陸基無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航干擾源定位技術(shù)綜述

摘 要：陸基無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備對(duì)干擾源進(jìn)行測(cè)向和定位功能。通過(guò)對(duì)導(dǎo)航臺(tái)干擾源定位發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，總結(jié)了干擾定位方法分類(lèi)、干擾定位體制兩個(gè)方面關(guān)鍵技術(shù)以及典型系統(tǒng)研發(fā)情況，最后對(duì)發(fā)展陸基無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)干擾源定位技術(shù)提出建議。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航；干擾源；定位

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.123

1 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)微弱、公開(kāi)，導(dǎo)航衛(wèi)星需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研發(fā)和發(fā)射入軌過(guò)程，而陸基無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)建站成本低，能采用尖端的信號(hào)處理手段，在軍事應(yīng)用方面具有應(yīng)急性強(qiáng)，抗毀能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)。因此，運(yùn)用陸基無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)運(yùn)載體進(jìn)行導(dǎo)航保障能增強(qiáng)無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力，增加航行可靠性。按照運(yùn)載體與導(dǎo)航臺(tái)之間是否進(jìn)行應(yīng)答，陸基無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)可分為半自主和自主陸基無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航。陸基無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)用于軍事領(lǐng)域必然會(huì)受到敵對(duì)電子干擾的影響，敵對(duì)電子干擾的目標(biāo)包括導(dǎo)航信標(biāo)臺(tái)和導(dǎo)航運(yùn)載體。尤其，在半自主導(dǎo)航系統(tǒng)中，運(yùn)載體向?qū)Ш脚_(tái)發(fā)射呼叫信號(hào)時(shí)，由于信號(hào)功率不夠大，容易遭受壓制型的電子干擾。所以，快速準(zhǔn)確地確定電子干擾源的位置，能迅速為陸基導(dǎo)航系統(tǒng)提供決策信息，是陸基無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航臺(tái)應(yīng)當(dāng)具備的能力。

2 干擾源定位方法分類(lèi)

干擾源定位的目的是確定干擾源的方向和距離。目前，基于導(dǎo)航臺(tái)獲取輻射源位置的方法主要有[1-3]：

（1）基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival，TDOA）的定位技術(shù)；

（2）基于信號(hào)到達(dá)頻率差（Frequency Difference of Arrival，F(xiàn)DOA）的定位技術(shù)；

（3）基于信號(hào)到達(dá)角（Angle of Arrival，AOA）的測(cè)向定位技術(shù)；

（4）聯(lián)合定位技術(shù)，包括時(shí)差/頻差聯(lián)合（TDOA/FDOA）定位、測(cè)向/測(cè)頻差聯(lián)合定位、測(cè)向/測(cè)時(shí)差聯(lián)合定位、測(cè)向/測(cè)相位變化率聯(lián)合定位。

3 干擾源定位體制介紹

基于導(dǎo)航臺(tái)的干擾源定位體制主要有以下幾種：?jiǎn)握径ㄎ惑w制、多站組合定位體制等。單站干擾源定位體制利用單個(gè)導(dǎo)航站在間對(duì)干擾源信號(hào)進(jìn)行接收和處理[4，5]。這種方法一般針對(duì)多波束天線(xiàn)的干擾定位開(kāi)展研究。日本學(xué)者Y. Matsumoto、M. Tanaka等提出使用高增益多波束天線(xiàn)的方向性，利用不同波束接收信號(hào)強(qiáng)度的差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾源的空間定向。我國(guó)學(xué)者H. Tsuji和J. Xin等在此基礎(chǔ)之上，利用調(diào)制信號(hào)與噪聲在周期平穩(wěn)性方面的差異來(lái)區(qū)分?jǐn)骋飧蓴_信號(hào)和噪聲。美國(guó)的W. Smith和G. Steffes研究了利用導(dǎo)航臺(tái)接收天線(xiàn)正反極化的天線(xiàn)間距產(chǎn)生的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾源的定位方法。美國(guó)學(xué)者的R. Wachs提出利用干涉儀天線(xiàn)陣列的相位輸出測(cè)量干擾信號(hào)的角度，從而實(shí)現(xiàn)干擾源定位。利用單站確定干擾源方向之后，可以利用定位方向在空間交匯于一點(diǎn)的原理，計(jì)算得到干擾源的實(shí)際空間坐標(biāo)。

