對(duì)時(shí)差無源定位系統(tǒng)的相干干擾技術(shù)

陳 慧，李 昊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引 言

時(shí)差無源定位由于具有較好的隱蔽性和精確性,應(yīng)用廣泛，如捷克的“維拉”系列、俄羅斯的“卡爾丘塔”地基無源定位系統(tǒng)[1]，以及美國(guó)海軍“白云”星座電子情報(bào)偵察系統(tǒng)、天基廣域監(jiān)視系統(tǒng)等，都采用了多站時(shí)差定位技術(shù)體制對(duì)目標(biāo)輻射源進(jìn)行無源定位。特別是美軍電子情報(bào)偵察衛(wèi)星具有全天候、全空域的電子偵察監(jiān)視能力，兩小時(shí)內(nèi)可對(duì)全球任一區(qū)域監(jiān)測(cè)一次[2]。傳統(tǒng)雷達(dá)主要采用被動(dòng)措施對(duì)抗電子偵察，如無線電靜默、波束控制、功率控制等[3],但被動(dòng)防護(hù)嚴(yán)重影響了己方裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮，需要研究有源對(duì)抗的積極手段來予以應(yīng)對(duì)。

1 相關(guān)處理在時(shí)差無源定位系統(tǒng)中的應(yīng)用

根據(jù)多站時(shí)差無源定位系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求,滿足定位的前提條件是3個(gè)或以上偵察站能夠同時(shí)偵收到同一部雷達(dá)輻射源發(fā)射的同一個(gè)脈沖信號(hào),根據(jù)信號(hào)到達(dá)不同站的時(shí)差信息來對(duì)目標(biāo)輻射源進(jìn)行雙曲線定位。在時(shí)差無源定位精度要求基線保證一定的長(zhǎng)度、多站同時(shí)覆蓋同一片區(qū)域、各站偵察天線保證一定的波束寬度等客觀要求下，各站同時(shí)能夠偵收到輻射源波束的主瓣信號(hào)的概率較小。特別是針對(duì)當(dāng)前廣泛應(yīng)用的陣列天線窄波束雷達(dá)的偵察,因此偵察單站必須具備副瓣偵收的能力,時(shí)差無源定位系統(tǒng)必須具有較高的偵察靈敏度。

傳統(tǒng)的偵察系統(tǒng)為了提高接收機(jī)靈敏度而采取的方法在無源定位系統(tǒng)中難以應(yīng)用,如通過降低接收機(jī)噪聲系數(shù)對(duì)接收機(jī)靈敏度的改善意義不大，甚至導(dǎo)致成本的增加；減小接收機(jī)帶寬會(huì)犧牲接收機(jī)的截獲概率和偵收的信號(hào)能量，并導(dǎo)致脈沖波形失真進(jìn)而影響脈沖到達(dá)時(shí)間(TOA)的測(cè)量；匹配接收需要知道所接收信號(hào)的信息結(jié)構(gòu),這在非協(xié)作方式的電子戰(zhàn)環(huán)境中是難以實(shí)現(xiàn)的[4]。由于時(shí)差無源定位系統(tǒng)各站偵收的目標(biāo)信號(hào)來自于同一輻射源，信號(hào)具有相關(guān)性，而大部分噪聲是獨(dú)立隨機(jī)的，因此時(shí)差無源定位系統(tǒng)多采用多站相關(guān)處理的方法來解析信號(hào)并測(cè)量脈沖到達(dá)時(shí)差信息。

對(duì)于平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)x(t)和y(t)，其互相關(guān)函數(shù)可以表示為：

Rxy(τ)=E[x(t)y(t-τ)]=

(1)

在實(shí)際中常需在有限的時(shí)間內(nèi)計(jì)算互相關(guān)函數(shù)的估計(jì)值，如在主站、副站和目標(biāo)輻射源構(gòu)成的幾何三角關(guān)系中，有三角不等式：

0

(2)

