基于時差和頻差的無人機對干擾輻射源無源定位研究運用

韓璐潞

【摘要】? ? 在電子技術以及無線通信技術快速發(fā)展的情況，無源定位技術在軍用系統(tǒng)以及應用系統(tǒng)都發(fā)揮了至關重要的作用。在無源系統(tǒng)中利用定位技術可以完成陸地、海洋以及空中交通導航等工作。而對無源定位系統(tǒng)來說，確定定位目標的位置可以提高電子對抗能力，摧毀敵方武器。在對無源定位技術進行研究時，要重視單平臺和多平臺無源定位的具體特點，并且要根據(jù)無源定位對輻射源參數(shù)的具體檢測要求，研究基于時差與頻差的無人機對干擾輻射源無源定位的具體應用情況。根據(jù)研究結果提出提高無源定位精準性的相關方法，進一步促進無源定位系統(tǒng)的發(fā)展。

【關鍵詞】? ? 時差? ? 頻差? ? 無人機定位? ? 干擾源? ? 無源定位

無源定位指的是接收站不需要發(fā)射探測目標的電磁波，只需要被動地接受目標輻射、反射以及散射的電磁波信號，就能夠完成目標定位的技術。這種定位技術應用過程更加簡單方便，并且定位精度比較高在各領域都有所應用。無源定位技術具有良好的隱蔽性、抗干擾能力，在電子戰(zhàn)、航海導航等領域的應用比較普遍。在無人機技術、網絡技術和智能技術、物聯(lián)網技術不斷發(fā)展的背景下，加強基于時差和頻差的無源定位技術研究工作至關重要，可以提高無源定位技術的精準度，促進無源定位系統(tǒng)在不同領域的應用和推廣。

一、無源時差定位系統(tǒng)與頻差定位系統(tǒng)

目前無源定位系統(tǒng)主要包括單站和多站協(xié)同兩類系統(tǒng)。單站定位系統(tǒng)相對簡單，但是定位精度受到一定限制。為了提高定位精度，需要進行多次測量。因此，定位時間相對較長。多站無源定位需要利用布站空間內分布的不同接收站在接受目標源信號后進行相應處理，最后完成定位工作。整個系統(tǒng)的運行相對復雜，但是多站定位精度以及定位速度都相對較快。目前，無源定位技術主要包括到達時間定位技術、到達角度定位技術、到達時間差定位技術、到達評差定位技術等。利用兩種或者多種技術進行混綜合應用被稱為聯(lián)合定位技術[1]。到達角度點位技術在使用過程中，需要利用天線陣列或者方向性的天線才能夠完成輻射源信號測量作業(yè)。主要是對輻射源的俯仰角以及方位角進行定位。在該技術應用中，要至少完成兩個不同位置的測量，才能夠確保定位的精準性。雖然原理比較簡單，但是信號到達角的測量精度受信道環(huán)境的影響比較大。到達時間定位技術需要完成輻射源信號到達接收機絕對到達時間測量，并將其轉化為輻射源與接收機之間的傳播距離。這時可以利用多個圓周角交匯確定目標的空間位置。這種定位方法在應用中必須要保證輻射源到達接收機的絕對時間準確。因此，需要確保接收機與輻射源時間同步，在實際應用中實現(xiàn)難度比較大。

無源時差定位技術是目前應用和研究相對較多的定位系統(tǒng)。無源時差定位技術在上世紀60年代就已經開始研究，該定位技術在應用過程中方便進行組網，定位緊密的股比較高，能定位寬帶低譜密度無線電信號。我國對無源時差平臺定位系統(tǒng)的研究相對較晚，直到上世紀90年代才開始研究。

無源頻差定位指的是輻射源與接收機之間相對運動產生的多普勒頻差對目標進行定位的技術。這一定位技術一般是衛(wèi)星對地面物體進行觀測定位。無源頻差定位技術可以作為補充信息，提高無源時差定位技術的精度。時差和頻差聯(lián)合定位技術在應用過程中，最少利用兩顆衛(wèi)星就能夠對輻射源定位，可以節(jié)約定位成本。

