一種超短波超視距無源探測設(shè)備

杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院 汪立新 劉瀟依

1.引言

利用測向信息定位依據(jù)的基本原理是三角測量法，即利用運(yùn)動(dòng)的單個(gè)觀測站在不同位置測得的目標(biāo)方向角信息（每一個(gè)方向角對應(yīng)于一條定位直線），運(yùn)用交叉定位原理通過一定的定位算法確定出目標(biāo)輻射源的位置。當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)，“交叉”無法實(shí)現(xiàn)，定位過程實(shí)際上是對目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的估計(jì)或擬合，測向定位的幾何關(guān)系如圖1所示。

假設(shè)觀測站沿著VO方向運(yùn)動(dòng)，而目標(biāo)沿VT方向運(yùn)動(dòng)，定義運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的狀態(tài)向量，xT、yT是目標(biāo)在X、Y軸方向的位置坐標(biāo)， 、 是目標(biāo)在X、Y軸方向的速度。再定義觀測站的狀態(tài)向量，xO、yO是單觀測站在X、Y軸方向的位置坐標(biāo)， 、 是觀測站在X、Y軸方向的速度。r是目標(biāo)與觀測站的距離，β是r與Y軸方向的夾角。目標(biāo)在k+1時(shí)刻的狀態(tài)可由k時(shí)刻的狀態(tài)通過下式（1）遞推得到：

其中，T為觀測時(shí)間間隔，WK分別為由于各種因素引起的偏差， 表示目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型。從圖1的幾何關(guān)系可以得到下面的觀測方程：

考慮到觀測誤差噪聲，寫成向量形式，得到下式：

式（1）、（3）構(gòu)成了測向跟蹤定位方法的數(shù)學(xué)模型。無源跟蹤定位本質(zhì)上是一個(gè)非線性最優(yōu)估計(jì)問題，首先在坐標(biāo)系下建立系統(tǒng)狀態(tài)方程和觀測方程，然后在包含噪聲成分的觀測信息上進(jìn)行非線性動(dòng)態(tài)濾波，實(shí)時(shí)地估計(jì)目標(biāo)的位置信息以及相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

上面闡述了目標(biāo)跟蹤定位的數(shù)學(xué)原理，其利用的基本信息只有一種，那就是目標(biāo)信號(hào)的到達(dá)方向，該觀測信息直接決定了系統(tǒng)的作用距離和范圍。例如，對于海上的某些目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行探測，由于出海船只到達(dá)某一海域后，與目標(biāo)真實(shí)位置往往距離甚遠(yuǎn)，因此要求搜索設(shè)備具有極高的探測靈敏度，以滿足盡可能遠(yuǎn)的作用距離。而通常對于測向信息的獲取，傳統(tǒng)體制的超短波測向靈敏度較低，通常為數(shù)v/m，只能進(jìn)行視距內(nèi)的信號(hào)接收，而這往往不能滿足許多實(shí)際場合的應(yīng)用要求。為此我們開展了相關(guān)的課題研究，通過詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研制的樣機(jī)設(shè)備探測靈敏度高達(dá)-20～-15dBv/m（工作帶寬8kHz），在海上的多次實(shí)際作業(yè)中，船載探測設(shè)備接收天線架設(shè)高度為離海面10m，此時(shí)的理論視距小于15Km。通過實(shí)際試驗(yàn)，結(jié)果表明新研設(shè)備具有很好的超視距超短波信號(hào)接收能力，良好海況下可以探測60Km外的目標(biāo)信號(hào)，最終跟蹤定位誤差不大于5米，且測向天線陣具有環(huán)境不敏感性，可安裝架設(shè)于惡劣的接收環(huán)境下，樣機(jī)設(shè)備實(shí)物照片見圖2。

2.探測設(shè)備主要特點(diǎn)

（1）低互耦小型化天線。由于船載平臺(tái)的安裝特殊性，天線陣附近有較多的金屬塔架，包括尺寸長度各異的眾多金屬管、面等組成的反射、折射環(huán)境。如果天線單元長度尺寸較大，一方面，則這些單元間會(huì)形成互耦，另一方面與附近金屬物也會(huì)產(chǎn)生互耦，甚至可能在某些方向形成諧振，使各單元天線的方向圖發(fā)生嚴(yán)重畸變。為了減小天線與近處金屬物之間的互耦，通過介質(zhì)縮短天線尺寸和合理設(shè)計(jì)金屬導(dǎo)電面的尺寸，并在金屬導(dǎo)電面上開各類直徑不等的圓孔等措施，減小附近金屬物與天線之間的互耦，經(jīng)過計(jì)算、測試和改進(jìn)，最終選定天線單元的尺寸長度0.12m，園陣孔徑0.67m，可有效降低附近金屬物帶來的影響。