三站TDOA定位，又稱(chēng)為雙曲線(xiàn)定位，它通過(guò)處理三個(gè)或三個(gè)以上的導(dǎo)航臺(tái)采集到的信號(hào)到達(dá)時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)干擾源進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。地面或者空中的干擾源信號(hào)到兩個(gè)導(dǎo)航臺(tái)站的到達(dá)時(shí)間差確定了一對(duì)以導(dǎo)航臺(tái)為焦點(diǎn)的單葉雙曲面。三個(gè)導(dǎo)航臺(tái)之中的兩兩導(dǎo)航臺(tái)之間確定三個(gè)單葉雙曲面，則可得到三個(gè)雙曲面交點(diǎn)，再利用先驗(yàn)信息排除虛假定位點(diǎn)，即可精確地確定干擾源位置。在精確的定位模型下，利用時(shí)差信息求解干擾源的位置，需要解決非線(xiàn)性方程組求解的問(wèn)題。一般而言，時(shí)差定位能夠?qū)崿F(xiàn)比測(cè)角交叉定位高出一個(gè)數(shù)量級(jí)的定位精度，它是最佳的基于導(dǎo)航臺(tái)的干擾源無(wú)源定位方法。

3.1 TDOA干擾源定位原理

位于地面的M個(gè)（M≥3）受干擾導(dǎo)航站接收到單個(gè)干擾源的干擾信號(hào)，由兩兩導(dǎo)航站所接收干擾信號(hào)之間的TDOA值能夠確定一個(gè)單葉雙曲面，所有的M個(gè)單葉雙曲面的交點(diǎn)，即為電磁干擾源的空間位置。這里以三站TDOA定位系統(tǒng)為例，對(duì)其原理進(jìn)行說(shuō)明。導(dǎo)航站、和采用相同的系統(tǒng)工作時(shí)鐘并且具有接收、處理干擾電磁波的能力。通過(guò)導(dǎo)航站天線(xiàn)接收到的干擾信號(hào)，經(jīng)過(guò)參數(shù)估計(jì)和相關(guān)運(yùn)算，可確定干擾源信號(hào)到達(dá)導(dǎo)航站和到達(dá)的時(shí)間之差，即TDOA值，每個(gè)TDOA能夠確定一個(gè)位置點(diǎn)集合所組成的單葉雙曲面。我們記、確定的雙曲面為，類(lèi)似的有雙曲面、。則一般情況下，三個(gè)獨(dú)立的單葉雙曲面、、與相交于兩個(gè)點(diǎn)和。其中，為干擾源的真實(shí)位置，為鏡像點(diǎn)，通過(guò)先驗(yàn)知識(shí)判斷，可以消除鏡像點(diǎn)得到真實(shí)的干擾源位置。

TDOA衛(wèi)星定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括TDOA參數(shù)高精度、快速測(cè)量技術(shù)；干擾源高精度、快速空間定位算法；導(dǎo)航站空間位置高精度獲取技術(shù)，寬帶、高靈敏度偵查接收機(jī)技術(shù)等方面。這里主要介紹參數(shù)測(cè)量算法和空間定位算法。

3.2 FDOA干擾源定位原理

類(lèi)似上述的三站TDOA測(cè)定方法，三站FDOA定位中，兩兩導(dǎo)航站通過(guò)測(cè)量信號(hào)的到達(dá)頻差，能夠確定三個(gè)類(lèi)輪胎曲面，曲面交點(diǎn)即為干擾源位置。類(lèi)輪胎曲面B1的定義為干擾源與導(dǎo)航站S1，S2之間多普勒值fdop1，fdop2滿(mǎn)足fdop1-fdop2=fFDOA的點(diǎn)的集合。與TDOA測(cè)量類(lèi)似，曲面B1，B2，B3相交于兩點(diǎn)R和R，利用先驗(yàn)知識(shí)可以消除鏡像點(diǎn)R，得到干擾源的真實(shí)空間位置。

