返回散射單站定位技術(shù)應(yīng)用研究

楊雷明　張曙光　黃曉靜　田德元

摘要：傳統(tǒng)的單站定位需要測(cè)向機(jī)同時(shí)提供天線陣接收信號(hào)的方位角和仰角，而仰角由于電離層的影響會(huì)產(chǎn)生劇烈變化，嚴(yán)重影響定位精度，給定位帶來(lái)很多困難。為了降低電離層的影響，研究了單站定位中的方位-多普勒定位方法，并且根據(jù)在返回散射試驗(yàn)平臺(tái)上獲取的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了數(shù)據(jù)分析結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，此方法受電離層影響較小，具有較好的定位精度，符合工程應(yīng)用要求，同時(shí)為后續(xù)的目標(biāo)跟蹤奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)握径ㄎ?定位精度;方位-多普勒定位;返回散射

中圖分類號(hào)：TN957 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）13-0273-03

Abstract： Traditional single station positioning requires direction finder to provide azimuth and elevation of received antenna array signal at the same time. Elevation will change dramatically due to the influence of ionosphere， which seriously affects the positioning accuracy and brings many difficulties to positioning. ?In order to reduce the influence of ionosphere， the azimuth-Doppler positioning method in single station positioning is studied， and the data analysis results are given based on a large number of experimental data obtained on the backscatter test platform. The experimental results show that this method is less affected by the ionosphere， has better positioning accuracy， meets the requirements of engineering application， and lays the foundation for subsequent target tracking.

Key words： single station location; location accuracy; azimuth-Doppler; backscatter

1 背景

電波在電離層中的傳播過(guò)程復(fù)雜，不同的電離層狀態(tài)對(duì)無(wú)線電波的傳播會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。由于電離層是有損的各向不均勻介質(zhì)，因而無(wú)線電波在電離層中傳播時(shí)會(huì)受到折射效應(yīng)、色散效應(yīng)、多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)、去極化效應(yīng)等影響。此外，由于電離層的不均勻體結(jié)構(gòu)會(huì)造成無(wú)線電波傳播時(shí)產(chǎn)生相位、幅度、到達(dá)角以及極化特征的改變，從而出現(xiàn)電離層電波傳播中常見(jiàn)的快衰落和慢衰落現(xiàn)象[1]，單站定位技術(shù)不僅能避免多站交會(huì)定位中需要多站協(xié)作而導(dǎo)致的如各站之間溝通不暢，時(shí)間不同步等一系列問(wèn)題，而且有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。它能夠較為方便的與短波電子對(duì)抗，短波電臺(tái)信號(hào)偵查等系統(tǒng)集成，從而完成短波信號(hào)的定位、偵查、識(shí)別，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行對(duì)抗、壓制和打擊。

目前，已有的單站定位方法多是采用利用電離層探測(cè)信息結(jié)合仰角和方位角來(lái)獲得輻射源的位置。由于電離層的影響會(huì)導(dǎo)致接收仰角起伏不定，嚴(yán)重影響單站定位的定位精度。實(shí)際工作中，通過(guò)仰角進(jìn)行單站定位的相對(duì)誤差小于收發(fā)距離的10%是可以接受的[2]。而在天波超視距雷達(dá)中探測(cè)距離往往在1000km以上，10%的距離誤差是不符合工程應(yīng)用要求的。

為了降低電離層對(duì)單站定位精度的影響，對(duì)單站定位方法中的方位-多普勒定位方法進(jìn)行了研究，首先介紹了返回散射探測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，然后闡述了方位-多普勒定位方法原理，通過(guò)對(duì)該試驗(yàn)平臺(tái)獲取大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出了分析結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果表明，基于該試驗(yàn)平臺(tái)的方位-多普勒定位方法受電離層影響較小，有較好的定位精度，符合工程應(yīng)用要求，同時(shí)為后續(xù)目標(biāo)跟蹤奠定基礎(chǔ)。

2 返回散射探測(cè)系統(tǒng)

返回散射探測(cè)是發(fā)射與接收裝置位于同一地點(diǎn)，電波在被電離層反射后到達(dá)很遠(yuǎn)的地面，由于地面的不均勻性的散射作用，以致有一小部分能量再經(jīng)由電離層反射返回到接收點(diǎn)而被接收的過(guò)程，如圖1所示。由于返回探測(cè)覆蓋范圍比較廣，能夠得到沿探測(cè)方向上的大量電離層信息而得到廣泛應(yīng)用，在電離層探測(cè)中有著重要的作用[3-6]。

探測(cè)系統(tǒng)收發(fā)同站，采用的信號(hào)形式為線性調(diào)頻脈沖，接收系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

1） 模擬接收作為系統(tǒng)的前端接收設(shè)備，通過(guò)天線接收到射頻信號(hào)后，采用超外差方式，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波放大，混頻輸出固定的中頻信號(hào)。

2）數(shù)字接收采用A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字下變頻和濾波技術(shù)將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換至數(shù)字基帶信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了模擬中頻信號(hào)的數(shù)字化，改善信號(hào)的信噪比。

3）通道校準(zhǔn)對(duì)多個(gè)通道的基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)校處理，使各通道的基帶數(shù)據(jù)滿足幅相一致性要求。

4）脈沖壓縮采用頻率FFT方法，將校準(zhǔn)后數(shù)據(jù)與線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，生成脈壓數(shù)據(jù)。

5）多波束合成在指定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行多方位的常規(guī)波束合成，生成多方位的波束合成數(shù)據(jù)。

