多站時(shí)差定位關(guān)鍵技術(shù)研究

田 達(dá)，唐英巡，楊樹樹，侯慶禹，馬 琴

（1.中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007；2.中國(guó)人民解放軍91635部隊(duì)，北京 102249）

0 引言

對(duì)地面雷達(dá)輻射源進(jìn)行無源探測(cè)定位是電子偵察的一項(xiàng)重要任務(wù)。偵察定位體制選擇與輻射源信號(hào)特點(diǎn)、觀測(cè)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性、應(yīng)用要求等因素有關(guān)［1－3］。常見體制包括測(cè)向交叉、相位差變化率、長(zhǎng)基線時(shí)差、差分多普勒等等?？紤]到多數(shù)地面雷達(dá)以脈沖工作方式為主，信號(hào)波形持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短、帶寬較寬，有利于時(shí)差精確測(cè)量，因此長(zhǎng)基線時(shí)差定位成為電子偵察多站定位體制的首選。與其他定位體制相比，長(zhǎng)基線時(shí)差定位可以實(shí)現(xiàn)較高的定位精度，且定位所需時(shí)間短（理論上單次時(shí)差測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位），特別適合電子支援或情報(bào)偵察作戰(zhàn)應(yīng)用。

本文提出一種多站目標(biāo)精確定位方法，利用多個(gè)機(jī)動(dòng)偵察站同步觀測(cè)獲得雷達(dá)輻射源時(shí)差信息，通過定位跟蹤算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置精確估計(jì)，只需三站即可測(cè)得地面目標(biāo)的位置坐標(biāo)。該方法具有較大的靈活性，適用于多種觀測(cè)平臺(tái)，且可方便地推廣應(yīng)用于更多機(jī)動(dòng)平臺(tái)組網(wǎng)觀測(cè)，以提高偵察定位精度和穩(wěn)健性。分析了精確時(shí)差測(cè)量、輻射源定位跟蹤等關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行了性能分析仿真。

1 系統(tǒng)方案

多站目標(biāo)精確定位系統(tǒng)由三個(gè)偵察站和一個(gè)指揮控制中心組成，如圖1所示。各偵察站保持嚴(yán)格時(shí)間同步，共同測(cè)得輻射源位置信息。指揮控制中心負(fù)責(zé)控制各偵察站平臺(tái)的姿態(tài)、布站構(gòu)形，根據(jù)需要調(diào)整平臺(tái)位置姿態(tài)，形成最佳布站構(gòu)形，達(dá)到最佳定位效果。

偵察站按照功能劃分為一個(gè)主站和兩個(gè)副站。主站除完成輻射源信號(hào)截獲、參數(shù)測(cè)量、分析、給出輻射源信號(hào)描述字外，還負(fù)責(zé)多站定位系統(tǒng)工作時(shí)序和方式控制，將脈沖描述字（PDW）和控制信息以廣播方式發(fā)送至副站。主站可接收副站回傳的脈沖到達(dá)時(shí)間（TOA）測(cè)量結(jié)果和平臺(tái)自定位數(shù)據(jù)，根據(jù)這些信息解算輻射源位置。副站在主站控制下，在指定頻段上進(jìn)行信號(hào)的跟蹤偵收，測(cè)量脈沖信號(hào)的TOA，將測(cè)量結(jié)果和平臺(tái)自定位數(shù)據(jù)經(jīng)過微波鏈路回傳到主站。

圖1 多站目標(biāo)精確定位系統(tǒng)

考慮到多站目標(biāo)精確定位系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)，主站、副站可采用相同任務(wù)載荷設(shè)計(jì)，包括偵察接收機(jī)、輻射源目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)處理單元、二次電源等模塊。此外，還有時(shí)間同步單元、控制單元、系統(tǒng)接口單元、通信鏈路、GPS導(dǎo)航等其他航電設(shè)備，如圖2所示。