圖1 直角坐標(biāo)下的測向定位跟蹤原理

圖2 樣機(jī)設(shè)備實(shí)物照片

表1 若干頻率點(diǎn)上的抽樣測試結(jié)果

圖3 主機(jī)設(shè)備后面板圖

圖4 陸地試驗(yàn)時(shí)的天線架設(shè)環(huán)境

圖5 海上航行探測實(shí)例數(shù)據(jù)記錄

（2）改進(jìn)測向信號(hào)處理方法。從軟件上進(jìn)一步改進(jìn)處理算法，在五單元圓陣變?yōu)榱鶈卧嚽闆r下，增加了測向基線數(shù)量，即使其中出現(xiàn)1～2個(gè)天線單元接收信號(hào)不佳時(shí)，仍將有足夠的基線數(shù)量維持改進(jìn)算法的有效性。同時(shí)可對接收機(jī)中頻輸出的負(fù)信噪比信號(hào)進(jìn)行DOA估計(jì)，大幅度提高了測向靈敏度，并在進(jìn)行多次DOA估計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的完成統(tǒng)計(jì)濾波功能，提高示向數(shù)據(jù)的可信度。

（3）艙內(nèi)設(shè)備一體化。為了提高可靠性和架設(shè)方便性，我們對研制設(shè)備進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，把接收機(jī)、饋電單元、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等集成于一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，機(jī)箱前面板只需一個(gè)電源開關(guān)，后面板各類插座連接操控計(jì)算機(jī)、天線陣、電機(jī)、交流220V等，方便在船上條件下的架設(shè)。圖3為一體化機(jī)箱后面板實(shí)物圖。

（4）人機(jī)操作平臺(tái)。采用普通便攜式計(jì)算機(jī)，裝載軟件包后具有功能如下：

·與本地測向接收機(jī)的指令和數(shù)據(jù)交互

·全景顯示

·電子地（海）圖

·隊(duì)列測向信息記錄文件

·基于隊(duì)列測向信息的目標(biāo)位置濾波算法

3.惡劣接收環(huán)境下的性能測試

為了模擬復(fù)雜惡劣的天線安裝環(huán)境，項(xiàng)目組在陸地試驗(yàn)時(shí)把測向天線陣置于若干金屬障礙物附近，這些設(shè)施將對信號(hào)產(chǎn)生眾多反射/折射，并對接收天線陣產(chǎn)生一定互耦效應(yīng)，圖4為實(shí)際的架設(shè)環(huán)境。

在上述天線安裝環(huán)境下，我們進(jìn)行了實(shí)際性能指標(biāo)測試，使用儀器包括：EB-200接收機(jī)，HE200標(biāo)準(zhǔn)天線，HP8657A射頻信號(hào)源，SMIQ04B射頻信號(hào)源。發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)相距200余米，下表為在一些頻率點(diǎn)上的抽樣測試結(jié)果，其中測向結(jié)果穩(wěn)定準(zhǔn)確是指誤差在1.5o（r.m.s）以內(nèi)，基本穩(wěn)定準(zhǔn)確是指誤差在2～3o（r.m.s）以內(nèi)。

4.海上航行探測實(shí)例

在某廣域數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)中，遠(yuǎn)端海上數(shù)據(jù)采集平臺(tái)（PTT）可以隨海流在海面上快速漂移，PTT收集到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，然后采用對同一數(shù)據(jù)進(jìn)行多次發(fā)送的方式發(fā)送給接收中心，一次數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間為數(shù)百ms，數(shù)據(jù)的發(fā)送重復(fù)周期根據(jù)應(yīng)用的不同被設(shè)置在幾十~幾百秒不等。當(dāng)PTT漂移出預(yù)定海域時(shí)，需要進(jìn)行打撈回收，因此對PTT發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行無源定位和跟蹤探測成為對新研設(shè)備的一場實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)。

探測船于2011年4月中旬出發(fā)，前往某預(yù)定海域，航行2天后到達(dá)東經(jīng)111.164o、北緯18.118o的參考位置。在經(jīng)過航行搜索一段時(shí)間后，配備新研設(shè)備的打撈船行駛到東經(jīng)110.493927o、北緯17.901087o時(shí)，在12時(shí)09分探測到目標(biāo)信號(hào)，測定信號(hào)方位為220o左右，信號(hào)重復(fù)發(fā)送間隔周期為30s，打撈船隨即調(diào)整航向，對PTT信號(hào)全速跟蹤航行，見下圖5所示。持續(xù)到約13時(shí)29分，信號(hào)消失，表明PTT已開始下沉入海面，終因距離過遠(yuǎn)未能趕到打撈。為了確定新研設(shè)備的最大探測距離，根據(jù)事后23日得到的接收中心資料，測得到目標(biāo)和探測船之間的初始距離約60公里（32.6海里）。幾天后探測船再次返回第一預(yù)定海域并到達(dá)預(yù)定參考位置，在經(jīng)過航行搜索一段時(shí)間后，配備新研設(shè)備的打撈船行駛到東經(jīng)109.6557o、北緯17.4448o時(shí)，在9時(shí)03分探測到目標(biāo)信號(hào)，測得信號(hào)方位為88o左右，打撈船隨即調(diào)整航向進(jìn)行全速跟蹤航行，最終在距離探測船初始發(fā)現(xiàn)信號(hào)時(shí)所處位置約36.5公里（約20海里）處找到PTT并打撈上船。