式中：d表示主、副站間的基線長(zhǎng)度。

真實(shí)到達(dá)時(shí)差是在一定的范圍內(nèi)，這個(gè)范圍與主站到副站的距離有關(guān)且必須滿足上式，通過上式的限制可以降低匹配時(shí)的數(shù)據(jù)量，即在限制的時(shí)間范圍內(nèi)選取數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)處理[5]。

副站將偵收到的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給主站，2路信號(hào)之間表現(xiàn)為純延時(shí)的特性，可用互相關(guān)法測(cè)量延遲的時(shí)間。假設(shè)x(t)經(jīng)過延時(shí)T得到另一路信號(hào)：y(t)=Ax(t-T)，則互相關(guān)處理后為：

Rxy(τ)=E[x(t)y(t-τ)]=

E[x(t)x(t-T-τ)]=Rxx(τ+T)

(3)

可見，互相關(guān)處理后即為自相關(guān)函數(shù)，只不過峰值較原自相關(guān)函數(shù)發(fā)生了偏移，偏移值即為測(cè)量時(shí)差T。

因此采用互相關(guān)信號(hào)匹配法，能夠有效地抑制不相關(guān)的噪聲干擾，提高檢測(cè)信噪比；與此同時(shí)還能夠較準(zhǔn)確地測(cè)得2路通道間的信號(hào)時(shí)差，甚至在同時(shí)存在多個(gè)不同頻率等參數(shù)的信號(hào)時(shí)也可以一并處理檢測(cè)出時(shí)差信息，避免了微弱信號(hào)條件下的信號(hào)檢測(cè)、參數(shù)測(cè)量等問題，因此相關(guān)處理在時(shí)差無源定位系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。

2 對(duì)時(shí)差無源定位系統(tǒng)的相干干擾

由于時(shí)差無源定位系統(tǒng)采用相關(guān)處理技術(shù)，能夠很好地抑制不同通道間相互獨(dú)立的接收噪聲，但對(duì)于多站共同覆蓋區(qū)域內(nèi)同一個(gè)噪聲源信號(hào)，由于具有相關(guān)性，通過相關(guān)處理是無法抑制掉的，并且還有處理增益，因此對(duì)時(shí)差無源定位系統(tǒng)傳統(tǒng)的干擾方法主要采用噪聲，如有源噪聲調(diào)頻干擾[6]，利用來源于同一噪聲信號(hào)的相關(guān)處理增益去惡化檢測(cè)信噪比。但噪聲干擾也存在很多問題，主要表現(xiàn)在同一噪聲源信號(hào)自相關(guān)處理后波形特別窄、積累高，而脈沖信號(hào)自相關(guān)處理后波形展寬，和噪聲自相關(guān)波形明顯不同；另外由于時(shí)差不同，在經(jīng)過相關(guān)處理后，噪聲干擾信號(hào)的波形增益峰值和被保護(hù)目標(biāo)信號(hào)的波形增益峰值位置不一致，時(shí)域上達(dá)不到遮蓋的干擾效果。相關(guān)處理時(shí)，被保護(hù)目標(biāo)脈沖信號(hào)和干擾噪聲信號(hào)因獨(dú)立而各自相關(guān)得到增益，相互之間影響不大。

2.1 對(duì)時(shí)差無源定位系統(tǒng)的相干干擾模型

噪聲干擾不能影響對(duì)被保護(hù)目標(biāo)信號(hào)的相關(guān)處理增益，但若采用與被保護(hù)目標(biāo)信號(hào)具有相干性的干擾信號(hào)，就可以破壞多站間對(duì)目標(biāo)信號(hào)的相關(guān)處理結(jié)果，造成相關(guān)失配，形成欺騙時(shí)差信息。因此提出針對(duì)時(shí)差無源定位系統(tǒng)的相干干擾方法，其戰(zhàn)術(shù)配置如圖1所示。

