐射源的位置和速度。若PRI未知，实际处理可能需要将PRI的精确测量与定位计算同时进行。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，通过状态扩充处理可建立有效的到达时间差测量方程。

2.3 多普勒频率定位法

多普勒频率是由于观测平台与目标之间存在径向运动而引起的。当观测平台和目标作相对运动时，这种运动可以分解为径向和切向两个分量。其径向运动分量包含了辐射源—观测平台相对运动引起的多普勒频率成分，实质上包含了目标的运动状态，当辐射源距离接收机越近、越靠近径向方向、辐射源和传感器平台直接的相对运动速度越高、辐射源信号频率越高、接收机之间的基线越长，则多普勒频率差越大，定位精度越高；当辐射源距离接收机越远、越靠近切向方向，多普勒频率差越小，定位误差越大［9］。

对于单平台多普勒频率定位而言，可以分为固定单平台对运动辐射源定位、运动单平台对固定辐射源定位和运动单平台对运动辐射源定位。以运动单平台对固定辐射源定位为例（其他两种定位方法原理相同），它是利用定位平台上两部接收机所侦收到的辐射源信号的频率差来确定辐射源位置的一种定位技术，如图3所示。

图3 平台与辐射源的位置关系图

P1、P2为平台上的两部接收机，坐标为Pi(xi，yi)，i=1，2，平台的运动速度为V。辐射源T坐标为T（x，y），其信号频率为 fc。在某一时刻两部接收机接收到的辐射源信号频率分别为

上式相减，即得到多普勒频率差 fD，实际的测量方程中含有噪声。通过上式表明多普勒频率差是目标位置、接收机位置和接收机运动状态的函数。当接收机参数已知时，该方程确定了一个包含目标在内的曲面。如果得到多个这样的曲面则可以通过曲面的交汇得到目标的位置，实现对目标的定位。若载频未知，在状态估计时加入到状态矢量中，可以一同估计出来。

若辐射源处于运动状态，定位的关键在于对其运动速度的确定，引入测频信息可以确定目标的运动速度。同时为了保证辐射源的可观测性（唯一解），必须使观测平台作某种机动，而且误差和估计精度依赖于观测站的机动特征。

2.4 多模型法

多模型法通常情况下主要针对目标的不同运动状态以及参数的不确定性而建立的不同模型滤波器，即虽然被动传感器无法直接给出目标准确的径向距离，但通过一定的方法我们可以估计目标初始时刻所在的可能空间范围，然后将该空间范围分区，在每个子区间上分别建立一个滤波模型，利用多模型法估计目标径向距离，各模型滤波器通过估计状态的组合实现相互作用，最终输出结果为各模型滤波器状态估计的加权和，加权因子为各模型的正确概率，概率值在跟踪过程中按照贝叶斯准则不断更新［1］。

2.5 水面舰艇单站无源定位技术分析

测向定位法、到达时间定位法、多普勒频率定位法和多模型法比较起来各具优缺点。到达时间定位法的定位速度和可观测性受目标辐射源的频率漂移、跳变影响较大；多普勒频率定位法只能使用在对具有连续波或者有较长持续时间的目标定位方法中；多模型法正在发展阶段，模型的建立决定计算效率和正确性，随着反侦察技术的不断发展，到达时间定位法、多普勒频率定位法和多模型法并不适用于电磁环境多变的海战场。因此测向定位法是现在水面舰艇最为广泛使用的无源定位方法。测向定位法较为简单且只需较小数据量便可实现，但测向误差对定位精度是有很大影响的，这就要求高精度的测向设备。而且，当辐射源运动时，要求舰艇必须作变速运动，同时加速度要满足一定的约束条件，以满足可观测性条件。再者，该方法要想达到可以应用的定位精度，需要不同的信号方位线之间有一定大小的夹角。通常情况下，舰艇距离辐射源较远，这就要求舰艇运动一定长的距离，即对辐射源信号跟踪一定长的时间。这很难满足瞬息万变的战场环境及侦察情报的时效性，也是该方法的最大缺陷［10～11］。

