實現雙/多基地雷達時間同步的一種新方法

馮廣飛,謝軍偉,楊守國,程智峰

（空軍工程大學,三原 713800）

0 引 言

雙/多基地雷達由于收發分置,在體制上天然具備了反隱身、抗干擾、抗低空突防和抗反輻射導彈的優勢,與此同時也帶來了收發站之間的同步問題,而時間同步是實現雙/多基地雷達同步的關鍵技術之一。雙/多基地跟蹤雷達為了實現高精度的距離解算,要求時統的精度為數十納秒以下,目前只有衛星雙向中繼法、GPS衛星授時、光纖通信和搬運鐘能夠滿足精度要求。目前滿足高精度時間同步要求且使用方便的授時系統是GPS授時,但在戰時GPS容易受到干擾,因此對不依賴于GPS的高精度的時間校準技術進行研究是一個亟待解決的課題。

這里提出了一種新的時間同步校準方法。通過短波束或有、無源電視同步信號進行一次校時,達到基本對準的目的,精度可達1～5 ms。在一次校時基礎上,利用現代雷達大多具有多通道、多目標跟蹤能力的特點進行二次校時,通過接收站不同通道對同一目標進行跟蹤,分別實施雙基測量和單基測量,對雙基和單基測量值進行最小二乘處理,利用遺傳算法進行最優化搜索,仿真結果表明單雙基測量值比對可以達到高精度的時間同步。

1 對目標進行單、雙基測量和比對的時間校準方法

1.1 對已知目標測量的時間校準方法

假設有已知的地標,相對發射站和接收站的距離已知,分別為RT和RR,則雙基距離和為RS=RT+RR,如圖1（b）所示,發射站對目標進行照射,接收站對雙基距離和進行測量,其實測值為RS′,如圖1（a）所示,則接收站與發射站同步信號的時差為△τ=（RS′-RS）/c,調整接收站同步脈沖的時延,即可實現收、發站的時間同步。當△τ＞0時,延時△τ；當△τ＜0時,延時T-|△τ|。

假設雷達第i次測量值為RS′（i）,測量值中包含的系統誤差為△RXT（i）,雷達對已知目標進行了N次測量,則△τ的估計值為:

圖1 對已知目標測量實現時間同步示意圖

該方法比較簡單,但當收發站相距較遠時,受地物遮擋和地球曲率的影響很難找到照射站和接收站均能通視的標定點,因此該方法實用價值不大。

1.2 對未知目標進行單、雙基測量和比對的時間校準方法

1.2.1 基本原理

新型雷達大多采用了相控陣技術,因此具有多目標跟蹤能力,使雷達的2個目標通道同時對同一批目標進行跟蹤。其中一個通道對目標的單基信號進行跟蹤,另一個通道對雙基信號進行跟蹤。

設雙多基地雷達的時間同步誤差為△τ,在第i時刻測得的目標單基距為R（i）,接收站測量得到的高低角為 ε（i）,方位角為β（i）,雙基距為Rs（i）,進行系統誤差補償后,各測量分量為:

式中 :△R（i）、△ε（i）、△β（i）、△R（i）為系統誤差的補償量,可事先得到；c為光速。

則由i時刻目標的雙基距離和、高低角和方位角可解得目標的單基距:

式中:L為照射站和接收站的基線距離。

1.2.2 △τ的估計

f（△τ）是△τ的非線性函數,故采用最小二乘法對f（△τ）進行求解時必須進行線性化,而△τ在整個距離周期內具有很大的隨機性,因此不宜用最小二乘法進行求解,仍可采用遺傳算法求解以上非線性優化問題,為此構造遺傳算法如下:

（1）誤差參數的選擇及約束條件

誤差參數選擇△τ,0＜△τ＜T,T為距離周期。

（2）編碼方式

由于△τ每次工作隨機性很大,取值范圍大,精度要求很高,選擇浮點數編碼的方法進行編碼。

（3）目標函數和適應度函數的確定

目標函數為:

在Matlab遺傳算法工具箱中,適應度函數要求目標函數減小時適應度減小。因為目標函數是求函數最小值的問題,因此適應度函數與目標函數一致。

（4）遺傳算子的選擇

采用最優保存策略,同時采用輪盤賭算法,交叉操作選擇中間重組算法,選用高斯變異算法。

（5）參數選擇

進化過程中,從搜索時間等角度考慮,群體規模選為50,交叉概率選為0.8,變異概率選為0.01。

設置算法最大重復執行次數為200,終止代數為50,停滯時間為20 s。確定遷移方向為前向,即遷移發生在下一個種群,也就是第N個子種群遷移到第N+1個子種群。間隔為20,即2次遷移間經過20代,遷移比率設置為0.1。

2 仿真結果及分析

假設照射站和接收站的基線距離為40 km；目標作等高直線飛行,飛行高度為8 000 m,目標速度為420 m/s,航跡斜距范圍 10～40 km,航向角為7π/4,航路捷徑為0；單基距經誤差補償后的起伏誤差為5 m,高低角和方位角經誤差補償后的起伏誤差為2′,雙基距離和的起伏誤差為5 m。

假設收發站之間的時差為10-5s,采用遺傳算法搜索的結果為 1.001 93×10-5s,兩者相差19.3 ns,利用Matlab遺傳算法工具箱進行仿真,各代適應度圖形和最優個體圖形如圖2所示。

圖2 適應度圖形和最優個體圖形

假設收發站之間的時差為10-4s,采用遺傳算法搜索的結果為9.999 22×10-5s,兩者相差7.8 ns,各代適應度圖形和最優個體圖形如圖2所示。

圖3 適應度圖形和最優個體圖形

由仿真結果可看出,系統誤差為0時,遺傳算法具有很高的搜索精度,說明該方法是可行的,但需要指出的是當系統誤差補償不完善時,搜索的精度將變差,同時搜索的精度也與航跡的選擇有關,為了得到高的時間同步精度,應選擇遠離基線的航跡。

3 結束語

本文針對GPS容易受干擾的缺點,提出了先用短波或電視信號進行一次校時,再通過對目標雙基測量,與單基測量值比對的二次校時方法。運用最小二乘方法建立目標函數,再用遺傳算法進行最優搜索,結果表明可以達到高的時間同步精度。驗證了這種時間同步校準的方法在理論上是可行的,至于具體的實踐可行性還需作進一步的試驗和分析。

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