石林艷 ,蔣柏峰 ,王宏,費(fèi)華蓮
(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所,上海 201802;2.中國(guó)電子科學(xué)研究院,北京 100041)
工程與應(yīng)用
非合作探測(cè)技術(shù)與電子偵察技術(shù)的綜合應(yīng)用
石林艷1,蔣柏峰2,王宏1,費(fèi)華蓮1
(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所,上海 201802;2.中國(guó)電子科學(xué)研究院,北京 100041)
本文介紹了非合作無(wú)源探測(cè)技術(shù)和電子偵察技術(shù)的基本概念、技術(shù)特點(diǎn)和使用特點(diǎn)。針對(duì)現(xiàn)代越來(lái)越復(fù)雜的電磁環(huán)境,本文提出了非合作探測(cè)技術(shù)與電子偵察技術(shù)綜合應(yīng)用的兩種方式,第一個(gè)方式是利用參數(shù)關(guān)聯(lián)融合技術(shù)將非合作探測(cè)平臺(tái)的定位跟蹤參數(shù)與單站電子偵察平臺(tái)的測(cè)試參數(shù)特征結(jié)合起來(lái),既完成了輻射源參數(shù)的探測(cè)又實(shí)現(xiàn)了載輻射源目標(biāo)的跟蹤定位,從而擴(kuò)展成為類(lèi)似一體化綜合無(wú)源偵察定位能力的新平臺(tái),針對(duì)這個(gè)應(yīng)用方式,本文給出了應(yīng)用實(shí)現(xiàn)方案;第二個(gè)應(yīng)用方式是實(shí)現(xiàn)艦載或機(jī)載非合作探測(cè)中的外輻射源快速定位技術(shù),本文針對(duì)該定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn),進(jìn)行了詳細(xì)的定位原理推導(dǎo)、定位誤差精度分析及誤差精度仿真。
非合作雙基地雷達(dá);數(shù)據(jù)融合;數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)
非合作無(wú)源探測(cè)技術(shù)屬于非合作雙(多)基地雷達(dá)技術(shù)范疇,是利用第三方輻射源發(fā)射的信號(hào)探測(cè)目標(biāo)的雙(多)基地?zé)o源雷達(dá)技術(shù)[1,2]。我們知道,對(duì)于接收站而言,合作雙(多)基地雷達(dá)發(fā)射站的發(fā)射波形是已知的,接收站可以隨時(shí)更新發(fā)射站的位置信息及發(fā)射波形的極化、頻率、波束形狀與波束寬度、掃描方式與掃描周期等參數(shù),因此接收站與發(fā)射站可以及時(shí)、快速地完成空時(shí)頻同步,獲得與單基地雷達(dá)探測(cè)相同的性能。但是,非合作的發(fā)射站輻射源的波形是未知的,需要通過(guò)電子偵察手段對(duì)如發(fā)射波形的極化、頻率、波束形狀與波束寬度、發(fā)射天線的掃描方式與掃描周期等波形參數(shù)等進(jìn)行精確的偵察接收,方能實(shí)現(xiàn)發(fā)射站、接收站的空時(shí)頻同步,進(jìn)而完成類(lèi)似單基地雷達(dá)性能的非合作探測(cè)工作。非合作無(wú)源探測(cè)技術(shù)的核心是無(wú)源相干定位技術(shù),其基本思想是以己方、敵方或中立方民用或軍用輻射源發(fā)射的直達(dá)波信號(hào)作為參考;該輻射源的發(fā)射信號(hào)經(jīng)探測(cè)目標(biāo)所反射后,被非合作無(wú)源探測(cè)平臺(tái)所接收;非合作無(wú)源探測(cè)平臺(tái)以直達(dá)波信號(hào)為參考,對(duì)探測(cè)目標(biāo)的反射信號(hào)進(jìn)行分析,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位和跟蹤[4]。非合作無(wú)源探測(cè)技術(shù),可以探測(cè)諸如捕獲時(shí)間、雙基地距離、多普勒頻率及方位等目標(biāo)參數(shù),但是不能確定目標(biāo)是否載有輻射源,及該輻射源的參數(shù)特性。
