馮廣飛,謝軍偉,楊守國,程智峰

（空軍工程大學(xué),三原 713800）

0 引 言

雙/多基地雷達(dá)由于收發(fā)分置,在體制上天然具備了反隱身、抗干擾、抗低空突防和抗反輻射導(dǎo)彈的優(yōu)勢,與此同時也帶來了收發(fā)站之間的同步問題,而時間同步是實現(xiàn)雙/多基地雷達(dá)同步的關(guān)鍵技術(shù)之一。雙/多基地跟蹤雷達(dá)為了實現(xiàn)高精度的距離解算,要求時統(tǒng)的精度為數(shù)十納秒以下,目前只有衛(wèi)星雙向中繼法、GPS衛(wèi)星授時、光纖通信和搬運鐘能夠滿足精度要求。目前滿足高精度時間同步要求且使用方便的授時系統(tǒng)是GPS授時,但在戰(zhàn)時GPS容易受到干擾,因此對不依賴于GPS的高精度的時間校準(zhǔn)技術(shù)進行研究是一個亟待解決的課題。

這里提出了一種新的時間同步校準(zhǔn)方法。通過短波束或有、無源電視同步信號進行一次校時,達(dá)到基本對準(zhǔn)的目的,精度可達(dá)1～5 ms。在一次校時基礎(chǔ)上,利用現(xiàn)代雷達(dá)大多具有多通道、多目標(biāo)跟蹤能力的特點進行二次校時,通過接收站不同通道對同一目標(biāo)進行跟蹤,分別實施雙基測量和單基測量,對雙基和單基測量值進行最小二乘處理,利用遺傳算法進行最優(yōu)化搜索,仿真結(jié)果表明單雙基測量值比對可以達(dá)到高精度的時間同步。

1 對目標(biāo)進行單、雙基測量和比對的時間校準(zhǔn)方法

1.1 對已知目標(biāo)測量的時間校準(zhǔn)方法

假設(shè)有已知的地標(biāo),相對發(fā)射站和接收站的距離已知,分別為RT和RR,則雙基距離和為RS=RT+RR,如圖1（b）所示,發(fā)射站對目標(biāo)進行照射,接收站對雙基距離和進行測量,其實測值為RS′,如圖1（a）所示,則接收站與發(fā)射站同步信號的時差為△τ=（RS′-RS）/c,調(diào)整接收站同步脈沖的時延,即可實現(xiàn)收、發(fā)站的時間同步。當(dāng)△τ＞0時,延時△τ；當(dāng)△τ＜0時,延時T-|△τ|。

假設(shè)雷達(dá)第i次測量值為RS′（i）,測量值中包含的系統(tǒng)誤差為△RXT（i）,雷達(dá)對已知目標(biāo)進行了N次測量,則△τ的估計值為:

圖1 對已知目標(biāo)測量實現(xiàn)時間同步示意圖

該方法比較簡單,但當(dāng)收發(fā)站相距較遠(yuǎn)時,受地物遮擋和地球曲率的影響很難找到照射站和接收站均能通視的標(biāo)定點,因此該方法實用價值不大。

1.2 對未知目標(biāo)進行單、雙基測量和比對的時間校準(zhǔn)方法

1.2.1 基本原理

新型雷達(dá)大多采用了相控陣技術(shù),因此具有多目標(biāo)跟蹤能力,使雷達(dá)的2個目標(biāo)通道同時對同一批目標(biāo)進行跟蹤。其中一個通道對目標(biāo)的單基信號進行跟蹤,另一個通道對雙基信號進行跟蹤。

設(shè)雙多基地雷達(dá)的時間同步誤差為△τ,在第i時刻測得的目標(biāo)單基距為R（i）,接收站測量得到的高低角為 ε（i）,方位角為β（i）,雙基距為Rs（i）,進行系統(tǒng)誤差補償后,各測量分量為:

式中 :△R（i）、△ε（i）、△β（i）、△R（i）為系統(tǒng)誤差的補償量,可事先得到；c為光速。

則由i時刻目標(biāo)的雙基距離和、高低角和方位角可解得目標(biāo)的單基距:

式中:L為照射站和接收站的基線距離。

1.2.2 △τ的估計

f（△τ）是△τ的非線性函數(shù),故采用最小二乘法對f（△τ）進行求解時必須進行線性化,而△τ在整個距離周期內(nèi)具有很大的隨機性,因此不宜用最小二乘法進行求解,仍可采用遺傳算法求解以上非線性優(yōu)化問題,為此構(gòu)造遺傳算法如下:

（1）誤差參數(shù)的選擇及約束條件

誤差參數(shù)選擇△τ,0＜△τ＜T,T為距離周期。

（2）編碼方式

由于△τ每次工作隨機性很大,取值范圍大,精度要求很高,選擇浮點數(shù)編碼的方法進行編碼。

（3）目標(biāo)函數(shù)和適應(yīng)度函數(shù)的確定

目標(biāo)函數(shù)為:

在Matlab遺傳算法工具箱中,適應(yīng)度函數(shù)要求目標(biāo)函數(shù)減小時適應(yīng)度減小。因為目標(biāo)函數(shù)是求函數(shù)最小值的問題,因此適應(yīng)度函數(shù)與目標(biāo)函數(shù)一致。

（4）遺傳算子的選擇

采用最優(yōu)保存策略,同時采用輪盤賭算法,交叉操作選擇中間重組算法,選用高斯變異算法。

（5）參數(shù)選擇

進化過程中,從搜索時間等角度考慮,群體規(guī)模選為50,交叉概率選為0.8,變異概率選為0.01。

設(shè)置算法最大重復(fù)執(zhí)行次數(shù)為200,終止代數(shù)為50,停滯時間為20 s。確定遷移方向為前向,即遷移發(fā)生在下一個種群,也就是第N個子種群遷移到第N+1個子種群。間隔為20,即2次遷移間經(jīng)過20代,遷移比率設(shè)置為0.1。

2 仿真結(jié)果及分析

假設(shè)照射站和接收站的基線距離為40 km；目標(biāo)作等高直線飛行,飛行高度為8 000 m,目標(biāo)速度為420 m/s,航跡斜距范圍 10～40 km,航向角為7π/4,航路捷徑為0；單基距經(jīng)誤差補償后的起伏誤差為5 m,高低角和方位角經(jīng)誤差補償后的起伏誤差為2′,雙基距離和的起伏誤差為5 m。

假設(shè)收發(fā)站之間的時差為10-5s,采用遺傳算法搜索的結(jié)果為 1.001 93×10-5s,兩者相差19.3 ns,利用Matlab遺傳算法工具箱進行仿真,各代適應(yīng)度圖形和最優(yōu)個體圖形如圖2所示。

圖2 適應(yīng)度圖形和最優(yōu)個體圖形

假設(shè)收發(fā)站之間的時差為10-4s,采用遺傳算法搜索的結(jié)果為9.999 22×10-5s,兩者相差7.8 ns,各代適應(yīng)度圖形和最優(yōu)個體圖形如圖2所示。

圖3 適應(yīng)度圖形和最優(yōu)個體圖形

由仿真結(jié)果可看出,系統(tǒng)誤差為0時,遺傳算法具有很高的搜索精度,說明該方法是可行的,但需要指出的是當(dāng)系統(tǒng)誤差補償不完善時,搜索的精度將變差,同時搜索的精度也與航跡的選擇有關(guān),為了得到高的時間同步精度,應(yīng)選擇遠(yuǎn)離基線的航跡。

3 結(jié)束語

本文針對GPS容易受干擾的缺點,提出了先用短波或電視信號進行一次校時,再通過對目標(biāo)雙基測量,與單基測量值比對的二次校時方法。運用最小二乘方法建立目標(biāo)函數(shù),再用遺傳算法進行最優(yōu)搜索,結(jié)果表明可以達(dá)到高的時間同步精度。驗證了這種時間同步校準(zhǔn)的方法在理論上是可行的,至于具體的實踐可行性還需作進一步的試驗和分析。

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