無源定位技術在水面艦艇上的應用分析?

侯志楠 謝志軍

（1.中國人民解放軍91404部隊91分隊 秦皇島 066000）（2.中國空氣動力研究與發展中心 綿陽 621000）

1 引言

現代海戰中，先敵發現、先敵攻擊是取得戰斗勝利的關鍵。用于探測發現目標的現代雷達是一種主動發射信號的大功率電磁輻射源，雖然能夠準確地獲得目標的方位和距離等信息，但很容易被敵方偵察、定位，并對其攻擊和干擾；80年代出現的隱身技術與遠距離掩護干擾手段結合使用，使雷達對隱身目標的探測非常困難；同時艦載雷達信號由于地球曲率或海面反射產生波瓣上翹，形成低空盲區以及低空探測海面雜波影響嚴重的特點，很難發現低空突防的攻擊飛機或導彈。因此現代雷達面臨著電子干擾、反輻射導彈攻擊、隱身突防、低空突防四大威脅。無源定位是解決以上難題的一個有效途徑，無源定位指的是使用被動式偵察設備接收輻射源信號，并定出輻射源的位置。無源定位本身不發射電磁信號，因此隱蔽性很高，不存在被敵發現，被敵干擾的問題，也不會受到反輻射導彈的攻擊。另外，無源定位的作用距離通常比主動式設備的作用距離要遠，一般是主動式設備作用距離的1.2～1.5倍。電子偵察設備還能測量輻射源目標的信號特征參數，可以利用隱身目標和低空突防目標的雷達等電磁輻射信號，探測和識別隱身目標和低空突防目標。因此，無源定位探測設備具有良好的抗電子干擾和抗反輻射導彈攻擊的能力，以及一定的對隱身目標和低空突防目標的探測能力［1～3］。

由于無源探測是傳感器本身不發射電磁波，只是被動接收目標輻射的、反射的和散射的電磁波，只能測量到目標的輻射特征、目標到達角、到達時間或時間差，不能直接測量目標的距離信息，因此無源探測比較難獲得目標狀態的良好估計。按觀測站個數劃分，無源定位可分為單站無源定位與多站無源定位。單站無源定位利用單個運動平臺對目標連續測向進行定位和跟蹤，多站無源定位利用多個平臺同時測量目標信號到達角度或者到達時間差進行定位和跟蹤，這其中又包括時差定位和測向交叉定位。單站無源定位戰術使用靈活，但面對復雜戰場電磁環境，不易及時準確地獲取戰場信息。多站無源定位綜合利用多個觀測站的無源探測信息及空間差異性，有助于及時準確地獲取戰場信息，但存在各站協同復雜等問題［4～6］。

本文充分利用海戰場信息，針對水面艦艇對無源定位技術的使用需求，對單站和多站無源定位技術進行研究。從單站無源定位技術、多站無源定位技術、無源定位系統及發展展望等幾個方面進行闡述。

2 單站無源定位技術

單站定位技術用單個運動的平臺對輻射源進行連續測量，在獲取一定量定位信息積累的基礎上進行適當數據處理以獲取輻射源的定位數據。從幾何意義上說就是用多個定位曲線（或曲面）的交匯實現定位。常用的單平臺無源定位的方法有采用測向信息的測向定位法、采用方位和到達時間的到達時間定位法、采用方位和多普勒頻率的多普勒頻率定位法以及多模型法［7］。

2.1 測向定位法

測向定位法是一種經典的無源定位方法，該方法依據三角定位基本原理，利用平臺機動在不同位置測得的輻射源方位角信息，運用交叉定位原理通過一定的定位算法確定出固定輻射源的位置。由于輻射源處于機動狀態，無法使用交叉定位方法實現對目標的定位，因此采用對輻射源進行的多次測向結果結合平臺的特殊機動進行相關的算法處理對目標運動狀態進行估計和擬合。在此基礎上引入相位變化率信息進行定位的約束條件明顯放寬，而且定位速度和定位精度都得到較大提高。

圖1 相位差示意圖

如圖所示，設運動平臺上的兩個天線陣元A1和A2接收的來波信息相位差為：

其中：·0為來波角頻率，·t為來波到達A1和A2兩個天線陣元的時間差，c為電磁波的傳播速度，D為陣元間距，且假定D遠小于運動平臺到輻射源之間的距離，f0為來波頻率。對上式求導后可求得相位變化率φ(t)，由相位變化率φ(t)和傳感器所測得的方位角β(t)經過一定的數學運算就可確定目標位置。