電子偵察技術(shù)是一種無(wú)源接收和信號(hào)處理的技術(shù),對(duì)偵察環(huán)境中的輻射源信號(hào),進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別,并對(duì)其工作參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和分析,從中得到有用信息。例如雷達(dá)偵察系統(tǒng)可以截獲、分析、識(shí)別和定位作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)雷達(dá)和通信電臺(tái)的電磁輻射信號(hào),通過(guò)分析可以了解戰(zhàn)場(chǎng)上的電磁態(tài)勢(shì)和敵方的作戰(zhàn)序列,為作戰(zhàn)指揮提供直接的情報(bào)支援和決策依據(jù)[3]。單站電子偵察技術(shù)主要估計(jì)目標(biāo)輻射源的參數(shù)特性,如脈寬、重周、頻率、幅度、多普勒頻率變化率和方位等,但是,一般情況下,單站電子偵察很難對(duì)載有輻射源的目標(biāo)進(jìn)行定位、跟蹤。
根據(jù)上面描述,可以看出非合作無(wú)源探測(cè)技術(shù)和電子偵察技術(shù)均屬于無(wú)源探測(cè)范疇,卻屬于兩種工作平臺(tái),采用兩種探測(cè)技術(shù)手段。非合作無(wú)源探測(cè)技術(shù)主要完成探測(cè)范圍內(nèi)的目標(biāo)的定位跟蹤,電子偵察技術(shù)則是檢測(cè)偵察范圍內(nèi)的目標(biāo)載輻射源的參數(shù)特征。能不能將兩個(gè)平臺(tái)的探測(cè)結(jié)果通過(guò)一定的技術(shù)手段關(guān)聯(lián)在一起,既能夠獲取目標(biāo)載輻射源的參數(shù)特征又能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行跟蹤定位呢?我們認(rèn)為這是可行的,并在下一節(jié)中提出了實(shí)現(xiàn)方案,這是非合作探測(cè)技術(shù)與電子偵察技術(shù)綜合應(yīng)用的第一個(gè)應(yīng)用方式。通過(guò)將兩個(gè)平臺(tái)的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行融合,擴(kuò)大了對(duì)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)載輻射源的檢測(cè)能力,為制定電子對(duì)抗作戰(zhàn)計(jì)劃、研究電子對(duì)抗戰(zhàn)術(shù)和發(fā)展電子對(duì)抗裝備提供了更為全面的依據(jù)。
非合作雙(多)基地雷達(dá)探測(cè)外輻射源反射目標(biāo)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,就是需要已知外輻射源輻射參數(shù)的特征并知道外輻射源的位置信息,它與非合作雙(多)基地雷達(dá)的空時(shí)頻系統(tǒng)同步問(wèn)題一樣關(guān)鍵、重要。如果外輻射源目標(biāo)位置未知,如何對(duì)外輻射源進(jìn)行定位呢?第三節(jié)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了充分的分析和研究,并提出了一種定位方法:通過(guò)數(shù)據(jù)鏈等輔助手段獲取該目標(biāo)的位置和方位參數(shù),在此基礎(chǔ)上,將反射目標(biāo)的位置、雙基地距離和外輻射源的方向參數(shù)聯(lián)合起來(lái),通過(guò)機(jī)載或艦載外輻射源、機(jī)載或艦載接收站及外輻射源照射反射目標(biāo)的幾何關(guān)系的推導(dǎo),實(shí)現(xiàn)對(duì)外輻射源快速定位。該外輻射源定位方法最大的優(yōu)點(diǎn)是不增加設(shè)備量,充分利用非合作探測(cè)技術(shù)和電子偵察技術(shù)手段,這是非合作探測(cè)技術(shù)與電子偵察技術(shù)綜合應(yīng)用的第二個(gè)應(yīng)用方式。
圖1 單站無(wú)源偵察定位技術(shù)能力實(shí)現(xiàn)的示意圖