圖2 設(shè)備組成框圖

其中，偵察接收機(jī)實(shí)現(xiàn)輻射源信號(hào)截獲和脈沖參數(shù)（RF，PW，PA及TOA）精確測(cè)量功能，編碼產(chǎn)生脈沖描述字（PDW）；數(shù)據(jù)處理單元可對(duì)偵察接收機(jī)輸出的PDW進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)脈沖分選和配對(duì)，提取時(shí)差，結(jié)合各偵察站的平臺(tái)位置信息對(duì)輻射源進(jìn)行定位跟蹤處理，更新輻射源目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)；輻射源目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存放歷史的和當(dāng)前的關(guān)于輻射源的描述數(shù)據(jù)，為目標(biāo)識(shí)別和信號(hào)分選提供支持；GPS導(dǎo)航系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供平臺(tái)位置和速度信息；時(shí)間同步單元提供系統(tǒng)所需的高穩(wěn)定度的1PPS同步秒脈沖和參考頻率源；通信鏈路實(shí)現(xiàn)主站與各副站之間以及各站與指揮控制中心之間的通信數(shù)據(jù)傳輸；系統(tǒng)接口單元提供與控制單元及武器系統(tǒng)等其它系統(tǒng)的接口；控制單元用于系統(tǒng)協(xié)調(diào)管控，并實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)視。

2 高精度時(shí)差測(cè)量［4］

雷達(dá)信號(hào)多采用脈沖工作方式，因此雷達(dá)信號(hào)時(shí)差提取可通過測(cè)量脈沖TOA得到，處理過程依次包括TOA測(cè)量、脈沖信號(hào)分選配對(duì)、TOA比對(duì)等幾大步驟，如圖3所示。該方法可以較好地適應(yīng)脈沖工作環(huán)境，并且主副站之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量小，不需要大容量的站間通信鏈路。

圖3 基于TOA的時(shí)差提取流程

與傳統(tǒng)模擬視頻脈沖檢測(cè)處理方式不同，本方案采用基于小波分析的方法實(shí)現(xiàn)雷達(dá)脈沖TOA精確測(cè)量，具有更高的靈敏度和測(cè)量精度?；驹硎峭ㄟ^自相關(guān)得到脈沖包絡(luò)并初步確定上升沿的位置，用Haar小波對(duì)脈沖包絡(luò)進(jìn)行單尺度變換，通過小波變換WT（a，n）模值的峰點(diǎn)位置檢測(cè)出脈沖前沿。基于小波分析的TOA精確測(cè)量處理流程如圖4所示。

圖4 基于小波分析的TOA測(cè)量算法流程

TOA測(cè)量性能試驗(yàn)仿真如圖5所示?；赥OA測(cè)量的時(shí)差提取方法需要主副站之間采用相同的時(shí)間基準(zhǔn)，即各偵察站在時(shí)間上嚴(yán)格保持同步，這可通過微波雙向時(shí)間傳遞（TWTT）技術(shù)［5］實(shí)現(xiàn)，各平臺(tái)自帶高精度原子鐘，通過微波無線鏈路實(shí)現(xiàn)雙向時(shí)間傳遞，修正本地鐘差，該方法對(duì)鏈路速率要求不高，適用于機(jī)動(dòng)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)5ns以內(nèi)同步精度。

3 輻射源定位跟蹤

3.1 單次測(cè)量定位算法

設(shè)各偵察站平臺(tái)位置分別為（x0，y0，z0）、（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2），輻射源的位置為xt＝（x，y，z）。以（x0，y0，z0）位置觀測(cè)站為參考（主站），副站偵收信號(hào)相對(duì)主站偵收信號(hào)的到達(dá)時(shí)差分別為Δt1、Δt2，則輻射源位置坐標(biāo)滿足如下方程組（觀測(cè)方程）：

