機載無源偵察定位方法研究

王小寧，賈建銘，謝 鵬

（中航工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院，西安 710089）

無源偵察定位指的是偵察設(shè)備不發(fā)射無線電信號，僅通過接收目標(biāo)電磁輻射信號對目標(biāo)進行定位，它是電子對抗的一個重要組成部分。

由于沒有向目標(biāo)發(fā)射信號，無源偵察定位不同于雷達(dá)，不會首先暴露自己，也不會招來諸如反輻射導(dǎo)彈這樣的進攻性武器的攻擊。因而，無源偵察定位從一開始就成為一項受人關(guān)注的技術(shù)。

1 無源偵察定位的功能

現(xiàn)代軍事設(shè)施中使用了大量的電子裝備，大部分都使用帶輻射的無線電裝備，這就為無源定位系統(tǒng)確定其坐標(biāo)打下了基礎(chǔ)。無源偵察定位系統(tǒng)正是通過對輻射源的定位來確定該輻射源載體的位置。由于無源性，最適合用于在對方不知道的情況下做定位，包括靜默情況下準(zhǔn)備向?qū)Ψ桨l(fā)起攻擊，對進攻方攻擊的秘密監(jiān)視以及對邊界地區(qū)對方電子活動的長期監(jiān)視。由于無源性，無源偵察定位原則上不受干擾，也就適合用于在雷達(dá)等有源定位設(shè)備受干擾而無法正常工作時起補充作用[1]。

2 無源偵察定位采用的測向方法

2.1 比幅法

波束比幅法測向的原理是：將多個獨立的角度指向不同的天線覆蓋360°方位，對同一輻射源信號，總有一對相鄰天線較其他天線接收到的信號強度大，通過比較這對相鄰天線接收信號包絡(luò)幅度的相對大小，就可以計算出輻射源信號的方位。很容易想象，如果采用數(shù)量更多的天線，可供計算的信息就更多，測向的精度相對就更好。天線使用多少，根據(jù)不同的需求而定，可以有4個、6個、8 個等[2]。

比幅法測向的優(yōu)點在于它測量方位所需的信號存在的時間極短（有時又叫瞬時測向），接收天線不必轉(zhuǎn)動。比幅法測向達(dá)到的精度可以略優(yōu)于天線波束寬度的1/10。

2.2 干涉儀測向

干涉儀測向的實質(zhì)是利用電磁波信號到達(dá)測向基線上不同天線的相位差來確定信號的方向，圖1是相位干涉儀的原理圖。若對于天線的法線方向，信號的進入角為θ，天線間距為L，那么，信號到達(dá)2個天線的距離差將與L和θ有關(guān)，不難推導(dǎo)出由此造成的頻率為f的兩個信號的相位差也與L和θ有關(guān)。

圖中相鄰兩天線的相位差：

式中，L為基線長度，θ為入射角，λ為信號波長。那么整個測向工作的機理就不復(fù)存在，導(dǎo)致無法測向或測向錯誤。

圖1 干涉儀測向示意圖Fig.1 Sketch of direction finding by phase interferometer

所以，只要我們可以準(zhǔn)確地求得兩天線的相位差，就可以反推得到信號的入射角θ。

2.3 其他測向法

（1）時差法。

隨著測量技術(shù)的發(fā)展，對于圖1由于信號到達(dá)2個天線的路程差所產(chǎn)生的時間差，也可以準(zhǔn)確地進行測量。這時，不再通過相位差間接地測量這一路程差，而是可以直接測量時間差求出路程差。采用時差法測向的最大難度是如何將時差測準(zhǔn)，因為當(dāng)2個天線的間距為30m時，不同方向的信號到達(dá)這兩個天線的最大差只有0.2μs。要測準(zhǔn)方向，對時間差的測量精度應(yīng)在0.001μs以下。

（2）最大（或最?。┬盘柗ā?/p>

對于任何一個有方向性的接收天線，在接收同一個輻射源目標(biāo)時，天線指向不同，接收到的信號強度將會不同。如果用接收天線的增益最大點對準(zhǔn)輻射源，接收到的信號就最強；用接收天線的增益最小點對準(zhǔn)輻射源，接收到的信號就最弱。由于已知接收天線的方向圖，所以就可以求出輻射源的方位，如圖2所示。

圖2 最大信號法測向的直觀顯示Fig.2 Visual display of direction finding by the maximum signal method

用最大信號法測向，設(shè)備和處理過程都比較簡單，但是它的精度一般很難超過接收波束寬度的1/5。而且從原理上講，它要求輻射信號是最穩(wěn)定的，在整個測量過程中自始至終地存在。一旦信號強度本身在迅速變化，比如，輻射源的波束在空間掃描，它一會兒用主波束對準(zhǔn)接收天線，一會兒用它增益很小的一個旁瓣對準(zhǔn)接收天線，