通過(guò)將非合作檢測(cè)和電子偵察技術(shù)兩個(gè)平臺(tái)分別檢測(cè)到的目標(biāo)的捕獲時(shí)間、方位、多普勒頻率變化等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,可以將非合作探測(cè)的定位跟蹤參數(shù)與電子偵察的脈沖描述字參數(shù)反映到同一個(gè)偵收目標(biāo)上,實(shí)現(xiàn)類(lèi)似單站無(wú)源偵察定位功能。圖1為單站無(wú)源偵察定位技術(shù)能力實(shí)現(xiàn)的示意圖(也是使用場(chǎng)景)。顯示了非合作探測(cè)與單站電子偵察各自獨(dú)立工作,同時(shí)又實(shí)現(xiàn)參數(shù)融合的工作過(guò)程。圖中B區(qū)域?yàn)殡娮觽刹旃ぷ鬟^(guò)程,電子偵察設(shè)備為頻段寬開(kāi),能夠?qū)崟r(shí)偵收輻射源目標(biāo)的方向、輻射頻率、輻射脈寬、輻射重周和具體調(diào)制方式等PDW字和多普勒頻率變化等參數(shù);圖中A區(qū)域?yàn)榉呛献魈綔y(cè)設(shè)備中的外輻射源反射回波的檢測(cè)流程,主要是在寬頻段電子偵察設(shè)備中選擇某一個(gè)合適的窄頻段進(jìn)行脈沖級(jí)清晰偵收,從具體實(shí)現(xiàn),就是利用偵收的該窄頻段輻射源信號(hào),作為外輻射源直達(dá)波,并應(yīng)用雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)檢測(cè)該直達(dá)波反射的回波目標(biāo)的方向、雙基距離差和多普勒頻率參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)源非合作探測(cè),非合作探測(cè)的接收設(shè)備,需要采用高靈敏度接收技術(shù)。
將電子偵察和非合作探測(cè)在同一時(shí)間捕獲的參數(shù),通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行處理,從而得到待測(cè)目標(biāo)的位置、目標(biāo)載輻射源的PDW字等參數(shù)特征,極大地強(qiáng)化了對(duì)目標(biāo)信息的偵察接收能力。
圖1的系統(tǒng)工作方案和工作流程如下:
(1)寬頻段電子偵察設(shè)備無(wú)源偵收輻射源目標(biāo)。利用無(wú)源接收和偵察信號(hào)處理技術(shù),偵收輻射源目標(biāo)的捕獲時(shí)間、頻率、幅度、脈寬、重周、調(diào)制信息、多普勒頻率變化率和方位(DOA)等參數(shù);
(2)外輻射源直達(dá)波的偵收。通過(guò)直達(dá)波接收通道,無(wú)源偵收用于非合作探測(cè)的外輻射直達(dá)波的頻率、幅度、到達(dá)時(shí)間和重構(gòu)的原信號(hào)等參數(shù);
(3)非合作探測(cè)技術(shù)探測(cè)外輻射源反射回波目標(biāo)的位置。以偵收的直達(dá)波原信號(hào)和捕獲到直達(dá)波的時(shí)間標(biāo)記作為相關(guān)參考源和時(shí)間基準(zhǔn),利用雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)探測(cè)外輻射源目標(biāo)回波,定位和跟蹤該回波目標(biāo);
(4)數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)。針對(duì)不同平臺(tái)傳感器配準(zhǔn)問(wèn)題,利用基于最小二乘準(zhǔn)則或線性插值等時(shí)間配準(zhǔn)方法分析非合作探測(cè)和無(wú)源電子偵察捕獲到的信號(hào)到達(dá)時(shí)間、多普勒頻率變化和方位參數(shù)的偏差[6],并進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償。利用融合后的數(shù)據(jù),對(duì)目標(biāo)跟蹤定位并獲得該目標(biāo)載輻射源參數(shù)信息。
通過(guò)以上步驟的技術(shù)處理,兩個(gè)平臺(tái)獲得的目標(biāo)信息準(zhǔn)確反映到同一個(gè)目標(biāo)上,不僅提取了目標(biāo)輻射源狀態(tài)信息,還能定位并跟蹤目標(biāo),實(shí)現(xiàn)對(duì)控制區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的高精度實(shí)時(shí)無(wú)源電子偵察定位和運(yùn)動(dòng)軌跡估計(jì)。
隨著無(wú)源探測(cè)技術(shù)的發(fā)展,外輻射源照射信號(hào)可以有多種選擇,如FM廣播、數(shù)字音頻廣播(DAB)、全球移動(dòng)通信(GSM)、電視、衛(wèi)星、己方甚至敵方艦載、機(jī)載和固定雷達(dá)等。在這些選擇中,需要面對(duì)一個(gè)共同的問(wèn)題:就是如何確定外輻射源信號(hào)的參數(shù)特征和位置信息?上面的章節(jié)已經(jīng)提到了利用電子偵察技術(shù)截獲和精確估計(jì)外輻射源參數(shù),其實(shí),也可以考慮采用無(wú)源偵察定位技術(shù)來(lái)定位外輻射源目標(biāo)。