3 多站无源定位技术

多站无源定位是实现辐射源快速高精度定位的一种有效方式，相对于单站无源定位，往往能够在更短的时间内达成高精度定位，具有更强的灵活性，能够根据任务需要固定或运动到指定区域。目前常用的多站定位技术包括测向交叉定位法、测时差定位法、测时差-测向定位法。测时差定位法和测时差—测向定位法要求有专门的测时差接收机，实现起来比较复杂，因此目前在工程中主要采用对侦察设备没有特殊要求的测向交叉定位法。

3.1 测向交叉定位法

测向交叉定位法的基本原理是利用两艘或两艘以上舰艇同时对同一辐射源测向，得到两条或两条以上的测向方位线，在没有测向误差的情况下，这些测向方位线都是相交于一点的，这个交点就是辐射源的位置。但是，实际上测向是有误差的，多于两条的测向方位线不可能在同一点相交，需要利用状态估计方法对辐射源的位置进行估计。测向交叉定位法的优点是对侦察设备的要求低，仅需要方位测量信息，缺点是定位精度依赖于侦察设备的测向精度，在目前测向精度不是很高的情况下，定位精度较低。以双平台测向交叉定位为例（多平台定位的原理完全相同，只不过定位的组合方式更多），其定位原理如图4所示。

图4 多站测向交叉定位法原理图

两观测站对目标辐射源测向，获取属性和方位信息等实现对目标辐射源的三角定位。数据关联是多站多目标测向交叉定位的一个关键技术，测向交叉定位获取的目标属性和方位信息，在单站定位时载频、重频和脉宽等属性信息主要用于识别雷达型号等，而多站定位时可以用目标识别结果和属性信息进行数据关联，在目标较多或者属性信息不能完成全部关联任务时需要利用方位信息，分清各个传感器方位测量数据中哪些来自同一目标剔除虚假点，并把属于同一目标的方位组合定位。由于实际探测中存在测量误差，关联后通过对目标位置估计融合使测量结果随机误差最小，提高定位精度。

3.2 测时差定位法

测时差定位法的基本原理是利用己被精确测定了相互间位置、距离的三艘（或三艘以上）舰艇的侦察设备去测量辐射源信号到达的时差，在二维平面内，辐射源信号到两艘舰艇的到达时间差确定了一组以两艘舰艇的位置为焦点的双曲线，两艘舰艇的连线称为基线，三艘（或三艘以上）舰艇根据时差就可作出两组〔或两组以上）双曲线，两组双曲线相交得到两个交点，再利用粗测向信息排除基线另一侧的虚假定位点，就可确定辐射源的位置。测时差定位的优点是定位精度较高，缺点是对侦察设备和时统设备的要求高，同时由于噪声和误差的存在，会出现多值模糊和无解的情况。

3.3 测时差-测向定位法

测时差—测向定位法又称双曲线一直线交叉法，基本原理是利用己被精确测定了相互间位置、距离的两艘舰艇的侦察设备去测量辐射源信号到达的时差，作出一组双曲线，然后用其中一艘舰艇的测向线和双曲线相交，交点即为辐射源的位置。该方法实际上是测向交叉定位法和测时差定位法的综合，定位精度和要求的设备复杂度介于测向交叉定位法和测时差定位法之间。

3.4 水面舰艇多站无源定位技术分析

在现代海战中，水面舰艇多以编队的形式协同作战，因此多站协同无源定位技术和方法受到越来越多的关注。无源被动探测系统直接接收辐射源信号，电磁波单程传播，因此探测距离相对较远。探测距离主要与辐射源的发射功率和探测系统的性能（天线增益、接收机灵敏度等）有关，时差定位要求各测量站波束共同覆盖某一区域，因此天线波束为宽波束，天线增益较低，探测距离受影响。多平台时差定位法应用在水面舰艇上的关键技术是要保证参加协同定位的各舰接收到的是同一信号的同一次发射脉冲，因此对信号分选和脉冲配对操作提出了很高要求，且当信号密度较高的情况下，运算量较大，定位速度较慢。所以，多平台时差定位法并不适用于复杂多变的电磁环境，舰艇编队的协同无源定位基本不采用这种方法。