圖1 對(duì)時(shí)差無源定位系統(tǒng)的相干干擾配置示意圖

干擾站部署在距離被保護(hù)雷達(dá)一定范圍，既便于接收并轉(zhuǎn)發(fā)雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)，又不至于干擾到雷達(dá)的正常工作。干擾站通過通信或者偵察手段，接收雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)，再存儲(chǔ)、調(diào)制、發(fā)射出去，對(duì)時(shí)差無源定位系統(tǒng)形成轉(zhuǎn)發(fā)干擾。時(shí)差無源定位系統(tǒng)各站大概率偵收目標(biāo)雷達(dá)波束的副瓣信號(hào)，而干擾站即使在窄波束情況下，也可以對(duì)其中的某個(gè)偵察站實(shí)施主瓣干擾，因此在干信比上能夠容易滿足要求。

以其中一主一副兩站為例，假設(shè)主偵察站直接偵收被保護(hù)雷達(dá)的信號(hào)為xs(t)=Azsx(t)，則通過副站轉(zhuǎn)發(fā)偵收的雷達(dá)信號(hào)為ys(t)=Afsx(t-Ts)；主偵察站直接偵收的干擾站轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號(hào)為xj(t)=Azsx(t-ΔT)，通過副站轉(zhuǎn)發(fā)偵收的干擾信號(hào)為yj(t)=Afjx(t-ΔT-Tj)，其中Ts為主、副站偵收目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)的時(shí)差，Tj為主、副站偵收干擾信號(hào)的時(shí)差，ΔT為干擾站轉(zhuǎn)發(fā)雷達(dá)信號(hào)的延時(shí)。則主站將偵收的主、副兩路信號(hào)X(t)=xs(t)+xj(t)、Y(t)=ys(t)+yj(t)進(jìn)行相關(guān)處理得：

RXY(τ)=E{[xs(t)+xj(t)][ys(t-τ)+

yj(t-τ)]}=Rss(τ)+Rsj(τ)+

Rjs(τ)+Rjj(τ)

(4)

其中不難得出：

(5)

從上可以看出，2路相關(guān)處理的輸出結(jié)果中包含了4個(gè)成分：主副路偵收的雷達(dá)信號(hào)自相關(guān)輸出Rss(τ)、主副路偵收的干擾信號(hào)自相關(guān)輸出Rjj(τ)、主路雷達(dá)信號(hào)和副路干擾信號(hào)互相關(guān)輸出Rsj(τ)、主路干擾信號(hào)和副路雷達(dá)信號(hào)互相關(guān)輸出Rjs(τ)，相關(guān)處理輸出的波形取決于這4個(gè)部分的占比，如果能盡量降低雷達(dá)信號(hào)自相關(guān)輸出Rss(τ)所占的比重，就可以達(dá)到干擾抑制目標(biāo)定位的效果。

2.2 信號(hào)功率對(duì)相關(guān)輸出波形峰值位置的影響

由于采用轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，干擾信號(hào)和雷達(dá)信號(hào)除了信號(hào)功率、時(shí)間延時(shí)不同外，可以忽略其它參數(shù)的不同，因此主副路相關(guān)處理后的輸出波形僅與4個(gè)信號(hào)的功率、時(shí)間延遲有關(guān)，其中信號(hào)功率的相對(duì)大小影響相關(guān)輸出波形主峰的位置，也就是判斷時(shí)差偏移的位置：

(1) 當(dāng)max(Azj，Afj)≤min(Azs，Afs)時(shí)，相關(guān)后Rss(τ)最大，信號(hào)時(shí)差信息還能提取，干擾無效；

(2) 當(dāng)min(Azj，Afj)≥max(Azs，Afs)時(shí)，相關(guān)后Rjj(τ)最大，目標(biāo)被定位到干擾站上；

(3) 當(dāng)Azj>Afs≥max(Afj，Azs)時(shí)，相關(guān)后Rjs(τ)最大，峰值轉(zhuǎn)移，時(shí)差信息提取錯(cuò)誤，干擾有效；

(4) 當(dāng)Afj>Azs≥max(Azj，Afs)時(shí)，相關(guān)后Rsj(τ)最大，峰值轉(zhuǎn)移，時(shí)差信息提取錯(cuò)誤，干擾有效；

