返回散射單站定位技術應用研究

楊雷明　張曙光　黃曉靜　田德元

摘要：傳統的單站定位需要測向機同時提供天線陣接收信號的方位角和仰角，而仰角由于電離層的影響會產生劇烈變化，嚴重影響定位精度，給定位帶來很多困難。為了降低電離層的影響，研究了單站定位中的方位-多普勒定位方法，并且根據在返回散射試驗平臺上獲取的大量試驗數據給出了數據分析結果。試驗結果表明，此方法受電離層影響較小，具有較好的定位精度，符合工程應用要求，同時為后續(xù)的目標跟蹤奠定基礎。

關鍵詞：單站定位;定位精度;方位-多普勒定位;返回散射

中圖分類號：TN957 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）13-0273-03

Abstract： Traditional single station positioning requires direction finder to provide azimuth and elevation of received antenna array signal at the same time. Elevation will change dramatically due to the influence of ionosphere， which seriously affects the positioning accuracy and brings many difficulties to positioning. ?In order to reduce the influence of ionosphere， the azimuth-Doppler positioning method in single station positioning is studied， and the data analysis results are given based on a large number of experimental data obtained on the backscatter test platform. The experimental results show that this method is less affected by the ionosphere， has better positioning accuracy， meets the requirements of engineering application， and lays the foundation for subsequent target tracking.

Key words： single station location; location accuracy; azimuth-Doppler; backscatter

1 背景

電波在電離層中的傳播過程復雜，不同的電離層狀態(tài)對無線電波的傳播會產生不同程度的影響。由于電離層是有損的各向不均勻介質，因而無線電波在電離層中傳播時會受到折射效應、色散效應、多徑效應、多普勒效應、去極化效應等影響。此外，由于電離層的不均勻體結構會造成無線電波傳播時產生相位、幅度、到達角以及極化特征的改變，從而出現電離層電波傳播中常見的快衰落和慢衰落現象[1]，單站定位技術不僅能避免多站交會定位中需要多站協作而導致的如各站之間溝通不暢，時間不同步等一系列問題，而且有其獨到的優(yōu)勢。它能夠較為方便的與短波電子對抗，短波電臺信號偵查等系統集成，從而完成短波信號的定位、偵查、識別，進而對其進行對抗、壓制和打擊。

目前，已有的單站定位方法多是采用利用電離層探測信息結合仰角和方位角來獲得輻射源的位置。由于電離層的影響會導致接收仰角起伏不定，嚴重影響單站定位的定位精度。實際工作中，通過仰角進行單站定位的相對誤差小于收發(fā)距離的10%是可以接受的[2]。而在天波超視距雷達中探測距離往往在1000km以上，10%的距離誤差是不符合工程應用要求的。

為了降低電離層對單站定位精度的影響，對單站定位方法中的方位-多普勒定位方法進行了研究，首先介紹了返回散射探測試驗平臺，然后闡述了方位-多普勒定位方法原理，通過對該試驗平臺獲取大量試驗數據進行分析，給出了分析結果，試驗結果表明，基于該試驗平臺的方位-多普勒定位方法受電離層影響較小，有較好的定位精度，符合工程應用要求，同時為后續(xù)目標跟蹤奠定基礎。

2 返回散射探測系統

返回散射探測是發(fā)射與接收裝置位于同一地點，電波在被電離層反射后到達很遠的地面，由于地面的不均勻性的散射作用，以致有一小部分能量再經由電離層反射返回到接收點而被接收的過程，如圖1所示。由于返回探測覆蓋范圍比較廣，能夠得到沿探測方向上的大量電離層信息而得到廣泛應用，在電離層探測中有著重要的作用[3-6]。

探測系統收發(fā)同站，采用的信號形式為線性調頻脈沖，接收系統流程圖如圖2所示。

1） 模擬接收作為系統的前端接收設備，通過天線接收到射頻信號后，采用超外差方式，對信號進行濾波放大，混頻輸出固定的中頻信號。

2）數字接收采用A/D轉換、數字下變頻和濾波技術將中頻信號轉換至數字基帶信號，實現了模擬中頻信號的數字化，改善信號的信噪比。

3）通道校準對多個通道的基帶數據進行標校處理，使各通道的基帶數據滿足幅相一致性要求。

4）脈沖壓縮采用頻率FFT方法，將校準后數據與線性調頻信號進行匹配濾波，生成脈壓數據。

5）多波束合成在指定區(qū)域內進行多方位的常規(guī)波束合成，生成多方位的波束合成數據。

6）相干積累將波束合成數據緩存指定的幀數，通過加窗和頻率FFT方法最終生成返回散射探測電離層譜圖。如圖3所示。

圖3為返回散射探測電離層譜圖，橫軸為多普勒信息，縱軸為群距離信息。由圖3可以看出返回散射電離圖有三條比較明顯的豎線，中間為地雜波，兩邊為一階海雜波Bragg峰，頻率為[fbrag=0.102fob]，其中[fob]為目標探測工作頻率，單位MHz，目標因移動速度產生的多普勒頻率為[fd=2vcfob]，其中[v]為徑向速度。圖3中正負Bragg峰約為0.45 Hz，海雜波分別展寬到-0.6Hz和0.9Hz，對應最小徑向速度分別為4.7m/s和7.1m/s。

3 方位-多普勒定位

方位-多普勒定位原理如下圖所示。

如圖4所示，電磁波信號從目標臺發(fā)射，以仰角[β]在空中傳播，在電離層高度為h處被反射回地面，到達測向站[7]。對地球采用球面模型，地球半徑R，通過返回散射譜分析可以得到群距離P，利用電離層模型或者垂直探測儀可以獲取的反射點電離層高度h，根據三角形余弦定理

4 試驗結果分析

試驗陣列為均勻線陣，陣元間距7米，陣元個數20個，頻率19115kHz，采樣率80k，脈沖重復周期100ms，積累次數1024。已知目標所在角度為102°。本文試驗數據全部為夏季的試驗數據。試驗結果如下圖所示，圖6為全方向數字波束形成后得到的幅度值，由圖中可以看出目標在102°附近時幅度最大，此時最大值所在的方位即為目標的估計方位。圖7為多次測試形成的方位誤差分布圖，通過圖7計算出的目標方位誤差在[-0.5°，0.5°]之間，均方根誤差為0.189°。

圖8為通過多次計算分析得到的目標定位誤差統計分布，通過圖8可以看出目標的定位精度在30km以內，通過計算得出平均誤差為16.2km，均方根誤差為17.3km。圖9為目標定位誤差隨時間變化曲線，由圖9可以看出定位誤差隨時間變化而變化，總體趨勢為早上和晚上定位誤差較大，中午時分定位誤差較小，主要是由于中午時分電離層電子濃度達到最高，電離層狀態(tài)比較穩(wěn)定，早晚電離層變化比較快，對電波產生不規(guī)則散射造成電波傳播特征的變化，以及電離層高度產生變化的原因，導致定位誤差增大。

5 結論

利用方位-多普勒定位方法在返回散射探測平臺進行目標定位需要獲取目標的方位、距離以及電離層高度信息。試驗結果表明，目標的方位誤差受電離層的影響起伏變化不大，距離誤差和電離層高度誤差由于電離層影響會在一定范圍內起伏變化，但是基本在要求以內，沒有出現較大的誤差變化，可用度高。與傳統的單站定位小于收發(fā)距離10%的定位精度相比，本文算法精度較高，受電離層變化影響較小，滿足工程應用要求，同時也為后續(xù)的目標跟蹤奠定了基礎。

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【通聯編輯：謝媛媛】