一種星載干涉儀解模糊失敗識別方法

張廣宇,王篤祥，陳 卓，季 權(quán)

(中國航天科工集團(tuán)8511所，江蘇 南京 210007)

·工程應(yīng)用·

一種星載干涉儀解模糊失敗識別方法

張廣宇,王篤祥，陳 卓，季 權(quán)

(中國航天科工集團(tuán)8511所，江蘇 南京 210007)

針對星載干涉儀測向解模糊失敗問題，基于波束形成原理提出一種解模糊失敗識別方法。該方法在干涉儀測向定位方法的基礎(chǔ)上有效利用了各通道接收信號的幅度信息，通過合成信號功率判斷測角結(jié)果正確與否，可有效提高星載電子偵察系統(tǒng)的情報準(zhǔn)確性，仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。

星載干涉儀；測向；定位

0 引言

以衛(wèi)星為平臺的電子偵察系統(tǒng)不受國界、領(lǐng)空、領(lǐng)海和天氣的限制，可以進(jìn)行長時間和大面積的偵察監(jiān)視，快速獲取戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)情報，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景[1]。單星僅測向定位體制通過測向得到指向輻射源的方向線，然后根據(jù)衛(wèi)星的姿態(tài)參數(shù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)計算出輻射源的地理位置，從而實現(xiàn)對輻射源的定位[2]。當(dāng)前單星僅測向定位體制中常用的是二維干涉儀測向定位方法[3]，該體制技術(shù)相對簡單，工程上易于實現(xiàn)，且可以做到單脈沖定位，實時性好。然而干涉儀測向系統(tǒng)的核心問題就是求解相位模糊，常規(guī)的解模糊方法包括長短基線法、參差基線法、虛擬基線法、最小二乘法等[4]，但無論何種方法當(dāng)基線間相位差測量誤差超過系統(tǒng)容差時，星載干涉儀對單脈沖的測向都可能出現(xiàn)解模糊失敗，從而導(dǎo)致定位跳區(qū)。針對該問題，本文基于波束形成原理提出一種干涉儀解模糊失敗識別方法，該方法可有效識別解模糊失敗的測角結(jié)果，提高單星測向定位電子偵察系統(tǒng)情報準(zhǔn)確性。

1 星載干涉儀測向定位原理

星載干涉儀測向定位的基本原理是利用相互正交的兩組測向天線測量在同一時刻接收到的信號的相位差，通過干涉儀測角方法獲得目標(biāo)輻射源相對平臺位置的角度，根據(jù)角度結(jié)合平臺位置信息對目標(biāo)進(jìn)行定位。以一維干涉儀為例，天線陣基線布局如圖1所示。

圖1 基線布局示意圖

當(dāng)距離遠(yuǎn)大于基線間距時，可把來自同一輻射源的入射波看成平行波，則間距為L的天線A和天線D之間接收到信號的相位差為：

φAD=(2πL/λ)sinθ

(1)

式中，λ為信號波長，θ為信號入射方向與基線法線方向的夾角。偵察系統(tǒng)可以通過相應(yīng)的技術(shù)手段獲取相位差φAD(φAD∈[-π,π])和信號波長λ，再通過式(2)的數(shù)學(xué)運算，就可得到輻射源信號入射角：

θ=arcsin(λφAD/(2πL))

(2)

對式(2)兩邊求導(dǎo)，可得：

ΔφAD=(2πL/λ)Δθcosθ+(2πL/λ2)LΔλsinθ+(2πL/λ)ΔLsinθ

(3)

通?？珊雎圆ㄩL測量誤差Δλ及天線基線誤差ΔL，因此：

ΔφAD=(2πL/λ)Δθcosθ

(4)

則：

Δθ=λΔφAD/(2πLcosθ)

(5)

可見，測角誤差與信號波長λ、基線長L、信號入射角度θ和天線陣元相位差誤差ΔφAD有關(guān)。實際使用中為保證較高的測角精度需要使用較長的基線L，但長基線相位差φAD可能超過[-π,π]，即存在相位模糊問題[3]。此時：

(6)