多平台测向交叉定位在实战中比较容易实施且定位快速，因此广泛应用于水面舰艇协同作战中，但测向交叉定位采用窄波束搜索法测向，天线增益较高，探测距离较远，其定位精度受测向误差及舰艇与辐射源相互间位置影响较大，随探测距离和测角误差增大而急剧增大，目标距离远的情况下无法实现目标精确定位。且由于各舰之间有一定的距离，受地球曲率影响各舰所在的本地坐标系并不平行，因此在算法上还要考虑空间对准的问题。

4 水面舰艇无源定位系统组成和信息流程

水面舰艇无源定位技术应用主要包括舰载被动雷达的无源探测、舰载电子侦察设备的无源定位和战术软件中的无源定位模块。这些无源定位手段虽然使用的探测设备和信息来源不同，但其无源定位原理是相同的，采用的无源定位方法与上述方法相同。水面舰艇无源定位系统应用上述定位技术形成从侦察到处理的定位战术软件，根据根据观测站数量分为单舰无源定位系统和多舰无源定位系统。

4.1 单舰无源定位系统

单舰无源定位系统由舰载电子战系统的电子侦察设备、指控系统以及嵌入到电子战系统的定位战术应用软件组成，其信息流程如图5所示。

图5 单舰无源定位信息流程图

4.2 多舰无源定位系统

多舰无源定位系统由一条定位舰和一条或多条辅助定位舰组成，定位舰通过战术数据链和辅助定位舰互相发送报文，如图6所示。定位舰通过战术数据链和辅助定位舰发送定位相关申请报文，包括定位目标批号、时戳、目标方位、载频、载频类型、脉宽、脉宽类型、重复频率、重频类型、天线扫描方式、天线扫描周期、参数测量时间等参数，辅助定位舰收到来自定位舰的定位相关申请报文后，对该定位目标进行相关处理，把定位相关结果报文以及本舰的位置发回定位舰，定位相关结果报文包括申请目标的批号、方位角和时戳，定位舰收到返回的定位相关结果报文后可进行测向交叉定位，解算出目标舰的经、纬度。定位舰的信息流程如图7所示。

图6 多舰无源定位系统组成及定位流程

图7 多舰无源定位信息流程图

5 结语

近年来，随着战场电磁环境的日益复杂，电子对抗、雷达对抗技术的不断发展，在实际作战中，往往要求舰艇部队实行严格的电磁静默以达到保护自己、实施隐蔽攻击的目的，因此，无源定位技术越来越受到各国海军的重视。通过无源定位技术分析可以看出，无论是单舰还是多舰协同无源定位，测向定位法虽有其固有的缺点，但仍是最适应现代海战场的无源定位方法，目前广泛应用于各国海军的水面舰艇。如俄罗斯海军的“现代”级驱逐舰就是采用这种方法对目标进行无源定位，并在实际作战使用中取得了不俗的效果。

由于水面舰艇战斗有其固有的特点，从而决定了水面舰艇无源定位技术的发展较之其他平台也有其特殊性。多舰协同无源定位较之单舰无源定位有定位快速、精度较高的优点。但其动用兵力较多，不易隐蔽，且各舰间的协同通信使定位的无源特性受到很大影响，同时还要考虑各舰间复杂的时间、空间对准问题。而单舰无源定位具有较好的隐蔽性和独立性，在现有的无源定位技术研究中，对此方面的研究较多。从战术上讲，单舰无源定位技术是水面舰艇无源定位技术发展的主要方向。发展无源定位技术不仅是对其方法和算法的研究与优化，还涉及到战术使用层面，如在无源定位中适当结合有源定位及多舰协同无源定位中舰艇的航路规划等问题，因此技术战术化是水面舰艇无源定位技术发展的主流。