(5) 當(dāng)min(Azj，Azs)≥max(Afj，Afs)或min(Afj，Afs)≥max(Azj，Azs)時(shí)，即在同一路出現(xiàn)2個(gè)信號(hào)同時(shí)大、同時(shí)小的情況，相關(guān)后Rss(τ)、Rjs(τ)、Rsj(τ)、Rjj(τ)的值被均勻、大小區(qū)分不明顯，Rss(τ)不一定能呈現(xiàn)絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，也會(huì)導(dǎo)致不能檢測(cè)出目標(biāo)信號(hào)的時(shí)差信息。其中當(dāng)Azj=Azs且Afj=Afs時(shí)，Rss(τ)=Rjs(τ)=Rsj(τ)=Rjj(τ)，形成4個(gè)等高峰值波形。

從以上分析可以看出，要對(duì)時(shí)差無源定位系統(tǒng)進(jìn)行有效干擾，2路接收通道中干擾信號(hào)功率至少要比其中一路目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)的功率強(qiáng)，但2路均為干擾信號(hào)功率最強(qiáng)的情況也會(huì)導(dǎo)致干擾站被穩(wěn)定定位。理想的情況是：其中一路接收的干擾信號(hào)和另外一路偵收的雷達(dá)信號(hào)來相關(guān)處理并獲取得到最大增益，即相關(guān)失配，來欺騙定位系統(tǒng)提取錯(cuò)誤的時(shí)差信息，造成定位錯(cuò)誤，也即(3)、(4)中的情形。

2.3 干擾信號(hào)延時(shí)對(duì)相關(guān)輸出波形峰值位置的影響

在瞬時(shí)空間相對(duì)位置確定的情況下，信號(hào)接收、轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)差是固定的，即Ts、Tj值是固定的。因此對(duì)(1)、(2)中的情形，由公式(5)可以得出無源定位系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)雷達(dá)或干擾站的定位是確定的、不可更改的；但對(duì)于(3)、(4)中的情形，根據(jù)失配相關(guān)計(jì)算公式：

(6)

可以看出，失配相關(guān)輸出峰值Rjs(τ)、Rsj(τ)的位置除了和相對(duì)固定的Ts、Tj有關(guān)系外，還和轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)參數(shù)ΔT有關(guān)系，而該參數(shù)除了和干擾站及被保護(hù)雷達(dá)之間的距離、信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)等有關(guān)外，還可以通過數(shù)字射頻存儲(chǔ)器(DRFM)來控制延時(shí)量，以產(chǎn)生不同時(shí)差信息、不同位置輻射源的欺騙干擾。延時(shí)拖引干擾的過程可以是線性連續(xù)的，欺騙產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)輻射源的軌跡；也可以是動(dòng)態(tài)離散的，造成時(shí)差無源定位系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)定位的隨機(jī)跳躍，無法形成穩(wěn)定的固定地點(diǎn)或者運(yùn)動(dòng)軌跡。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

以一主一副兩站間的相關(guān)處理為例，假設(shè)干擾站距離被保護(hù)雷達(dá)12 km，時(shí)差無源定位系統(tǒng)主副站基線長(zhǎng)度為50 km，雷達(dá)、干擾站位于無源定位系統(tǒng)偏正前方；扣除基線延時(shí)，設(shè)置時(shí)差Ts=15 μs、Tj=25 μs；偵察站中頻處理后的目標(biāo)信號(hào)中頻頻率為50 MHz，脈沖重復(fù)周期為200 μs，脈寬為5 μs；為了便于觀察，設(shè)置主副路偵收的目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)信噪比分別為9 dB、1 dB，主副路偵收的干擾信號(hào)信噪比分別為-1.4 dB、12 dB。在采樣時(shí)間滿足T<2d/c的情況下，不失一般性，以1個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)采樣為例，進(jìn)行相關(guān)處理。

圖2分別是主站和副站偵收到的被保護(hù)雷達(dá)信號(hào)和干擾信號(hào)時(shí)域波形圖，其中主站接收到的干擾信號(hào)和副站接收到的雷達(dá)信號(hào)信噪比相對(duì)較低，波形不明顯。在沒有干擾的情況下，時(shí)差無源定位系統(tǒng)只偵收到雷達(dá)信號(hào)，進(jìn)行主副站相關(guān)處理提取時(shí)差信息，原理過程如圖3所示，時(shí)差Ts可通過2路信號(hào)的自相關(guān)和互相關(guān)來測(cè)得。