無(wú)源偵察定位技術(shù)的定位方法主要有:多站測(cè)角交叉定位,多站時(shí)差定位,多站時(shí)差頻差定位,和單站無(wú)源定位等四種基本定位方法,以及它們的組合定位方法。其中前三個(gè)定位方法需要至少兩個(gè)分離的無(wú)源偵察接收站同時(shí)協(xié)同工作才能完成定位功能,第四個(gè)單站無(wú)源定位方法是在單個(gè)電子偵察接收站完成的。對(duì)于非合作無(wú)源探測(cè)來(lái)說(shuō),如果接收站位置固定且有其他無(wú)源電子偵察站協(xié)同工作,可以采用前三種定位方法對(duì)未知的外輻射源直接偵察并定位;如果非合作無(wú)源探測(cè)的接收站和外輻射源發(fā)射站均為運(yùn)動(dòng)的,如艦載非合作探測(cè)或機(jī)載非合作探測(cè)等,就不能采用前三種定位方法。第四種單站無(wú)源定位方法,則不僅需要高精度的參數(shù)測(cè)試技術(shù),還要滿足單站無(wú)源定位可觀測(cè)性要求等條件。
單站無(wú)源定位與跟蹤過(guò)程框圖如圖2所示。
圖2 單站無(wú)源定位與跟蹤過(guò)程框圖
具體來(lái)說(shuō),單站無(wú)源定位與跟蹤可分成三大步:首先,盡可能多的獲得目標(biāo)輻射源的參數(shù),并選擇相應(yīng)的定位方法;其次,利用現(xiàn)有的參數(shù)測(cè)量技術(shù),盡可能提高參數(shù)的測(cè)量精度;最后,根據(jù)定位方法建立觀測(cè)模型,并選擇正確有效的跟蹤算法。定位方法、參數(shù)測(cè)量和跟蹤算法是單站無(wú)源定位與跟蹤技術(shù)的核心,決定著系統(tǒng)的定位速度和精度[5]??梢?jiàn)實(shí)現(xiàn)單站定位比較復(fù)雜,技術(shù)要求高,硬件設(shè)備量也相應(yīng)的會(huì)增多,有些情況下還需要接收站或外輻射源發(fā)射站有一定的運(yùn)動(dòng)速度和一定的機(jī)動(dòng)軌跡以滿足單站無(wú)源定位可觀測(cè)性要求等。所以單站無(wú)源定位方法需要具體問(wèn)題具體分析,并不是所有的非合作探測(cè)技術(shù)的外輻射源均可以采用電子偵察的單站無(wú)源定位方法定位的。本文提出了一種艦載或機(jī)載非合作探測(cè)中對(duì)外輻射源快速定位的方法:利用非合作探測(cè)技術(shù)探測(cè)到的已知位置目標(biāo),完成對(duì)發(fā)射站外輻射源的位置的快速定位。
2.1 定位原理
圖3所示為外輻射源定位的幾何示意圖。圖中:紅色點(diǎn)B為需要定位的外輻射源;藍(lán)色點(diǎn)A為數(shù)據(jù)鏈(散射回波目標(biāo));綠色O點(diǎn)為接收站。RL為接收站到外輻射源的距離;Rr為接收站到數(shù)據(jù)的距離;RT為外輻射源(發(fā)射站)到數(shù)據(jù)鏈的距離。
圖3 探測(cè)目標(biāo)已知的外輻射源定位示意圖
(1)
(2)
(3)
(4)
由(3)和(4)可得:
(5)
根據(jù)圖3的幾何圖形和公式(5)得,求外輻射源的(x,y)坐標(biāo)如下:
(6)
(7)
2.2 定位誤差精度分析
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
本文仿真分析了外輻射源的定位誤差。假設(shè)反射回波目標(biāo)距離接收站Rr=100 km,檢測(cè)誤差為:dRr=100 m;距離差dRs=200 m(距離差的檢測(cè)誤差);dθR=0.8°則定位誤差仿真圖見(jiàn)圖4所示。
圖4 機(jī)載或艦載非合作探測(cè)中外輻射源快速GDOP定位誤差仿真
圖5 機(jī)載或艦載非合作探測(cè)中外輻射源快速GDOP定位誤差比例仿真
從圖4和圖5中,可以看出當(dāng)接收站距離數(shù)據(jù)鏈(外輻射源散射回波)為100 km時(shí),在上面的誤差參數(shù)情況下,完全能夠?qū)ν廨椛湓催M(jìn)行定位。不過(guò)隨著接收站與外輻射源基線距離的(RL)增大(400公里以外),定位誤差精度也會(huì)隨著變大,這主要是由于接收站與外輻射源和數(shù)據(jù)鏈(外輻射源散射回波)夾角的測(cè)試誤差引起的,在實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)中需要盡量提高該夾角的檢測(cè)誤差精度。