對(duì)于地球表面的輻射源，其位置坐標(biāo)還滿足WGS－84地球橢球面約束方程：

式中，c為光速，N＝a（1－e2sin2B）－1/2為目標(biāo)所在點(diǎn)的卯酉圈曲率半徑，a為地球半長(zhǎng)軸，e為第一偏心率，B為目標(biāo)緯度，h為目標(biāo)高程。聯(lián)立上述方程組進(jìn)行求解，即得到輻射源的位置坐標(biāo)。

給定一組混有噪聲的量測(cè)方程：

圖5 TOA測(cè)量試驗(yàn)仿真

式中，nk為第k次觀測(cè)的零均值測(cè)量噪聲。未知噪聲統(tǒng)計(jì)特性的情況下，最小二乘是一種合理的最優(yōu)估計(jì)準(zhǔn)則，即目標(biāo)位置估計(jì)：

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

為便于處理，將函數(shù)f（xt）在初始點(diǎn)xt0＝（xt0，yt0，zt0）T處用一階泰勒公式展開，獲得線性化近似，即：

式中：

分別為位置增量和函數(shù)fk（xt）的梯度向量。將式（3）、（5）代入式（4），即得：

式中：

得出上述方程的最小二乘解：

在各觀測(cè)站時(shí)差測(cè)量誤差的協(xié)方差陣Rn＝E｛［n－E｛n｝］［n－E｛n｝］T｝已知的情況下，則有加權(quán)最小二乘解：

需要說明的是，上述方法是一種遞推迭代方法。統(tǒng)計(jì)分析表明，只要選取的迭代初值xt0距離真值不是太遠(yuǎn)，該方法均收斂于真值附近，并提供統(tǒng)計(jì)意義下的無偏估計(jì)［2］。迭代初值可根據(jù)輻射源所處位置區(qū)域的先驗(yàn)信息確定。與其它時(shí)差定位系統(tǒng)一樣，多站編隊(duì)構(gòu)形設(shè)計(jì)（偵察平臺(tái)航跡）直接影響定位精度。

3.2 濾波跟蹤算法

利用編隊(duì)飛行過程中的多次時(shí)差測(cè)量進(jìn)行濾波處理，可以進(jìn)一步提高定位精度。對(duì)于固定輻射源，狀態(tài)方程為：

測(cè)量方程為：

根據(jù)推廣的Kalman濾波公式，結(jié)合狀態(tài)方程式可得：

式中：

4 定位性能仿真

假設(shè)編隊(duì)飛行高度18km，主副站間距30km，時(shí)差測(cè)量精度20ns，平臺(tái)自定位精度1m。多站目標(biāo)精確定位誤差分布的計(jì)算結(jié)果（單次定位，未經(jīng)濾波處理）如圖6所示。在x、y方向±500km條帶區(qū)域內(nèi)，三站定位誤差基本＜1%R。

圖6 三站定位精度分布

為了進(jìn)一步提高定位精度，在定位過程中采用濾波處理，500km距離目標(biāo)的定位誤差收斂典型曲線如圖7所示，其濾波時(shí)間間隔為0.1s。表明，經(jīng)過5s時(shí)間濾波，定位誤差收斂到500m以內(nèi)。

圖7 三站定位濾波處理

5 結(jié)束語

本文提出的多站目標(biāo)精確定位方法具有觀測(cè)站少、原理簡(jiǎn)單、組網(wǎng)靈活的優(yōu)點(diǎn)，可以推廣應(yīng)用于任意機(jī)動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)。與傳統(tǒng)處理方式相比，該方法采用先進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)檢測(cè)和TOA參數(shù)測(cè)量，具有更高的靈敏度和測(cè)量精度，能夠較好地適應(yīng)脈沖工作環(huán)境，并且主副站之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量小，不需要大容量的站間通信鏈路。采用的濾波跟蹤算法可實(shí)現(xiàn)快速高精度定位，在電子偵察應(yīng)用中具有良好的應(yīng)用前景。

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