二、雙無人機對干擾源的定位技術

目前，根據(jù)接受機平臺的數(shù)量差異，可以將干擾輻射源無源定位系統(tǒng)分為單平臺測量定位系統(tǒng)以及多平臺測量定位系統(tǒng)。其中單平臺定位系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)通信量相對較少，需要的定位時間比較長。而多平臺定位速度相對比較快，精度比較高。在實際定位過程中，可以利用平臺之間的協(xié)同工作完成大量數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)組網比較復雜。并且在系統(tǒng)生產運行過程中，需要機動時復雜程度更高。在實際使用過程中可以利用兩架無人機作為測量平臺，基于時差和頻差完成干擾輻射源無源定位。這種雙人機干擾源定位技術的基線比較長，并且移動速度比較快，容易產生大頻差，提高定位精度。利用雙無人機對干擾源無源定位系統(tǒng)進行操作時，主要包括無人機1和無人機2。兩架無人機需要在空間完成配置，并且要保持一定的距離。同時利用時差方程和頻差方程進行計算。

其中d表示的是兩架無人機之間的距離，、表示的是地面目標到兩架無人機之間的距離矢量。

通過對干擾源信號到達無人機的時間差以及頻率差可以獲取定位目標的坐標，其中時差可以確定三維空間的雙曲面，而頻差主要確定三維空間的橢球面。地球作為三維空間球面，通過面面相交可以獲取空間曲線，而線面相交可以獲取空間點，從而獲取干擾源的具體位置信息。根據(jù)雙平臺的具體特性在實際運行中只有一個真實值。因此，可以代入原方程進行驗證。或者直接用其他參數(shù)輔助判斷干擾源目標的位置。

三、基于時差與頻差的無人機對干擾輻射源無源定位誤差

3.1定位誤差分析

在兩架無人機接受干擾源信號時差與頻差過程中，可以確定定位目標的定位曲線時差與目標位置、無人機的位置存在一定聯(lián)系。而多普勒頻率差與目標位置、無人機的位置也有一定聯(lián)系。同時從無人機的運動速度方面出發(fā)進行分析，也會對定位精度產生一定影響。在定位過程中的定位誤差可以利用最小均方差獲取。此外，還需要對定位精度進行幾何稀釋：

GDOP代表的是無人機布設以及干擾源之間的位置關系對定位精度產生的具體影響。Pn代表的是定位參數(shù)測量對定位精度產生的。定位誤差主要包括幾何因子以及測量因子兩部分。在對定位誤差進行控制的過程中，需要選擇良好的布戰(zhàn)幾何，才能減少系統(tǒng)不同的測量誤差與計算誤差。進而提高干擾源的定位精度。

3.2無人機布站

在開展無人機布站時，需要對無人機與地面干擾源之間的位置關系進行深入探討，無人機與地面干擾源之間的位置關系主要包括以下兩種：第一種是無人機運動方向和基線方向相同，也就是平行布站;第二種是無人機運動方向和基線方向垂直為垂直布站。假設兩架無人機的運動速度在水平方向上為0，在垂直方向上的距離為90米/秒，載頻為3GHz，基線的距離為5000米。如果無人機利用平行布站，曲線以無人機中心位置作為中心，將接收機前進的方向或者垂直方向作為對稱軸，在機械垂直方向的時差為0。如果無人機利用的是垂直布站，曲線以兩架無人機的中心位置作為中心對稱，在基線垂直方向的時差也為0。經過仿真實驗，發(fā)現(xiàn)平行布站以及垂直布站時，每一個時差值有兩個位置與其對應。對干擾源定位模糊度進行分析，可以確定平行布站與垂直布站獲取的定位精度相同[2]。無人機利用垂直配置時，基線的垂線以及基線方向的多普勒頻率差為0;利用平行配置時，基線方向的多普勒頻差為0，但是基線的中垂線都多普勒頻差出現(xiàn)變化。不同的無人機布站配置、速度、方向不同，多普勒頻率差之間有一定差距。載頻越高，多普勒頻差越大，距離會越近;多普勒頻率差越大，基線也越長。多普勒頻差會越大。無人機利用平行布站時，曲線主要是以兩架無人機的中心位置作為中心，形成中心對稱狀態(tài)，并且接收機前進方向和垂直方向都是對稱軸。在基線方向上多普勒頻率差為0。無人機為垂直布站時，曲線將兩架無人機的中心作為中心位置，形成中心對稱?；€方向與基線中垂線多普勒頻差為0。說明每一個多普勒頻差測量值中都有四個位置與多普勒頻率差對應。對干擾源定位的模糊度進行分析，平行布站比垂直布站更具有優(yōu)勢。如果時差頻率測量精度相同，對干擾源定位模糊度進行分析，可以發(fā)現(xiàn)兩架無人機利用時差和頻差開展干擾源定位時，水平布站方式具有更強的優(yōu)勢，不僅可以提高定位效率，而且能夠確保定位精度。