通過(guò)上面的技術(shù)分析和公式推導(dǎo),可以看出本文提出的機(jī)載或艦載非合作探測(cè)中的外輻射源快速定位技術(shù)是可行的。艦載或機(jī)載非合作探測(cè)的接收站同時(shí)進(jìn)行非合作探測(cè)工作和外輻射源定位兩個(gè)功能時(shí),某些技術(shù)模塊能夠重復(fù)使用,提高了技術(shù)工程實(shí)現(xiàn)的可行性。
對(duì)外輻射源快速定位的工作流程如下:
(1)利用電子偵察技術(shù)偵收發(fā)射站外輻射源直達(dá)波信號(hào)參數(shù);
(2)非合作探測(cè)技術(shù)探測(cè)發(fā)射站輻射源反射回波目標(biāo)的方向和雙基地距離差參數(shù);
(3)利用數(shù)據(jù)鏈、ADS_B(廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視)或者其它方式獲得機(jī)載或艦載非合作探測(cè)到的一些目標(biāo)位置信息;
(4)通過(guò)方位信息、捕獲時(shí)間等共同的參數(shù),將已知位置的回波目標(biāo)參數(shù)與非合作探測(cè)參數(shù)關(guān)聯(lián)融合,得到外輻射源定位需要的參數(shù):目標(biāo)方位、目標(biāo)與接收站的距離、雙基地距離差、外輻射源方位等;
(5)利用非合作探測(cè)中運(yùn)動(dòng)接收站、運(yùn)動(dòng)發(fā)射站和已知目標(biāo)的幾何關(guān)系對(duì)非合作探測(cè)中的外輻射源快速定位。
本文主要探討了非合作探測(cè)技術(shù)與電子偵察技術(shù)綜合應(yīng)用的兩中使用方式。第一個(gè)方式是通過(guò)非合作探測(cè)到的跟蹤、定位參數(shù)和電子偵察檢測(cè)到的目標(biāo)載輻射源特征參數(shù)中共同的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,最終將兩個(gè)平臺(tái)各自檢測(cè)的數(shù)據(jù)融合成為某一個(gè)目標(biāo)的特征,實(shí)現(xiàn)類(lèi)似無(wú)源單站電子偵察定位技術(shù)能力。這種單站無(wú)源偵察定位技術(shù)能力實(shí)現(xiàn)沒(méi)有限制條件,可以在偵察環(huán)境內(nèi)充分發(fā)揮非合作探測(cè)技術(shù)和電子偵察技術(shù)效能,完成高精度偵察、定位。不過(guò)這種方式不能對(duì)自身無(wú)輻射源的目標(biāo)進(jìn)行電子偵察,只能對(duì)這類(lèi)目標(biāo)進(jìn)行非合作探測(cè)定位。
另外一個(gè)應(yīng)用方式是機(jī)載或艦載非合作探測(cè)中的外輻射源快速定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)分析了機(jī)載或艦載非合作探測(cè)中外輻射源快速定位的原理,推導(dǎo)了定位精度公式并給出了定位精度仿真圖,進(jìn)而給出了系統(tǒng)的工作步驟。機(jī)載或艦載非合作探測(cè)中的外輻射源快速定位是雙(多)基地雷達(dá)非合作探測(cè)必須解決的問(wèn)題,在多站無(wú)源偵察定位不能適用和單站無(wú)源偵察定位技術(shù)不具備可觀察性或者單站無(wú)源定位關(guān)鍵技術(shù)帶來(lái)太多硬件資源的情況下,本文提出的外輻射源快速定位技術(shù)不失為一個(gè)好的決策,但是需要知道輔助的散射回波目標(biāo)位置,需要己方數(shù)據(jù)鏈的支持,同時(shí)隨著接收站和外輻射源基線距離RL的增大,定位誤差會(huì)有所增大。
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Sythetic Application of Non-Cooperation Passive Detection and Electronic Reconnaissance Technology
SHI Lin-yan1, JIANG Bo-feng2,WANG Hong1,F(xiàn)EI Hua-Lian1
(1.The 51stResearch Institude of CETC,Shanghai 201802,China; 2.China Academy of Electronics and Information Technology,Beijing 100041,China)
