非合作C模式信號識別與無源定位仿真分析

王俊文,周浩天,王盼盼

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

0 引 言

與一次雷達(dá)利用目標(biāo)散射雷達(dá)發(fā)射的電磁波對其進(jìn)行探測定位的原理不同,二次雷達(dá)由地面詢問機(jī)和機(jī)載應(yīng)答終端合作完成定位。高精度無源定位[1]是一種非合作監(jiān)視技術(shù):當(dāng)多站定位時,在不增加機(jī)載設(shè)備的前提下,可以通過多個地面無源接收站接收機(jī)載應(yīng)答機(jī)信號,提取到達(dá)時間差或各個站點(diǎn)獨(dú)立測向值,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)時差或測向交叉定位;當(dāng)單站定位時,可以通過地面無源接收站對接收的機(jī)載應(yīng)答機(jī)信號進(jìn)行方位和俯仰兩維測向,結(jié)合應(yīng)答機(jī)高度碼聯(lián)合實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。

民航機(jī)載應(yīng)答機(jī)發(fā)出的應(yīng)答信號包括A模式代碼、C模式高度和S模式信息,其中A模式代碼和C模式高度代碼的脈沖形式完全相同。在二次雷達(dá)合作模式下,地面雷達(dá)詢問站通過詢問脈沖實(shí)現(xiàn)應(yīng)答脈沖的模式識別,而在非合作無源定位系統(tǒng)中,因不知道地面雷達(dá)站發(fā)出的詢問脈沖類別,也就無法判別收到的應(yīng)答是A模式還是C模式。因此,對于一個單站無源定位系統(tǒng),如何從接收到的繁雜的機(jī)載應(yīng)答信號中識別出C模式,并提取高度信息、提高單站的兩維測向精度尤為重要。

1 A/C模式脈沖編碼規(guī)則與識別

A/C模式應(yīng)答信號時序如圖1所示,其中F1、F2為框架脈沖,脈沖間隔為(20.3±0.1)μs, SPI是特殊位置識別碼脈沖,這3個脈沖時序固定為0 μs、20.3 μs、24.65 μs。信息脈沖包含A、B、C、D共4類,每一類都包含3個信息。兩框架脈沖之間的12個碼可以編成4 096個獨(dú)立的應(yīng)答碼,相鄰信息脈沖時間間隔為1.45 μs,脈沖寬度均為0.45 μs。備用脈沖X恒為低電平。在F2脈沖后4.35 μs位置的為SPI脈沖,用于區(qū)分來自兩個應(yīng)答目標(biāo)的兩組相同的應(yīng)答碼。應(yīng)答信號中的信息由12個脈沖攜帶,二進(jìn)制1代表該脈沖存在,二進(jìn)制0代表該脈沖不存在。對應(yīng)于不同的詢問模式,應(yīng)答信號可以傳遞的信息包括識別代碼、高度信息等。

圖1 應(yīng)答信號時序圖

由于A/C模式應(yīng)答信號采用相同的格式,信息脈沖的標(biāo)志和位置也一樣,在非合作模式下,在接收到A/C應(yīng)答碼后,無法知道是高度碼還是識別碼。通過分析兩種模式信號的編碼規(guī)則以及實(shí)際工程應(yīng)用場景[2-5],非合作接收A/C碼識別可以采取排除法,工程應(yīng)用中的具體操作方法總結(jié)如下:

(1)在信號處理完成機(jī)載應(yīng)答信號脈沖參數(shù)測量以及信號分選后,將結(jié)果輸出至數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)處理將分選輸出的12位信息重新從高到低排列,格式為A4A2A1、B4B2B1、C4C2C1、D4D2D1,并按照8進(jìn)制進(jìn)行翻譯顯示,如果分選輸出的SPI脈沖標(biāo)識位出現(xiàn),則該條碼字判為模式A;

(2)按照步驟(1)進(jìn)行翻譯碼字,若翻譯碼字信息為7 500、7 600、7 700之一,則該條碼字判為模式A(特殊危急信息代碼);

(3)按照步驟(1)進(jìn)行翻譯碼字,若翻譯碼字中C為0、5、7之一,則該條碼字判為模式A。因?yàn)樵诟叨染幋a中,C組碼是5周期循環(huán)碼,連續(xù)遞增5次,標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)碼才遞增1次,若信息碼C組尾數(shù)為1、2、3、4、6,可能是高度碼,也可能是識別碼;