2 解模糊失敗識別方法

干涉儀解模糊能力與測角誤差受基線布局、天線陣元間相位誤差、接收通道的不一致性、鑒相誤差、目標(biāo)角度等因素影響，因此在偵察系統(tǒng)設(shè)計時會綜合考慮測角精度、覆蓋空域、無模糊測角范圍、系統(tǒng)復(fù)雜性等因素，并允許各通道間存在一定的相位容差。但在復(fù)雜電磁環(huán)境下，同時到達(dá)多信號、收發(fā)天線極化失配、干擾等因素，都會嚴(yán)重影響各天線間相位誤差的測量，引起各通道相位誤差超過設(shè)計容差，導(dǎo)致系統(tǒng)解相位模糊失敗[5]。解模糊失敗一般包含兩種情況，一種是使用式(1)求解角度時，反正弦的絕對值大于1，導(dǎo)致無法求解相應(yīng)角度；另一種是求得的相位模糊數(shù)k值與真實值不一致，導(dǎo)致求解出與真實角度相差較大的錯誤角度。在定位層面上，第一種解模糊失敗的結(jié)果是無法給出相應(yīng)脈沖的位置信息，第二種則給出一個與真實位置相差較大(幾十千米甚至上百千米級)的錯誤定位結(jié)果，即出現(xiàn)定位跳區(qū)現(xiàn)象，且單次定位結(jié)果無法判斷該位置是否是解模糊失敗造成的跳區(qū)結(jié)果。

常規(guī)的干涉儀測向定位系統(tǒng)，獲得信號的角度時僅使用了信號的相位信息，而未利用信號的幅度信息，本文則在利用相位差解模糊獲得信號角度的同時，利用陣列信號處理中波束合成的原理，將各接收通道接收的信號進(jìn)行移相和合成，通過判斷合成信號的幅度相對單個通道信號幅度提高的多少來判斷當(dāng)前角度是否為信號的真實角度，若不是則給該定位結(jié)果賦予解模糊失敗標(biāo)識，說明該位置為虛假定位結(jié)果?，F(xiàn)以一維四陣元3基線干涉儀為例說明本方法的原理，假定信號入射角度為θ0，信號復(fù)包絡(luò)為s0(t)，信號功率為Ps，信號波長為λ，各通道噪聲為功率相同且獨立的白噪聲。以最左側(cè)陣元A為參考陣元，則系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)的矩陣形式可以表示為：X(t)=[s0(t)+n1(t),s0(t)ejφ+n2(t),…,s0(t)ej(N-1)φ+

nN(t)]T=a(θ0)s0(t)+n(t)

(7)

式中，n(t)為4×1維噪聲向量，a(θ0)=[1,ejφ1,ejφ2,ejφ3]T為各通道接收信號的相位差構(gòu)成的矩陣，其中：

φi=(2πLi/λ)sinθ0(i=1,2,3)

(8)

在角度θ方向上對系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行波束合成，波束合成的加權(quán)矢量為：

a(θ)=[1,ej2πL1/λsinθ,ej2πL2/λsinθ,ej2πL3/λsinθ]T

(9)

則合成信號可表示為：

(10)

波束合成后信號功率為：

(11)

定義合成信號功率相對于單個通道信號的功率提高比值為G(單位為dB)，即：

(12)

當(dāng)θ=θ0時，合成信號功率可達(dá)到最大值為單個通道信號功率的N2倍(信號信噪比提高N倍)，即20lg(N)dB。在信號入射角度附近合成信號功率G接近最大值，而偏離入射角度合成功率下降較多，可以根據(jù)天線個數(shù)、基線設(shè)計方式及信號頻率得到系統(tǒng)理論波束方向圖，因此可以選取低于波束方向圖主瓣功率高于最高旁瓣功率的合適值作為門限，用信號的G值與門限進(jìn)行比較來判斷測角結(jié)果是否解模糊失敗，從而識別定位結(jié)果是否出現(xiàn)跳區(qū)。使用跳區(qū)判別的電子偵察系統(tǒng)的信號處理流程如圖2所示。

圖2 信號處理流程

該方法與直接利用各通道信號進(jìn)行波束合成方法不同，由于干涉儀特殊的基線設(shè)置方式，天線陣列的陣元數(shù)較少且排布稀疏，因此使用常規(guī)波束形成方法難以達(dá)到較高的測角精度。而本文方法，雖然沒有提高測向、定位精度，但是利用波束合成信號功率的提高去除了干涉儀解模糊失敗導(dǎo)致的虛假目標(biāo)，保證了電子偵察系統(tǒng)情報的準(zhǔn)確性。