2.2 到達時間定位法

到達時間定位法是對于徑向運動輻射源，由于輻射源距離未知，其輻射信號到達觀測平臺時間的相對變化包含了輻射源的狀態信息。從該信息中獲得輻射源的速度信息和距離信息，進而獲得其位置信息［8］。

若輻射源脈沖重復周期（PRI）已知并且恒定，則可在測量目標到達時間差的基礎上，測得目標在兩個不同角度位置上的距離差，從而獲得與目標速度和距離有關的信息，如圖2所示。

圖2 到達時間定位法原理圖

觀測平臺位于坐標原點，輻射源由A向B勻速運動。設Tr為輻射源脈沖重復周期，輻射源位于A點時，觀測平臺于t1時刻接收到第i組脈沖串的某一個脈沖；輻射源位于B點時，觀測平臺于ti+1時刻接收到第（i+1）組脈沖串的某一個輻射源脈沖。在無測量噪聲的情況下，到達時間差為

式中：i=1，2，…；N（i+1）為時間差內輻射源發射的脈沖數；c為光速；r為距離，即

式中：Vx、Vy與規定的正方向同向為正，反向為負。將式（2）、（3）代入式（1）中，便得到有4個未知量的方程。假設一個未知量為已知的情況下，且當測量參數超過3次時，可以采用最小二乘法對另外3個參數進行估計。估計的結果均是以假設的已知量為參數的，可以在方程中消去從而得到輻射源的位置和速度。若PRI未知，實際處理可能需要將PRI的精確測量與定位計算同時進行。我們所能獲得的是若干雷達脈沖串的脈沖到達時間，將信號的PRI參數作未知參數，通過狀態擴充處理可建立有效的到達時間差測量方程。

2.3 多普勒頻率定位法

多普勒頻率是由于觀測平臺與目標之間存在徑向運動而引起的。當觀測平臺和目標作相對運動時，這種運動可以分解為徑向和切向兩個分量。其徑向運動分量包含了輻射源—觀測平臺相對運動引起的多普勒頻率成分，實質上包含了目標的運動狀態，當輻射源距離接收機越近、越靠近徑向方向、輻射源和傳感器平臺直接的相對運動速度越高、輻射源信號頻率越高、接收機之間的基線越長，則多普勒頻率差越大，定位精度越高；當輻射源距離接收機越遠、越靠近切向方向，多普勒頻率差越小，定位誤差越大［9］。

對于單平臺多普勒頻率定位而言，可以分為固定單平臺對運動輻射源定位、運動單平臺對固定輻射源定位和運動單平臺對運動輻射源定位。以運動單平臺對固定輻射源定位為例（其他兩種定位方法原理相同），它是利用定位平臺上兩部接收機所偵收到的輻射源信號的頻率差來確定輻射源位置的一種定位技術，如圖3所示。

圖3 平臺與輻射源的位置關系圖

P1、P2為平臺上的兩部接收機，坐標為Pi(xi，yi)，i=1，2，平臺的運動速度為V。輻射源T坐標為T（x，y），其信號頻率為 fc。在某一時刻兩部接收機接收到的輻射源信號頻率分別為

上式相減，即得到多普勒頻率差 fD，實際的測量方程中含有噪聲。通過上式表明多普勒頻率差是目標位置、接收機位置和接收機運動狀態的函數。當接收機參數已知時，該方程確定了一個包含目標在內的曲面。如果得到多個這樣的曲面則可以通過曲面的交匯得到目標的位置，實現對目標的定位。若載頻未知，在狀態估計時加入到狀態矢量中，可以一同估計出來。

若輻射源處于運動狀態，定位的關鍵在于對其運動速度的確定，引入測頻信息可以確定目標的運動速度。同時為了保證輻射源的可觀測性（唯一解），必須使觀測平臺作某種機動，而且誤差和估計精度依賴于觀測站的機動特征。

2.4 多模型法

多模型法通常情況下主要針對目標的不同運動狀態以及參數的不確定性而建立的不同模型濾波器，即雖然被動傳感器無法直接給出目標準確的徑向距離，但通過一定的方法我們可以估計目標初始時刻所在的可能空間范圍，然后將該空間范圍分區，在每個子區間上分別建立一個濾波模型，利用多模型法估計目標徑向距離，各模型濾波器通過估計狀態的組合實現相互作用，最終輸出結果為各模型濾波器狀態估計的加權和，加權因子為各模型的正確概率，概率值在跟蹤過程中按照貝葉斯準則不斷更新［1］。