圖2 主、副站偵收的信號(hào)波形圖

圖3 無干擾時(shí)相關(guān)時(shí)差測(cè)量原理圖

圖4 干擾時(shí)相關(guān)時(shí)差測(cè)量波形圖(ΔT=40 μs)

當(dāng)施加干擾后，2路信號(hào)經(jīng)過相關(guān)處理，分別積累得到4個(gè)處理增益，信號(hào)強(qiáng)度滿足情況(4)的條件，其中Rsj(τ)增益最大，會(huì)導(dǎo)致時(shí)差無源定位系統(tǒng)將Rsj(τ)誤判為Rss(τ)，特別是在低信噪比的弱信號(hào)偵察的情況下，其它3個(gè)峰值相比于噪聲并不明顯，導(dǎo)致時(shí)差測(cè)量、無源定位錯(cuò)誤，如圖4所示。根據(jù)公式(6)，增大轉(zhuǎn)發(fā)干擾延時(shí)ΔT的值，會(huì)導(dǎo)致Rsj(τ)峰值位置發(fā)生偏移，時(shí)差測(cè)量誤差增大，如圖5所示。

當(dāng)進(jìn)一步控制加大干擾延時(shí)ΔT=170 μs時(shí)，副站干擾脈沖信號(hào)進(jìn)入下一重復(fù)周期(加上干擾信號(hào)到達(dá)副站與主站的時(shí)差25 μs、主站雷達(dá)信號(hào)到達(dá)時(shí)間在10 μs位置)并領(lǐng)先下一周期的主站雷達(dá)信號(hào)，相關(guān)處理后出現(xiàn)Rsj(τ)向自相關(guān)中心右偏的情況，即副站干擾信號(hào)領(lǐng)先主站雷達(dá)信號(hào)，如圖6所示。

圖6 干擾時(shí)相關(guān)時(shí)差測(cè)量波形圖(ΔT=170 μs)

繼續(xù)增大干擾延時(shí)，峰值繼續(xù)左移，當(dāng)干擾延時(shí)ΔT超過重復(fù)周期200 μs后，上述干擾過程周期性重復(fù)出現(xiàn)。由此可見，合理控制干擾延時(shí)，就能夠控制產(chǎn)生假目標(biāo)欺騙時(shí)差信息，甚至還能產(chǎn)生超前到達(dá)時(shí)差，進(jìn)而模擬不同位置的假目標(biāo)輻射源。

4 結(jié)束語

通過對(duì)時(shí)差無源定位系統(tǒng)的相干干擾分析，可以為反電子偵察提供一些參考思路。轉(zhuǎn)發(fā)式干擾是實(shí)施相干干擾的最佳途徑，另外由于相關(guān)處理對(duì)信號(hào)相位的要求不是很嚴(yán)格，也可以在確保知悉雷達(dá)信號(hào)載頻變化規(guī)律的先驗(yàn)信息前提下，干擾站自身產(chǎn)生非相干干擾，實(shí)驗(yàn)證明只要頻率偏差在1%以內(nèi)，同樣能實(shí)現(xiàn)針對(duì)相關(guān)處理的干擾。這里需要注意的是，針對(duì)時(shí)差無源定位系統(tǒng)的相干干擾的前提條件是重點(diǎn)干擾多站中的一個(gè)偵察站，造成該站偵收的干擾信號(hào)和其它站偵收的雷達(dá)信號(hào)失配相關(guān)，而不是同時(shí)干擾所有站，導(dǎo)致干擾站被定位。在干擾天線設(shè)計(jì)上可采用陣列天線窄波束，戰(zhàn)術(shù)上可將波束對(duì)準(zhǔn)其中的一個(gè)偵察站，如干擾一邊的副站，即可達(dá)到相干干擾的要求。