3 仿真分析

下面通過仿真分析來驗證本文方法識別干涉儀解模糊失敗的性能。假定衛(wèi)星軌道高度為500km，采用相互正交的二維基線實現(xiàn)對輻射源信號的角度測量，基線布局如圖1所示，其中L1=1.2m,L2=1.8m,L3=2.7m，偵收信號頻率范圍為0.3～0.5GHz，在WGS-84地球橢球模型下求解定位結(jié)果。輻射源信號頻率f=300MHz，系統(tǒng)鑒相誤差15°(均方根)，系統(tǒng)共計接收10萬個脈沖，該10萬個脈沖的二維測向結(jié)果與目標(biāo)定位結(jié)果如圖3～4所示。

圖3 原始測角結(jié)果

圖4 原始定位結(jié)果

圖3中圓圈表示所有可能的模糊測角結(jié)果，方框表示真實角度，可以看出，除解算出真實角度外，還有部分脈沖出現(xiàn)解模糊失敗，得到多個模糊測角結(jié)果。在測角結(jié)果的基礎(chǔ)上獲得的定位結(jié)果如圖4所示，可以看出除獲得目標(biāo)真實位置外，還有多個定位跳區(qū)結(jié)果，直接影響情報的準(zhǔn)確性。利用本文方法，在原測向定位基礎(chǔ)上使用解模糊失敗識別方法，得到測角結(jié)果和定位結(jié)果如圖5～6所示。

圖5 去除跳區(qū)后測角結(jié)果

圖6 去除跳區(qū)后定位結(jié)果

由圖5～6可以看出，本文方法能夠有效識別模糊測角結(jié)果，在定位結(jié)果中去除了由于測角解模糊失敗導(dǎo)致的虛假目標(biāo)，得到目標(biāo)真實位置附近的唯一定位結(jié)果，這證明了該方法的有效性。

4 結(jié)束語

本文提出的星載干涉儀解模糊失敗識別方法，依據(jù)陣列信號處理原理，在原有干涉儀測向方法的基礎(chǔ)上，充分利用了各接收通道信號的幅度信息，可以有效識別由于干涉儀解模糊失敗導(dǎo)致的定位跳區(qū)現(xiàn)象，對提高星載電子偵察系統(tǒng)的情報準(zhǔn)確性有著較重要的意義。■

[1] 袁孝康.相位干涉儀測向定位研究[J].上海航天,1999(3):1-7.

[2] 袁孝康.空間電子偵察的幾個問題[J].航天電子對抗,1996,12(3):3-5.

[3] 李興華,顧爾頓.干涉儀解模糊技術(shù)研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2008,36(3):93-96.

[4] 翟慶偉.最小二乘法測向技術(shù)研究[J].無線電工程,2008,38(3):55-57.

[5] 龔文斌,謝愷,馮道旺,等.星載無源定位系統(tǒng)測向定位方法及精度分析[J].長沙電力學(xué)院學(xué)報,2004,19(4):65-67.

[6] 趙勇慧.提高相位干涉儀測向精度與改善測角范圍的探討[J].火控雷達(dá)技術(shù),2002,31(2):34-37.

A recognition method for solving ambiguity failure of satellite-borne interferometer

Zhang Guangyu, Wang Duxiang, Chen Zhuo, Ji Quan

(No.8511 Research Institute of CASIC, Nanjing 210007, Jiangsu, China)

Concerned with the solving ambiguity failure of direction finding using satellite-borne interferometer in complex electronic electromagnetic environment, a recognition method based on beam-forming principle is proposed. Signal amplitude of each receiving channel is used effectively based on direction finding method of interferometer, and whether the correctness of direction finding result can be identified by using the power of beamforming signal. The efficiency of this method is proved by simulations.

satellite-borne interferometer; direction finding; localization

2017-02-21；2017-05-08修回。

張廣宇(1988-)，男，碩士，主要研究方向為電子偵察技術(shù)、陣列信號處理等。

TN971+.1

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