基于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的多普勒頻移無(wú)源定位算法

趙穎楠,張 陽(yáng),彭占立

(南京科瑞達(dá)電子裝備有限責(zé)任公司,江蘇 南京 211100)

0 引 言

快速精確的無(wú)源定位能力是現(xiàn)代電磁頻譜戰(zhàn)的重要致勝因素。實(shí)戰(zhàn)中,目標(biāo)或己方平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)往往會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差,導(dǎo)致定位難、定不準(zhǔn)等問(wèn)題。多普勒頻移是由平臺(tái)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的,依據(jù)多普勒效應(yīng),深入解析,能夠解決相對(duì)運(yùn)動(dòng)的2個(gè)平臺(tái)間的定位問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)快速、精確的無(wú)源定位。

1 多普勒頻移定位算法

1.1 多普勒效應(yīng)

多普勒效應(yīng)是指當(dāng)雷達(dá)和目標(biāo)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),雷達(dá)輻射源信號(hào)波形會(huì)被壓縮或展寬,產(chǎn)生頻率偏移,偏移值跟散射體與雷達(dá)的相對(duì)徑向速度成正比。雷達(dá)應(yīng)用中,多普勒頻移滿足以下公式[1]:

(1)

式中:fd為多普勒頻移;vr為相對(duì)運(yùn)動(dòng)徑向速度;λ為輻射源信號(hào)波長(zhǎng)。

1.2 多普勒頻移無(wú)源定位算原理

多普勒效應(yīng)通常被應(yīng)用于雷達(dá)對(duì)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)。無(wú)源定位中,也可以利用多普勒頻移規(guī)律,對(duì)與偵察設(shè)備存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行定位[2]。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)無(wú)源定位示意圖如圖1所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)無(wú)源定位示意圖

如圖1所示,機(jī)載平臺(tái)安裝偵察設(shè)備,以速度V沿水平方向飛行,雷達(dá)距離為R,信號(hào)輻射源入射角為α。根據(jù)雷達(dá)掃描周期及照射時(shí)間確定測(cè)量點(diǎn),即為1、2、3、4位置,計(jì)算多普勒頻移及相位差變化率,根據(jù)公式(1)計(jì)算得出雷達(dá)距離:

(2)

(3)

式中:f為雷達(dá)輻射源信號(hào)頻率;c為光速;Δt為雷達(dá)照射時(shí)間。

1.3 算法優(yōu)化

實(shí)際應(yīng)用中,由于機(jī)載平臺(tái)速度快,信號(hào)入射角變化快[3],同時(shí)雷達(dá)照射時(shí)間短,有效數(shù)據(jù)少,使得多普勒頻移測(cè)量誤差較大,從而導(dǎo)致無(wú)源定位效果較差[4-5]。本文提出了多普勒頻移定位優(yōu)化算法,根據(jù)機(jī)載平臺(tái)速度、目標(biāo)大概距離等信息確定滑動(dòng)窗口,并列出查找表,得出每次滑動(dòng)值。此種方法在已有雷達(dá)照射時(shí)間短、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度快、數(shù)據(jù)量少的情況下,能夠極大提升數(shù)據(jù)利用率,降低測(cè)量誤差,提高定位精度。

本方法主要受時(shí)效性需求及數(shù)據(jù)處理能力的限制,算法優(yōu)化時(shí),首先根據(jù)目標(biāo)大概位置確定窗口個(gè)數(shù)。在仿真驗(yàn)證中,由于不受限于數(shù)據(jù)處理能力,設(shè)計(jì)的窗口個(gè)數(shù)為1 336;然后確定每個(gè)窗口數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),此數(shù)據(jù)可由平臺(tái)速度與目標(biāo)大概相對(duì)位置仿真遍歷實(shí)現(xiàn),得出查找表。本文在具體數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證時(shí),采用的滑動(dòng)窗口數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為4。

2 仿真驗(yàn)證

仿真設(shè)計(jì):機(jī)載平臺(tái)與目標(biāo)雷達(dá)相對(duì)運(yùn)動(dòng),目標(biāo)距離100 km,平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度300 m/s,信號(hào)頻率8.5 GHz,相位測(cè)量誤差2°,方位測(cè)量誤差0.5°,雷達(dá)掃描周期1 s,偵察設(shè)備接收到的照射時(shí)間0.01 s時(shí),進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

采用優(yōu)化算法前后,多普勒頻移變化曲線分別如圖2、圖3所示。

圖2 未采用優(yōu)化算法時(shí)的多普勒頻移變化曲線

圖3 采用優(yōu)化算法后多普勒頻移變化曲線

由仿真可見(jiàn),未采用優(yōu)化算法時(shí),多普勒頻移規(guī)律未能清晰展示,存在跳變與飛躍點(diǎn)現(xiàn)象,數(shù)據(jù)較混亂;采用優(yōu)化算法后,多普勒頻移規(guī)律較清晰,與物理規(guī)律吻合,且數(shù)據(jù)清晰平滑,不存在飛點(diǎn)現(xiàn)象,能夠用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

采用優(yōu)化算法前后,多普勒頻移定位誤差分別如圖4、圖5所示。

圖4 未采用優(yōu)化算法時(shí)多普勒定位誤差

圖5 采用優(yōu)化算法后多普勒頻移定位誤差

由仿真可見(jiàn),未采用優(yōu)化算法時(shí),多普勒頻移定位誤差非常大,合理區(qū)域平均定位誤差達(dá)到40%,基本不能實(shí)現(xiàn)有效定位;采用多普勒頻移優(yōu)化算法后,合理區(qū)域定位誤差均值為7%,具備良好的定位性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代電磁頻譜戰(zhàn)的發(fā)展,對(duì)雷達(dá)偵察設(shè)備的要求越來(lái)越高,無(wú)源定位能夠充分發(fā)揮偵察設(shè)備的優(yōu)勢(shì),在敵方雷達(dá)無(wú)知無(wú)覺(jué)中獲取目標(biāo)信息。本文提出的多普勒頻移優(yōu)化算法不需要額外的測(cè)量體系,直接應(yīng)用現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化濾波,減少了多普勒信息飛點(diǎn),提高了數(shù)據(jù)利用率,有效提升了無(wú)源定位精度,為偵察設(shè)備的定位提供了一種新的方法。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái),機(jī)載平臺(tái)仍是取得制空權(quán)、制信息權(quán)的重要手段,隨著偵察打一體無(wú)人機(jī)的迅速發(fā)展成熟,機(jī)載平臺(tái)快速、精確的定位能力將是信息情報(bào)搜集、作戰(zhàn)資源分配以及效能評(píng)估的重要保障,具有重要的戰(zhàn)略意義。