與TDOA觀測(cè)量不同的是，F(xiàn)DOA測(cè)量的是與干擾源信號(hào)與導(dǎo)航臺(tái)站之間的相對(duì)多普勒頻移。國(guó)外K.C.Ho利用目標(biāo)的高程信息來(lái)提高地面靜止干擾源的三站TDOA定位及雙站TDOA/FDOA定位的精度；Ha. T. T等提出用三個(gè)以上TDOA測(cè)量值來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算雙曲線(xiàn)解；Chan. Y. T等提出用二階LS法來(lái)減少解的計(jì)算量。這幾位學(xué)者的努力提高了三站定位體制的應(yīng)用場(chǎng)景和范圍。

4 典型系統(tǒng)研發(fā)情況

國(guó)外研究情況如下[6]，英國(guó)國(guó)防評(píng)估研究局（DERA）利用TDOA和FDOA測(cè)量原理，與Matrix公司合作，所研制的干擾源定位系統(tǒng)NavID，其對(duì)距離200～800公里距離干擾源目標(biāo)的定位誤差為1公里以?xún)?nèi)；美國(guó)Interferometrics公司所研制的商業(yè)化干擾源定位系統(tǒng)TLS Model 2000，定位誤差不詳；法國(guó)于2004年研制成功Hyperloc干擾源定位系統(tǒng)，它的定位誤差一般為幾十公里。

我國(guó)的導(dǎo)航臺(tái)干擾源無(wú)源定位技術(shù)起步較晚，1980年代初才開(kāi)始這方面的理論研究，研究方向集中于多站測(cè)向協(xié)同定位法。西南電信技術(shù)研究所于2002年開(kāi)始系統(tǒng)性研究干擾源定位系統(tǒng)的原理及關(guān)鍵技術(shù)，并在同年開(kāi)始研制實(shí)用的干擾源定位系統(tǒng)SatILS。SatILS采用雙站TDOA/FDOA定位體制。2010年正式投入使用。該系統(tǒng)技術(shù)成熟，設(shè)計(jì)合理，干擾源定位精度較高。

5 總結(jié)與展望

陸基導(dǎo)航系統(tǒng)干擾源定位技術(shù)的分類(lèi)方法如下：從幾何定位原理劃分可分為曲面交匯定位法、多站測(cè)向空間交匯定位法，從定位觀測(cè)量劃分可分為測(cè)時(shí)差、測(cè)頻差和測(cè)幅度法，通過(guò)對(duì)觀測(cè)量的處理可以得到干擾信號(hào)的入射角度和空間位置；從干擾定位所需的導(dǎo)航臺(tái)數(shù)量劃分可分為單站定向和多站聯(lián)合定位。陸基導(dǎo)航系統(tǒng)干擾源定位技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的、涉及面廣的技術(shù)，需要從系統(tǒng)建設(shè)的角度綜合考慮。應(yīng)深入開(kāi)展陸基導(dǎo)航系統(tǒng)干擾定位技術(shù)的研究，包括軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、高靈敏度微波測(cè)量技術(shù)、微電子技術(shù)等在陸基導(dǎo)航系統(tǒng)干擾源定位技術(shù)中的應(yīng)用和研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]周鴻順.干擾源的定位技術(shù)和手段[J].中國(guó)無(wú)線(xiàn)電管理，2001， vol.7：30-31.

[2]李集林.干擾源定位系統(tǒng).衛(wèi)星通信廣播電視系統(tǒng)抗干擾技術(shù)研討會(huì)[C].航天科技集團(tuán)503所，2002：67-73.

[3]孫正波，瞿文中，葉尚福.干擾源定位參數(shù)誤差分析與處理[J]. 電信技術(shù)研究，2004，Vol.42，No.5：1-7.

[4]Torrieri D.j.Statical theory of passive location system[J].IEEE Trans.on AES.1987，AES-20（03）：183-198.

[5]王雪瑩，盛衛(wèi)東，安瑋.一種單星對(duì)地同步軌道衛(wèi)星的僅測(cè)角定位跟蹤算法[J].電子對(duì)抗，2011，138（03）：6-10.

[6]龍寧.無(wú)源定位原理及精度分析[J].電訊技術(shù)，2011， 51（06）：17-20.

作者簡(jiǎn)介：彭海（1988-），男，上海人，碩士，工程師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航定位研究。