What is introduced in this article is about the basic principle, technical characteristics and application of non-cooperative passive detectiontechnology and electronic reconnaissance technology. To solve the new issues encountered in the more and more complex modern electromagneticenvironment, two application scenarios are provided for the non-cooperative passive detectiontechnology and electronic reconnaissance technology. For the first application scenario, the location and tracing parameters from the non-cooperative detection platform, and the measurement parameters from the single-station electronic reconnaissance platform, are correlated and combined by the help of parameter correlation and fusion technology; the detection of parameters from radiant point, and the tracing location for theaeroplane-carried or warship-carried radiantpoint, could be realized at the same time; thus, it becomes an new platform like those integrative ones with the capability of passive detection and location. A realization scheme is provided for this scenario. For the second application scenario, the quick location technology for the outer radiant point is adopted for warship-carried or aeroplane-carriednon-cooperative detection.For this scenario, the orientation theory is analyzed in detail, the precision error is studied and the simulation result is provided.
bistatic radar based on non_cooperative technology;data fusion;data correlation
10.3969/j.issn.1673-5692.2017.04.010
2017-06-26
2017-08-09
某重點(diǎn)型號(hào)產(chǎn)品研究項(xiàng)目。
石林艷(1969—),女,山東人,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)闊o(wú)源偵察、非合作無(wú)源探測(cè)的信號(hào)處理工作;
E-mail:18016251629@163.com
蔣柏峰(1987—),男,博士,主要研究方向?yàn)殛嚵行盘?hào)處理、無(wú)源雷達(dá)信號(hào)處理等;
王 宏(1972—),男,內(nèi)蒙古人,研究員級(jí)高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)殡娮觽刹臁?duì)抗和非合作無(wú)源探測(cè)總體;
費(fèi)華蓮(1965—),女,上海人,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗領(lǐng)域情報(bào)研究。
TP212
A
1673-5692(2017)04-383-06