6）相干積累將波束合成數(shù)據(jù)緩存指定的幀數(shù)，通過(guò)加窗和頻率FFT方法最終生成返回散射探測(cè)電離層譜圖。如圖3所示。

圖3為返回散射探測(cè)電離層譜圖，橫軸為多普勒信息，縱軸為群距離信息。由圖3可以看出返回散射電離圖有三條比較明顯的豎線，中間為地雜波，兩邊為一階海雜波Bragg峰，頻率為[fbrag=0.102fob]，其中[fob]為目標(biāo)探測(cè)工作頻率，單位MHz，目標(biāo)因移動(dòng)速度產(chǎn)生的多普勒頻率為[fd=2vcfob]，其中[v]為徑向速度。圖3中正負(fù)Bragg峰約為0.45 Hz，海雜波分別展寬到-0.6Hz和0.9Hz，對(duì)應(yīng)最小徑向速度分別為4.7m/s和7.1m/s。

3 方位-多普勒定位

方位-多普勒定位原理如下圖所示。

如圖4所示，電磁波信號(hào)從目標(biāo)臺(tái)發(fā)射，以仰角[β]在空中傳播，在電離層高度為h處被反射回地面，到達(dá)測(cè)向站[7]。對(duì)地球采用球面模型，地球半徑R，通過(guò)返回散射譜分析可以得到群距離P，利用電離層模型或者垂直探測(cè)儀可以獲取的反射點(diǎn)電離層高度h，根據(jù)三角形余弦定理

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)陣列為均勻線陣，陣元間距7米，陣元個(gè)數(shù)20個(gè)，頻率19115kHz，采樣率80k，脈沖重復(fù)周期100ms，積累次數(shù)1024。已知目標(biāo)所在角度為102°。本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)全部為夏季的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果如下圖所示，圖6為全方向數(shù)字波束形成后得到的幅度值，由圖中可以看出目標(biāo)在102°附近時(shí)幅度最大，此時(shí)最大值所在的方位即為目標(biāo)的估計(jì)方位。圖7為多次測(cè)試形成的方位誤差分布圖，通過(guò)圖7計(jì)算出的目標(biāo)方位誤差在[-0.5°，0.5°]之間，均方根誤差為0.189°。

圖8為通過(guò)多次計(jì)算分析得到的目標(biāo)定位誤差統(tǒng)計(jì)分布，通過(guò)圖8可以看出目標(biāo)的定位精度在30km以內(nèi)，通過(guò)計(jì)算得出平均誤差為16.2km，均方根誤差為17.3km。圖9為目標(biāo)定位誤差隨時(shí)間變化曲線，由圖9可以看出定位誤差隨時(shí)間變化而變化，總體趨勢(shì)為早上和晚上定位誤差較大，中午時(shí)分定位誤差較小，主要是由于中午時(shí)分電離層電子濃度達(dá)到最高，電離層狀態(tài)比較穩(wěn)定，早晚電離層變化比較快，對(duì)電波產(chǎn)生不規(guī)則散射造成電波傳播特征的變化，以及電離層高度產(chǎn)生變化的原因，導(dǎo)致定位誤差增大。

5 結(jié)論

利用方位-多普勒定位方法在返回散射探測(cè)平臺(tái)進(jìn)行目標(biāo)定位需要獲取目標(biāo)的方位、距離以及電離層高度信息。試驗(yàn)結(jié)果表明，目標(biāo)的方位誤差受電離層的影響起伏變化不大，距離誤差和電離層高度誤差由于電離層影響會(huì)在一定范圍內(nèi)起伏變化，但是基本在要求以內(nèi)，沒(méi)有出現(xiàn)較大的誤差變化，可用度高。與傳統(tǒng)的單站定位小于收發(fā)距離10%的定位精度相比，本文算法精度較高，受電離層變化影響較小，滿足工程應(yīng)用要求，同時(shí)也為后續(xù)的目標(biāo)跟蹤奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周文瑜， 焦培南. 超視距雷達(dá)技術(shù)[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2008： 362-363.

[2] 彭濤， 韓仿仿， 林自豪. 單站定位短波信號(hào)的誤差分析[J]. 監(jiān)測(cè)檢測(cè)， 2012（7）.

[3] 蔚娜， 柳文，李強(qiáng)，等. 電離層側(cè)向散射探測(cè)試驗(yàn)研究[J]. 電子學(xué)報(bào)， 2012（9）.

[4] PONOMARCHUKSN， KURKINVI. The diagnostics of ionosphere and earth ground surface by Backscatter sounding data[C]//PIERS Proceedings. Cambridge， MA： The Electromagnetics Academy， 2009： 1307-1310.

[5] 李吉寧， 李雪， 楊東升. 高頻返回散射探測(cè)中一種特殊現(xiàn)象成因及特性分析[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2015（8）.

[6] 孫廣俊， 齊東玉， 李鐵成，等. 利用返回散射系統(tǒng)監(jiān)測(cè)海洋回波[J]. 電子學(xué)報(bào)， 2005， 33（7）.

[7] 張君毅. 短波單站定位[J]. 無(wú)線電通信技術(shù)， 2000， 26（5）： 20-21.

[8] 張成峰， 黃曉靜， 張長(zhǎng)亮. 基于雜波背景分割二維恒虛警檢測(cè)算法研究[J]. 中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)， 2018（13）.

[9] 胡耀垓， 宋歡，姜春華，等. 小功率高頻返回散射電離圖的自動(dòng)判讀[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2016， 44（6）.

[10] 郭延波， 李雪， 程延峰. 基于形狀識(shí)別的返回散射電離圖分類方法研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)， 2016（31）.

[11] 李居尚， 戰(zhàn)萌澤. 天波超視距雷達(dá)空海目標(biāo)探測(cè)難點(diǎn)與對(duì)策[J]. 飛航導(dǎo)彈， 2018（12）.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】