3 比幅測向與干涉儀測向的精度分析

3.1 比幅測向精度分析

圖3所示為因此幅測向系統(tǒng)原理。設(shè)天線的波束形狀為高斯型的，即有：

式中，β表示輻射源信號入射方向與天線最大值方向的夾角，θ0.5為天線波束寬度，K為常數(shù)。

圖3 四比幅測向系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of direction finding by four specific amplitude

相鄰天線軸線的夾角稱為傾斜角，計為θs。當(dāng)輻射源信號入射方向處于兩天線之間且偏離兩天線的等信號強度方向為θ時,輻射源信號的 方向與兩個天線的最大值方向夾角分別為，則兩個通道輸出信號P1、P2分別為：

式中，G1和G2分別是2個通道的功率增益,通常它們都是相等的。

令R=P1-P2，則：

當(dāng)β=θ0.5/2時，接收功率下降一半，exp（-K）=0.5，計算得K=0.693。

將k=0.693代入上式化簡后可得：

由上式可知，因波束寬度θ0.5和傾斜角θs是已知的，只要得到對應(yīng)通道輸出信號功率比值R，就可以計算出信號入射值θ。

對上式求全微分可得：

上式右側(cè)每項造成的測角誤差是正的或負(fù)的，但通常最大測角誤差是將每項誤差的絕對值相加。具體而言，信號頻率若在寬頻帶范圍內(nèi)變化時，天線波束形狀、寬度、增益都會變化，導(dǎo)致測向天線相關(guān)參數(shù)不一致，進而造成Δθ0.5、Δθs、ΔR不為0。同時接收機增益會隨入射信號功率大小、工作溫度而改變，故功率比值不僅與信號入射角度有關(guān)，還與相鄰支路接收機當(dāng)時的增益有關(guān)，即 ΔR不為0。

工程應(yīng)用中比幅法測向能達(dá)到的精度可優(yōu)于天線波束寬度的1/10。

3.2 干涉儀測向精度分析

干涉儀體制的測向精度可按式（8）估算：

式中：Δθ為測角誤差，θ為信號入射角，λ為入射信號的波長，Δλ為源自射頻頻率測量誤差，Δφ為相位誤差，L為基線長度，ΔL為基線長度誤差。

可以看出，測量精度與入射角θ、基線長度與入射頻率的比值L/λ、相位誤差Δφ、測頻誤差Δλ以及基線長度的誤差ΔL有關(guān)。

入射信號與基線垂直，即θ=0°時，測向誤差最??；入射信號與基線方向平行或者接近平行，即θ=90°時，測向誤差非常大且已無法正常測向。因此，通常將單基線干涉儀測向的范圍限制在±60°，甚至更窄。

誤差大小與L/λ成反比，所以當(dāng)基線長度相同時，頻率越高測向精度越高。為了獲得高的測量精度，必須采用長基線。工程應(yīng)用中干涉儀測向的精度可以做到1°左右。

3.3 兩種方法的比較

通過上述計算分析可以得知，干涉儀測向的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于比幅法測向。干涉儀測向技術(shù)因其較高的測向精度更適用于在電子戰(zhàn)環(huán)境中對敵目標(biāo)精確定位并引導(dǎo)精確制導(dǎo)武器對高威脅目標(biāo)實施打擊；結(jié)合比幅法瞬時測向的優(yōu)點，比幅法測向技術(shù)更適用于對戰(zhàn)場實時偵察、分析和識別，為乙方部隊提供電子告警，實施電子干擾和其他軍事行動。

4 結(jié)束語

目前，我國對機載無源偵察定位裝備的需求非常迫切，通過對干涉儀和比幅兩種測向方法的精度分析比較，給出了運用相應(yīng)方法的機載設(shè)備裝備飛機的建議。對提高作戰(zhàn)飛機在電子戰(zhàn)環(huán)境下的生存能力和作戰(zhàn)能力具有重要意義。

[1] 翟慶偉，王玉.波束比幅法測向技術(shù)研究[J].無線電通信技術(shù)，2007,33(6): 55-56.

ZHAI Qingwei,WANG Yu,Research on the technology of the beam amplitude comparison direction finding[J],Radio Communications Technology,2007,33(6):55-56.

[2] 熊群力.綜合電子戰(zhàn)-信息化戰(zhàn)爭的殺手锏[M],北京:國防工業(yè)出版社，2008.

XIONG Qunli,Integrated electronic warfare,the weapon of information warfare[M],Beijing: Beijing National Defence Industry Press，2008.