基于相位差變化率的無源定位技術研究

高 義，高元鋒

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

目前，單站無源定位技術在電子戰領域得到迅速發展。與有源定位技術相比，利用無源定位設備可在電磁靜默的條件下工作，具有更好的隱蔽性，大大提高了定位跟蹤系統在電子戰環境下的生存能力;與多站無源定位系統相比，單站無源定位系統一般不需要多站同步工作和數據傳輸，具有高度的獨立性和較大的靈活性，且成本相對較低。

在單站無源定位中，當輻射源目標和觀測平臺之間存在相對運動時，可以利用信號的到達方向和相位變化率來實現目標定位。這種基于相位差變化率的無源定位技術與傳統測向交會定位技術相比，增加了相位差變化率觀測量，解決了測向交會需要較大交會角、定位時間長等問題。

1 相位差變化率定位原理

相位差變化率定位基本工作原理是利用觀測平臺上攜載的二單元天線陣(干涉儀)，接收目標輻射電磁波的相位差及其變化率信息對目標進行定位，通過觀測到的相位差及其變化率，求出目標的方位角和俯仰角的時間變化率，進而解算出徑向距離，從而實現對目標的無源定位。二陣元天線相位差變化率及定位幾何模型如圖1和圖2所示。

圖1中，設運動觀測平臺上的2個天線陣元Ea、Eb接收的來波信息相位差為φ(t)，則

式中，ωT為來波角頻率;Δt為來波到達Ea、Eb兩個陣元的時間差;d為陣元間距(即干涉儀基線長);c為光速;fT為來波頻率;β(t)為來波方位角;α(t)為Ea、Eb連線垂直方向(稱為天線方向)的方位角。

對式(1)進行推導，可以得出干涉儀相位差變化率的測距公式為:

依據圖2，對式(2)可推導目標輻射源位置 (xT，yT)為:

圖1 二陣元天線相位差變化率

圖2 定位幾何模型

2 相位差變化率定位算法設計及仿真

單站無源定位系統通常由測向天線陣單元、信號接收采集單元、測向定位處理單元和控制單元等組成，其中測向定位處理單元是該系統的核心部分。

基于相位差變化率定位原理設計的測向定位處理單元，在實現過程中主要包括測向參數預處理和定位濾波實現2個部分。

2.1 測向參數預處理

在實際應用中，相位差變化率定位計算需要由定位測量設備提供的信息包括:輻射源信號頻率、觀測平臺位置、速度和輻射信號來波到達角等。

在進行測量參數預處理過程中，有幾個關鍵點需要注意:

①干涉儀相位跳周處理。在單站定位中采用的干涉儀測向天線陣，由于要獲得較大的基線波長比增益，一般會選擇較大的基線距離，這樣會造成相位模糊，測量的相位會出現一周期跳變現象，即相位的跳周，在進行相位差計算時首先需要進行跳周補償處理。

②調制信號的頻率分量處理。在相位差變化率定位計算中，用到的相位差變化率參數是同一個頻點的相位數據差分得到，而在實際電磁環境中偵察到的通信信號多為調制信號，測量出的相位差是同一信號的不同頻率分量的相位差，可以先將不同頻率分量相位差轉化為該調制信號的參考頻點相位差，然后提取出參考頻點相位差變化率，這樣可以消除由于不同頻率分量帶來的冗余相位誤差，得到準確的相位差變化率信息。

③相位差變化率高精度處理。為了進一步提高相位差變化率的計算精度，還可以采用α－β濾波器，對差分后的相位差數據進行平滑處理。經過濾波后可進一步提高相位差變化率精度，同時還可以將相位差變化率中的野值進行剔除。

相位差變化率測量參數提取、處理過程如圖3所示。

圖3 相位差變化率參數提取處理過程

2.2 定位濾波實現

在實際實現中，由于單次計算目標位置誤差較大，通常采用一種修正增益的推廣卡爾曼濾波(MGEKF)算法實現目標位置估計，MGEKF濾波方法與單次計算統計相比具有定位時間快、定位精度高等優點。

通過相位差變化率和測向參數濾波遞推計算，可獲得較高精度的目標位置結果，定位濾波處理過程如圖4所示。

圖4 定位濾波實現過程

2.3 定位算法仿真

針對相位差變化率定位算法模型，進行相應的模擬仿真。

2.3.1 仿真條件

仿真條件如下:

①測量平臺:仿真運動平臺，速度300～500 km/h，高度3～5 km;

② 目標信號:信噪比變化范圍3～40 dB，工作頻率200～1 300 MHz;

③誤差仿真條件:測向誤差5°，位置誤差20 m，速度誤差2 m/s，測頻誤差為500 kHz。

2.3.2 仿真結果分析

針對不同運行速度、不同頻段進行相位差變化率定位仿真試驗的結果如圖5所示。

圖5 不同運行速度、頻段相位差變化率定位曲線

通過仿真結果對比，可以看出:

①隨著測量頻率升高，定位精度變優，定位收斂時間變短;

②隨著平臺運動速度加快，定位收斂時間變短;

③隨著測向誤差變大，定位收斂時間變長，有可能出現數據發散而無法定位。

由仿真可知，在定位過程中相位差變化率參數測量處理非常重要，只有保證定位參數的測量精度才能實現高精度定位;另外，定位測量時需選擇合理的運動航跡，這樣可以有效縮短定位時間、提高定位精度，例如:在定位過程中，應使平臺運動方向與目標方向盡可能保持較大的夾角，并且與目標相向運動。

3 工程試驗驗證

3.1 外場試驗條件

通過搭建實物試驗環境進行外場專題試驗，來驗證實際空間電磁環境下相位差變化率定位算法可行性，并對實際定位精度進行測試。

由于外場條件限制，試驗一般采用汽車平臺搭載測量設備模擬運動平臺，搭載試驗設備包括:測向天線陣、測向接收機、處理計算機、導航定位設備及模擬信號源等。

試驗過程中，信號源發射天線與測向接收天線陣列的距離應滿足入射信號為遠場條件;選取測試頻率應涵蓋整個工作頻率范圍，至少在頻段高、中、低段選擇3個頻率點發射信號，測試頻率點應避開外界環境干擾頻率。

3.2 外場試驗結果

外場試驗中對不同的平臺運動速度在不同工作頻段下，進行了相位差變化率定位精度及收斂時間測試，具體測試結果如圖6所示。

圖6 不同頻段、不同速度定位結果對比

從以上外場試驗中不同條件下的相位差變化率定位數據的收斂曲線可以看出:隨著頻率升高、平臺運動速度加快，定位結果的收斂時間越短、定位精度越高，在測向誤差保證的前提下，其定位精度優于5%R。上述試驗情況與仿真試驗結果基本符合，說明采用相位差變化率定位方法在單站無源定位系統中可以獲得較好的定位結果。

4 結束語

通過建立基于修正增益卡爾曼濾波的相位差變化率定位算法模型，設計了一套實用的單站無源定位處理單元，解決了其中相位差變化率參數提取、優化、解模糊處理及濾波平滑等關鍵技術，并針對系統中的核心處理單元進行了仿真以及外場試驗，驗證了相位差變化率定位方法可有效地應用于機載平臺通信目標單站無源定位系統。

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