2.5 水面艦艇單站無源定位技術分析

測向定位法、到達時間定位法、多普勒頻率定位法和多模型法比較起來各具優缺點。到達時間定位法的定位速度和可觀測性受目標輻射源的頻率漂移、跳變影響較大；多普勒頻率定位法只能使用在對具有連續波或者有較長持續時間的目標定位方法中；多模型法正在發展階段，模型的建立決定計算效率和正確性，隨著反偵察技術的不斷發展，到達時間定位法、多普勒頻率定位法和多模型法并不適用于電磁環境多變的海戰場。因此測向定位法是現在水面艦艇最為廣泛使用的無源定位方法。測向定位法較為簡單且只需較小數據量便可實現，但測向誤差對定位精度是有很大影響的，這就要求高精度的測向設備。而且，當輻射源運動時，要求艦艇必須作變速運動，同時加速度要滿足一定的約束條件，以滿足可觀測性條件。再者，該方法要想達到可以應用的定位精度，需要不同的信號方位線之間有一定大小的夾角。通常情況下，艦艇距離輻射源較遠，這就要求艦艇運動一定長的距離，即對輻射源信號跟蹤一定長的時間。這很難滿足瞬息萬變的戰場環境及偵察情報的時效性，也是該方法的最大缺陷［10～11］。

3 多站無源定位技術

多站無源定位是實現輻射源快速高精度定位的一種有效方式，相對于單站無源定位，往往能夠在更短的時間內達成高精度定位，具有更強的靈活性，能夠根據任務需要固定或運動到指定區域。目前常用的多站定位技術包括測向交叉定位法、測時差定位法、測時差-測向定位法。測時差定位法和測時差—測向定位法要求有專門的測時差接收機，實現起來比較復雜，因此目前在工程中主要采用對偵察設備沒有特殊要求的測向交叉定位法。

3.1 測向交叉定位法

測向交叉定位法的基本原理是利用兩艘或兩艘以上艦艇同時對同一輻射源測向，得到兩條或兩條以上的測向方位線，在沒有測向誤差的情況下，這些測向方位線都是相交于一點的，這個交點就是輻射源的位置。但是，實際上測向是有誤差的，多于兩條的測向方位線不可能在同一點相交，需要利用狀態估計方法對輻射源的位置進行估計。測向交叉定位法的優點是對偵察設備的要求低，僅需要方位測量信息，缺點是定位精度依賴于偵察設備的測向精度，在目前測向精度不是很高的情況下，定位精度較低。以雙平臺測向交叉定位為例（多平臺定位的原理完全相同，只不過定位的組合方式更多），其定位原理如圖4所示。

圖4 多站測向交叉定位法原理圖

兩觀測站對目標輻射源測向，獲取屬性和方位信息等實現對目標輻射源的三角定位。數據關聯是多站多目標測向交叉定位的一個關鍵技術，測向交叉定位獲取的目標屬性和方位信息，在單站定位時載頻、重頻和脈寬等屬性信息主要用于識別雷達型號等，而多站定位時可以用目標識別結果和屬性信息進行數據關聯，在目標較多或者屬性信息不能完成全部關聯任務時需要利用方位信息，分清各個傳感器方位測量數據中哪些來自同一目標剔除虛假點，并把屬于同一目標的方位組合定位。由于實際探測中存在測量誤差，關聯后通過對目標位置估計融合使測量結果隨機誤差最小，提高定位精度。

3.2 測時差定位法

測時差定位法的基本原理是利用己被精確測定了相互間位置、距離的三艘（或三艘以上）艦艇的偵察設備去測量輻射源信號到達的時差，在二維平面內，輻射源信號到兩艘艦艇的到達時間差確定了一組以兩艘艦艇的位置為焦點的雙曲線，兩艘艦艇的連線稱為基線，三艘（或三艘以上）艦艇根據時差就可作出兩組〔或兩組以上）雙曲線，兩組雙曲線相交得到兩個交點，再利用粗測向信息排除基線另一側的虛假定位點，就可確定輻射源的位置。測時差定位的優點是定位精度較高，缺點是對偵察設備和時統設備的要求高，同時由于噪聲和誤差的存在，會出現多值模糊和無解的情況。

3.3 測時差-測向定位法

測時差—測向定位法又稱雙曲線一直線交叉法，基本原理是利用己被精確測定了相互間位置、距離的兩艘艦艇的偵察設備去測量輻射源信號到達的時差，作出一組雙曲線，然后用其中一艘艦艇的測向線和雙曲線相交，交點即為輻射源的位置。該方法實際上是測向交叉定位法和測時差定位法的綜合，定位精度和要求的設備復雜度介于測向交叉定位法和測時差定位法之間。

