機載無源定位精度分析

王喜鵬，王 飛

（船舶重工集團公司723所，揚州 225001）

0 引 言

無源定位是利用目標輻射源的輻射信息確定出目標位置的一種技術。對地面、海面輻射源的定位常常由機載定位平臺來實現，這時通常有幾種常用的無源定位方法可供選用［1］：

（1）方位／俯仰定位法；

（2）測向交叉定位法；

（4）多普勒頻率差定位法；

（5）相位差變化率定位法。

上述方法中方位／俯仰定位法誤差較大，適用于近距離定位。到達時間差定位法需要3個以上觀測平臺，并且3站之間需要密切協同工作，系統復雜，適用于固定地面多站對空中輻射源的偵察。多普勒定位法雖然定位精度較高，定位時間短；但要求本機運動速度相對較快且偵察設備相對復雜，成本高。因此，機載無源定位主要采用相位差變化率定位和測向交叉定位方法。

1 相位差變化率定位原理

依據運動學原理，在目標與觀測平臺存在相對運動的條件下，利用觀測平臺上攜載的任意寬開的二單元天線陣（干涉儀），可以獲得位置未知的輻射源輻射電磁波的相位差變化率信息（t），此信息中含有威脅輻射源的位置信息；再利用測角系統測得的目標方位角和俯仰角及其時間變化率信息（β，ε，），即可實現對目標的實時交叉定位。

如圖1所示，設空中運動平臺上的2個天線陣元Ea、Eb接收的來波信息相位差為φ（t），則：

式中：d為陣元間距（即干涉儀基線長）；c為光速；f T為來波頻率；β（t）為來波方位角；α（t）為Ea，Eb連線垂直方向。

這里假設d遠小于空中運動平臺與固定威脅輻射源之間水平距離，并且空中運動平臺的飛行高度 遠小于目標和平臺之間的水平距離。

圖1 二單元天線陣接收來波相位差信息的幾何解釋

依據參考文獻［2］求得輻射源位置坐標如下：

高校圖書館的基本職能是服務教學、科研，同時也具有推動社會進步、經濟發展、文化傳承以及全面提升公民素質的公共服務職能.借鑒國外高校圖書館社會化服務的成功經驗，結合我國高校圖書館實際，提出我國高校圖書館社會化服務的幾種主要模式.

在上式中，除，βi和f Ti外，其余均為可知的運動觀測平臺的狀態參量。所以在測得，βi和f Ti的前提下，即可定出固定目標輻射源的位置（x T，y T）。顯然，這是一種即時定位法。因此，只要獲得上述測量參數，即可得到目標距離并將目標位置確定出來，而上述測量參數可以通過如下途徑得到：

（1）輻射來波到達角βi，可通過干涉儀測向系統獲得；

（2）干涉儀相位差變化率，可以通過干涉儀相位差濾波得到；

（3）干涉儀自身的傾角α（t），可以通過機載姿態測量系統的航向角減去干涉儀安裝偏角得到；

（4）干涉儀自身的傾角變化率（t），可通過機載姿態測量系統獲得；

（6）載機自身的位置 （x Oi，y Oi），可通過機載導航定位系統獲得；

（7）輻射源信號發射的頻率f T，可通過瞬時測頻接收機（IFM）獲得。

2 單機無源定位仿真

二單元天線陣（干涉儀）偵收獲得位置未知的固定威脅輻射源輻射波的相位差變化率信息，通過與載機位置信息、姿態信息、輻射源方位等參數的綜合解算，實現單機對輻射源的快速定位［3］。偵收目標信號的相位差變化速率是影響相位差變化率定位法定位精度的重要參數之一。在其它參數固定的情況下，二單元天線陣的基線長度越長，相位差變化越敏感，測量精度越高，收斂時間越短。

圖2 相位差變化率定位原理

設0.8 GHz，18 GHz對應的定位基線長度分別為26 cm和37 cm。根據選定的基線長度、位置誤差、平臺姿態誤差等，對典型輻射源定位進行仿真研究。典型輻射源參數為tPRF＝1 ms，波束寬度2°，平臺速度為35 m／s。仿真條件及結果如表1和圖3所示。

通過仿真可以發現［4］：

（1）減小平臺的姿態測量誤差，可以比較明顯地改善定位收斂速度；

（2）提高平臺運動速度，定位收斂速度明顯提高；

（3）增加干涉儀基線長度，可以明顯提高定位收斂速度。

3 雙機無源定位仿真

測向交叉點定位法要求精度較低、定位時間較長，但要求機動運動速度不是很快，且用比較簡單的 偵察設備即可完成。

表1 相位差變化率定位仿真參數表

圖3 單機定位仿真結果

測向交叉定位法的原理圖如圖4所示。設有一輻射源位于xoy平面的p點（x，y），在觀測點p1（x1，y1）和p2（x2，y2）上同時對輻射源測向，測得的方位角分別為θ1和θ2，2條方位線的夾角為β，輻射源到方位基線的距離為R，2個無人機或單個無人機2次測量點之間的距離為D。假設方位基線與x軸取向一致，根據三角運算，可得下式：

由上式可知，根據偵察站所在位置及輻射源的方位角，即可確定輻射源的位置。

但是，上述公式是在理想的條件下得出的結論，在工程實際應用中，由于系統內部產生的噪聲，會出現隨機的測向誤差，使方位線的交叉點圍繞著輻射源的位置呈現隨機分布，產生定位模糊區，如圖5中的EFGH所示。

圖4 測向交叉定位原理圖

定位誤差常用均方根誤差來估計，均方根誤差即位置誤差，是指測量得到的輻射源位置與實際位置距離之差的統計處理結果。

圖5 誤差分析

假設偵察站的測向精度用均方根值σθ表示，那么利用余弦定理及三角運算求得圖5中R所對應的σr為：

它表明：接收角θ1、θ2、測向精度以及2次測量時2個機載平臺或單個機載平臺2次測量點之間的距離是影響定位精度的3個主要因素。圖6和圖7分別示出了在σθ＝1°和2°條件下接收角θ1和θ2的變化對定位精度的影響。

圖6與θ的變化曲線（σ ＝1°）θ

分析式σr及圖6和圖7可以看出，要提高定位精度，必須做到以下幾點：

（1）提高雷達偵察設備的測向精度；

（2）偵察站的地理位置要合理配置，使方位線具有最佳接收角；

（3）偵察站應盡量靠近目標。

圖7 與θ的變化曲線（σ ＝2°） θ

4 結束語

在電子戰環境中，使用快速高精度、高識別率的無源被動定位跟蹤技術進行戰場監視、遠程精確打擊已成為一種重要的技術方向和發展趨勢。通過對單機和雙機無源定位原理的闡述和仿真分析，無源定位高精度、高速度的實現主要依賴于參數測量和處理能力的提高，具體包括相位干涉儀測向精度、相位差變化率精確測量、飛機姿態精確測量以及無源定位跟蹤算法等。

［1］孫仲康，周一宇，何黎星.單多基地有源無源定位技術［M］.北京：國防工業出版社，1996.

［2］單月輝.基于相位差變化率方法的單站無源定位技術［J］.國防科技大學學報，2001（6）：74－77.

［3］楊建華，陳思興.國外機載快速無源定位技術最新發展［A］.雷達跟蹤技術研討會論文集［C］.北京，2001：38－40.

［4］郭福成.基于運動學原理的單站無源定位跟蹤關鍵技術研究［D］.長沙：國防科技大學，2002.