(4) 按照步驟(1)進(jìn)行翻譯碼字,若翻譯碼字中D為1、2、3、5、6、7之一,則該條碼字判為模式A因?yàn)楦鶕?jù)高度編碼規(guī)則,若 D1為1,等同于飛機(jī)高度大于30 km,目前的民航飛機(jī)還未達(dá)到此高度,故D1為0;另外,民航飛機(jī)飛到18 km的概率也較少,D2基本也為0;

(5)在其他情況下,可根據(jù)無源接收站點(diǎn)的位置,判定接收機(jī)是處于機(jī)場附近起降區(qū)域,還是機(jī)場外飛機(jī)航路航線飛行區(qū)域,因?yàn)樵诤铰泛骄€飛行區(qū)域,C模式高度碼通常不會發(fā)生變化,可以結(jié)合中國民航劃定5 000 m以上不同飛行高度層與對應(yīng)編碼之間的關(guān)系以及飛機(jī)的飛行航向進(jìn)行綜合判斷。

2 結(jié)合高度碼的單站定位算法模型

機(jī)載應(yīng)答信號單站無源定位系統(tǒng)利用單站分別對目標(biāo)信號進(jìn)行方位、俯仰兩維高精度測向,并結(jié)合飛機(jī)C模式高度碼信息對目標(biāo)進(jìn)行單站定位。假設(shè)目標(biāo)在大地坐標(biāo)系中方位角為α、俯仰角為β、高程信息為h,偵察站與目標(biāo)距離為s,地球半徑為R,單站無源定位模型如圖2所示。

圖2 單站無源定位模型

假設(shè)目標(biāo)在直角坐標(biāo)系中的位置為x、y、z,通過大地坐標(biāo)系與直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換可得

(1)

為了描述定位誤差與幾何位置的關(guān)系,引入定位精度的幾何稀釋度GDOP來描述定位誤差的三維幾何分布,其表達(dá)式為

(2)

式中,δx、δy、δz分別為3個方向上的定位標(biāo)準(zhǔn)差。

定位方程可表示為

(3)

微分可得

(4)

定位誤差協(xié)方差矩陣可以表示為

PdX=E[dXdXT]=C{E[dVdVT]}CT

(5)

式中,

假設(shè)方位角度測量Δα、俯仰角度測量Δβ、高度信息測量Δh的誤差均服從零均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別為δΔα、δΔβ、δΔh的高斯分布。單站定位GDOP為

(6)

3 仿真分析

通過上述算法模型推導(dǎo)可知定位精度受方位、俯仰等觀測值影響,考慮高程測量精度10 m情況下,針對不同測向誤差情況進(jìn)行仿真。

仿真1:方位測角精度1°、俯仰測角精度1°,不同高度與俯仰角度目標(biāo)的GDOP如圖3所示。

圖3 不同高度與俯仰角度下目標(biāo)定位精度仿真1

仿真2:方位測角精度0.5°、俯仰測角精度0.5°,不同高度與俯仰角度目標(biāo)的GDOP如圖4所示,兩維測向精度較仿真1得到提高,定位精度提高明顯。

圖4 不同高度與俯仰角度下目標(biāo)定位精度仿真2

仿真3:方位測角精度0.3°、俯仰測角精度0.5°,不同高度與俯仰角度目標(biāo)的GDOP如圖5所示,方位測向精度較仿真2得到提高,對定位精度的影響較小。

圖5 不同高度與俯仰角度下目標(biāo)定位精度仿真3

仿真4:方位測角精度0.5°、俯仰測角精度0.3°,不同高度與俯仰角度目標(biāo)的GDOP如圖6所示,俯仰測向精度較仿真2得到提高,定位精度提高明顯。

圖6 不同高度與俯仰角度下目標(biāo)定位精度仿真4

可以看出,結(jié)合高程信息的單站無源定位模型受測角精度影響較大,俯仰測角精度的影響比方位測角精度的影響大;要實(shí)現(xiàn)工程可用的定位精度,測角精度須控制在0.3°～ 0.4°左右,尤其是俯仰測角精度。

4 結(jié)束語

單站無源定位是一種新式高效目標(biāo)定位技術(shù),相對于多站時差與測向交叉等無源定位系統(tǒng),具有系統(tǒng)簡單、高效等特點(diǎn)。本文針對機(jī)載應(yīng)答A/C模式信號特點(diǎn),分析并總結(jié)相關(guān)識別方法,工程實(shí)用性較強(qiáng);在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)并仿真了基于方位、俯仰測角信息與高程信息的單站無源定位算法,可為單站無源定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供參考。