3.3測量參數(shù)的影響

在對基于時差與頻差無人機無源干擾定位系統(tǒng)應用時，兩架無人機對干擾源的定位精度與其他定位參數(shù)也有一定關系。目前，對無人機無源定位精度產生的影響的因素主要包括干擾源到無人機的距離、兩架無人機之間的距離、時差頻差的測量精度以及無人機的飛行速度等。在具體的研究中，需要對不同參數(shù)下的定位精度進行深入分析。主要研究不同參數(shù)對具體的定位精度產生的影響進行全面把握。根據(jù)不同參數(shù)，對基于時差、頻差的無人機無源定位測量精度進行分析，可以看出無人機定位精度與兩架無人機將基線作為對稱軸時，可以將定位精度圖分為基線區(qū)、寬邊區(qū)（基線左右區(qū)域）、窄邊區(qū)（基線上下區(qū)域）。其中寬邊區(qū)的定位精度最高、基線區(qū)的定位精度次之、窄邊區(qū)的定位精度最低。并且在基線延長線上，定位誤差較大，在基線的中垂線方向上定位誤差相對較小。經過對不同測量參數(shù)的對比可以獲取以下結論：第一，隨著無人機到干擾源距離的不斷縮短，定位精度會逐漸提高。因此，在利用無人機完成無源定位工作時，可以降低無人機的飛行高度，有利于提高定位精度。第二，定位誤差隨著無人機的基線長度縮短而增加，因此在開展定位工作時，可以延長無人機的基線長度，有利于確保定位精度。第三，如果無人機飛行高度和基線長度處于穩(wěn)定狀態(tài)，時差與頻差測量精度不斷提升，也能夠提高無人機對干擾源的定位精度。第四，無人機的飛行速度降到30米/秒時，在基線垂線方向距離10千米左右部位對干擾源的定位精度從飛行速度90米/秒的228.69米降低到495.31米。因此，無人機的飛行速度會對定位精度產生直接影響。無人機的飛行速度越高，定位精度越高。因此，利用無人機開展無源定位時，需要根據(jù)具體的定位需求和定位區(qū)域，合理控制無人機飛行速度[4]。

四、結束語

總而言之，基于時差與頻差對無人機干擾輻射源的無源定位系統(tǒng)進行研究的過程中，需要根據(jù)當前電子技術和無線通信技術的發(fā)展現(xiàn)狀，全面掌握時差和頻差之間的關系，探討時差與頻差與無人機飛行速度、兩架無人機之間的距離、無人機與地面干擾源的距離對定位精度產生的具體影響。這樣才能夠在無源定位過程中對無人機的飛行速度、飛行距離、飛行方向等進行合理控制，從而提高輻射源定位精度。經過驗證可以確定，無人機的時差、頻差測量能夠對干擾輻射源進行無源定位。但是在具體的定位作業(yè)中，必須根據(jù)實際區(qū)域以及具體的定位需求，對無人機進行科學配置和布局。盡可能降低在無人機定位過程中存在的誤差，保證測量精度，從而確保定位結果的精確性。

參? 考? 文? 獻

[1]孫亞釗. 運動多站時差無源高精度定位技術研究[D]. 哈爾濱工程大學， 2019.

[2]屈天開. 多站無源時差頻差聯(lián)合定位算法研究與多核DSP實現(xiàn)[D]. 哈爾濱工程大學， 2019.

[3]侯世敏， 杜劍平， 姚振寧，等. 基于時頻差的雙同步衛(wèi)星干擾源定位誤差與衛(wèi)星構型研究[J]. 信息工程大學學報， 2020（1）.