無人機載多站時差定位系統分析

張曉東

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所,江蘇 揚州225101)

0 引 言

現代戰爭中,各軍事強國越來越多地利用無人機的特點進行戰場偵察監視,獲取戰場主動權。雷達偵察任務載荷作為一種安裝于無人機上的常用偵察設備,能夠實現無人機對雷達輻射源目標的偵察和定位[1-2]。利用無人機偵察載荷對目標進行無源定位,能為多項軍事活動提供支持。機載偵察平臺無源定位技術將成為決定今后戰爭中戰場主動權的關鍵技術之一。

考慮到單架無人機執行無源定位任務存在一定的局限性,采用多架無人機進行協同無源定位成為一種趨勢[3]。目前多架無人機進行協同無源定位一般采用時差定位法。

本文以3個機載平臺為例,對機載多平臺時差定位進行原理分析,并分析了對時差定位精度造成影響的因素,以及系統的平臺構型對定位精度產生的影響,將機載多平臺時差定位系統對海面目標進行定位的情況進行了仿真分析。

1 機載多平臺時差定位法原理

時差定位法又稱為雙曲線定位法,是通過處理多架無人機接收到的目標輻射源信號到達時間差數據對目標進行無源定位的[4]。機載三平臺時差無源定位的示意圖如圖1所示。

圖1 機載多平臺時差無源定位示意圖

無人機載主偵察平臺負責偵察以及組織全系統的電子偵察活動,同時控制各子平臺的偵察策略同步。副平臺無人機在主平臺的指揮協調下,完成對所在區域信號的偵測,并將各自偵收到的信號特征參數轉發至主平臺無人機[5-6]。主平臺無人機對各偵察平臺上報的偵測數據進行綜合分析、相關識別、定位[7]。各無人機載偵察平臺間的實時數據傳輸通過加密的無線通信鏈路完成。

2 機載多平臺時差定位法定位精度推導與分析

機載三平臺時差定位法的各站分布示意圖如圖2所示,定位精度用幾何精度因子(GDOP)來表示:

定位誤差的圓概率誤差可表示為:

式中:σx、σy表示x,y方向上的定位標準差。

圖2 三站分布示意圖

令(CTC)-1CT=B=(bij)2×2,由于各時間差測量中都包含有主站測量到達時間的誤差,也即各時間差測量中都包含有共同的誤差因素,因此各Δt的觀測誤差是時間相關的。設定時間測量誤差系統誤差修正后是零均值的,且站址誤差各元素之間及各站址誤差之間互不相關,則定位誤差的協方差為:

時差定位系統定位誤差主要由系統測量到達時間(TOA)誤差、站址誤差和各站與目標相對位置決定,在目標相對各站位置一定的條件下,定位誤差主要取決于系統授時誤差和系統測量輻射源信號TOA誤差。同時,機載平臺構型對定位精度也會產生一定的影響。

3 定位精度仿真分析

通過仿真對機載三平臺時差定位系統對海面目標所能達到的精度以及其平臺陣型對定位精度的影響進行分析。

對海偵察采用如圖3所示陣型,此時2個副平臺在距離海平面5 km高度巡航,主平臺在距里海平面3 km高度巡航,3個平臺呈倒掛的等腰三角形排布,三角形平面垂直海平面。

圖3 對海偵察示意圖

3架無人機平臺協同偵察定位時,在時間同步誤差為20 ns、無人機位置誤差為10 m,無人機主副平臺間基線為10 km、基線夾角為120°的情況下,對距離200 km的海面目標定位誤差分布如圖4。圖中無人機平臺距離目標200 km時的定位誤差為10 km,當偵察距離減小到100 km時,定位誤差為3.5 km。

在時間同步誤差為20 ns、無人機位置誤差為10 m、無人機主副平臺間基線為30 km、基線夾角為120°的情況下,對距離200 km的海面目標的定位誤差分布如圖5所示。

圖4 無人機主副平臺間基線為10 km的情況下的定位誤差分布

圖5 無人機主副平臺間基線為30 km的情況下的定位誤差分布

由圖4和圖5可以看出,無人機主副平臺間基線越長,定位精度越高。

當3架無人機以等邊三角形在空中巡航,三角形邊長為30 km,2架副機巡航高度5 km,主機巡航高度3 km,在時間同步誤差為20 ns、無人機位置誤差為10 m的情況下,對距離200 km的海面目標的定位誤差分布如圖6所示。

根據仿真圖可以分析得出以下結論:當基線角為60°時,系統定位誤差遠高于基線角為120°時的定位誤差。因此,基線角的增加可以提高定位精度。采用機載三平臺時差定位系統對海面目標進行定位,當無人機主副平臺間基線為30 km、基線角為120°時,對距離200 km的海面目標的定位誤差可以達到1.2 km,定位精度很高。

4 結束語

圖6 無人機主副平臺間基線為30 km的情況下的定位誤差分布

本文對無人機載多平臺時差定位法的原理進行了闡述,對時差定位系統的定位誤差進行了推導,分析了對時差定位精度造成影響的因素,分析了系統的平臺構型對定位精度產生的影響,將機載多平臺時差定位系統在不同條件下對海面目標進行定位的情況分別進行了仿真分析。通過仿真得出如下結論:在各機載平臺時間同步誤差及位置誤差控制較好的前提下,選擇優化的平臺構型,對目標的定位精度可以達到很高的水平,能夠滿足現代作戰的需要。