3.4 水面艦艇多站無源定位技術分析

在現代海戰中，水面艦艇多以編隊的形式協同作戰，因此多站協同無源定位技術和方法受到越來越多的關注。無源被動探測系統直接接收輻射源信號，電磁波單程傳播，因此探測距離相對較遠。探測距離主要與輻射源的發射功率和探測系統的性能（天線增益、接收機靈敏度等）有關，時差定位要求各測量站波束共同覆蓋某一區域，因此天線波束為寬波束，天線增益較低，探測距離受影響。多平臺時差定位法應用在水面艦艇上的關鍵技術是要保證參加協同定位的各艦接收到的是同一信號的同一次發射脈沖，因此對信號分選和脈沖配對操作提出了很高要求，且當信號密度較高的情況下，運算量較大，定位速度較慢。所以，多平臺時差定位法并不適用于復雜多變的電磁環境，艦艇編隊的協同無源定位基本不采用這種方法。

多平臺測向交叉定位在實戰中比較容易實施且定位快速，因此廣泛應用于水面艦艇協同作戰中，但測向交叉定位采用窄波束搜索法測向，天線增益較高，探測距離較遠，其定位精度受測向誤差及艦艇與輻射源相互間位置影響較大，隨探測距離和測角誤差增大而急劇增大，目標距離遠的情況下無法實現目標精確定位。且由于各艦之間有一定的距離，受地球曲率影響各艦所在的本地坐標系并不平行，因此在算法上還要考慮空間對準的問題。

4 水面艦艇無源定位系統組成和信息流程

水面艦艇無源定位技術應用主要包括艦載被動雷達的無源探測、艦載電子偵察設備的無源定位和戰術軟件中的無源定位模塊。這些無源定位手段雖然使用的探測設備和信息來源不同，但其無源定位原理是相同的，采用的無源定位方法與上述方法相同。水面艦艇無源定位系統應用上述定位技術形成從偵察到處理的定位戰術軟件，根據根據觀測站數量分為單艦無源定位系統和多艦無源定位系統。

4.1 單艦無源定位系統

單艦無源定位系統由艦載電子戰系統的電子偵察設備、指控系統以及嵌入到電子戰系統的定位戰術應用軟件組成，其信息流程如圖5所示。

圖5 單艦無源定位信息流程圖

4.2 多艦無源定位系統

多艦無源定位系統由一條定位艦和一條或多條輔助定位艦組成，定位艦通過戰術數據鏈和輔助定位艦互相發送報文，如圖6所示。定位艦通過戰術數據鏈和輔助定位艦發送定位相關申請報文，包括定位目標批號、時戳、目標方位、載頻、載頻類型、脈寬、脈寬類型、重復頻率、重頻類型、天線掃描方式、天線掃描周期、參數測量時間等參數，輔助定位艦收到來自定位艦的定位相關申請報文后，對該定位目標進行相關處理，把定位相關結果報文以及本艦的位置發回定位艦，定位相關結果報文包括申請目標的批號、方位角和時戳，定位艦收到返回的定位相關結果報文后可進行測向交叉定位，解算出目標艦的經、緯度。定位艦的信息流程如圖7所示。

圖6 多艦無源定位系統組成及定位流程

圖7 多艦無源定位信息流程圖

5 結語

近年來，隨著戰場電磁環境的日益復雜，電子對抗、雷達對抗技術的不斷發展，在實際作戰中，往往要求艦艇部隊實行嚴格的電磁靜默以達到保護自己、實施隱蔽攻擊的目的，因此，無源定位技術越來越受到各國海軍的重視。通過無源定位技術分析可以看出，無論是單艦還是多艦協同無源定位，測向定位法雖有其固有的缺點，但仍是最適應現代海戰場的無源定位方法，目前廣泛應用于各國海軍的水面艦艇。如俄羅斯海軍的“現代”級驅逐艦就是采用這種方法對目標進行無源定位，并在實際作戰使用中取得了不俗的效果。

由于水面艦艇戰斗有其固有的特點，從而決定了水面艦艇無源定位技術的發展較之其他平臺也有其特殊性。多艦協同無源定位較之單艦無源定位有定位快速、精度較高的優點。但其動用兵力較多，不易隱蔽，且各艦間的協同通信使定位的無源特性受到很大影響，同時還要考慮各艦間復雜的時間、空間對準問題。而單艦無源定位具有較好的隱蔽性和獨立性，在現有的無源定位技術研究中，對此方面的研究較多。從戰術上講，單艦無源定位技術是水面艦艇無源定位技術發展的主要方向。發展無源定位技術不僅是對其方法和算法的研究與優化，還涉及到戰術使用層面，如在無源定位中適當結合有源定位及多艦協同無源定位中艦艇的航路規劃等問題，因此技術戰術化是水面艦艇無源定位技術發展的主流。