杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院 汪立新 劉瀟依
利用測(cè)向信息定位依據(jù)的基本原理是三角測(cè)量法,即利用運(yùn)動(dòng)的單個(gè)觀測(cè)站在不同位置測(cè)得的目標(biāo)方向角信息(每一個(gè)方向角對(duì)應(yīng)于一條定位直線),運(yùn)用交叉定位原理通過(guò)一定的定位算法確定出目標(biāo)輻射源的位置。當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí),“交叉”無(wú)法實(shí)現(xiàn),定位過(guò)程實(shí)際上是對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的估計(jì)或擬合,測(cè)向定位的幾何關(guān)系如圖1所示。
假設(shè)觀測(cè)站沿著VO方向運(yùn)動(dòng),而目標(biāo)沿VT方向運(yùn)動(dòng),定義運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的狀態(tài)向量,xT、yT是目標(biāo)在X、Y軸方向的位置坐標(biāo), 、 是目標(biāo)在X、Y軸方向的速度。再定義觀測(cè)站的狀態(tài)向量,xO、yO是單觀測(cè)站在X、Y軸方向的位置坐標(biāo), 、 是觀測(cè)站在X、Y軸方向的速度。r是目標(biāo)與觀測(cè)站的距離,β是r與Y軸方向的夾角。目標(biāo)在k+1時(shí)刻的狀態(tài)可由k時(shí)刻的狀態(tài)通過(guò)下式(1)遞推得到:
其中,T為觀測(cè)時(shí)間間隔,WK分別為由于各種因素引起的偏差, 表示目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型。從圖1的幾何關(guān)系可以得到下面的觀測(cè)方程:
考慮到觀測(cè)誤差噪聲,寫成向量形式,得到下式:
式(1)、(3)構(gòu)成了測(cè)向跟蹤定位方法的數(shù)學(xué)模型。無(wú)源跟蹤定位本質(zhì)上是一個(gè)非線性最優(yōu)估計(jì)問(wèn)題,首先在坐標(biāo)系下建立系統(tǒng)狀態(tài)方程和觀測(cè)方程,然后在包含噪聲成分的觀測(cè)信息上進(jìn)行非線性動(dòng)態(tài)濾波,實(shí)時(shí)地估計(jì)目標(biāo)的位置信息以及相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
上面闡述了目標(biāo)跟蹤定位的數(shù)學(xué)原理,其利用的基本信息只有一種,那就是目標(biāo)信號(hào)的到達(dá)方向,該觀測(cè)信息直接決定了系統(tǒng)的作用距離和范圍。例如,對(duì)于海上的某些目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行探測(cè),由于出海船只到達(dá)某一海域后,與目標(biāo)真實(shí)位置往往距離甚遠(yuǎn),因此要求搜索設(shè)備具有極高的探測(cè)靈敏度,以滿足盡可能遠(yuǎn)的作用距離。而通常對(duì)于測(cè)向信息的獲取,傳統(tǒng)體制的超短波測(cè)向靈敏度較低,通常為數(shù)v/m,只能進(jìn)行視距內(nèi)的信號(hào)接收,而這往往不能滿足許多實(shí)際場(chǎng)合的應(yīng)用要求。為此我們開(kāi)展了相關(guān)的課題研究,通過(guò)詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,研制的樣機(jī)設(shè)備探測(cè)靈敏度高達(dá)-20~-15dBv/m(工作帶寬8kHz),在海上的多次實(shí)際作業(yè)中,船載探測(cè)設(shè)備接收天線架設(shè)高度為離海面10m,此時(shí)的理論視距小于15Km。通過(guò)實(shí)際試驗(yàn),結(jié)果表明新研設(shè)備具有很好的超視距超短波信號(hào)接收能力,良好海況下可以探測(cè)60Km外的目標(biāo)信號(hào),最終跟蹤定位誤差不大于5米,且測(cè)向天線陣具有環(huán)境不敏感性,可安裝架設(shè)于惡劣的接收環(huán)境下,樣機(jī)設(shè)備實(shí)物照片見(jiàn)圖2。
(1)低互耦小型化天線。由于船載平臺(tái)的安裝特殊性,天線陣附近有較多的金屬塔架,包括尺寸長(zhǎng)度各異的眾多金屬管、面等組成的反射、折射環(huán)境。如果天線單元長(zhǎng)度尺寸較大,一方面,則這些單元間會(huì)形成互耦,另一方面與附近金屬物也會(huì)產(chǎn)生互耦,甚至可能在某些方向形成諧振,使各單元天線的方向圖發(fā)生嚴(yán)重畸變。為了減小天線與近處金屬物之間的互耦,通過(guò)介質(zhì)縮短天線尺寸和合理設(shè)計(jì)金屬導(dǎo)電面的尺寸,并在金屬導(dǎo)電面上開(kāi)各類直徑不等的圓孔等措施,減小附近金屬物與天線之間的互耦,經(jīng)過(guò)計(jì)算、測(cè)試和改進(jìn),最終選定天線單元的尺寸長(zhǎng)度0.12m,園陣孔徑0.67m,可有效降低附近金屬物帶來(lái)的影響。
圖1 直角坐標(biāo)下的測(cè)向定位跟蹤原理
圖2 樣機(jī)設(shè)備實(shí)物照片
表1 若干頻率點(diǎn)上的抽樣測(cè)試結(jié)果
圖3 主機(jī)設(shè)備后面板圖
圖4 陸地試驗(yàn)時(shí)的天線架設(shè)環(huán)境
圖5 海上航行探測(cè)實(shí)例數(shù)據(jù)記錄
(2)改進(jìn)測(cè)向信號(hào)處理方法。從軟件上進(jìn)一步改進(jìn)處理算法,在五單元圓陣變?yōu)榱鶈卧嚽闆r下,增加了測(cè)向基線數(shù)量,即使其中出現(xiàn)1~2個(gè)天線單元接收信號(hào)不佳時(shí),仍將有足夠的基線數(shù)量維持改進(jìn)算法的有效性。同時(shí)可對(duì)接收機(jī)中頻輸出的負(fù)信噪比信號(hào)進(jìn)行DOA估計(jì),大幅度提高了測(cè)向靈敏度,并在進(jìn)行多次DOA估計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步的完成統(tǒng)計(jì)濾波功能,提高示向數(shù)據(jù)的可信度。
(3)艙內(nèi)設(shè)備一體化。為了提高可靠性和架設(shè)方便性,我們對(duì)研制設(shè)備進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì),把接收機(jī)、饋電單元、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等集成于一個(gè)機(jī)箱內(nèi),機(jī)箱前面板只需一個(gè)電源開(kāi)關(guān),后面板各類插座連接操控計(jì)算機(jī)、天線陣、電機(jī)、交流220V等,方便在船上條件下的架設(shè)。圖3為一體化機(jī)箱后面板實(shí)物圖。
(4)人機(jī)操作平臺(tái)。采用普通便攜式計(jì)算機(jī),裝載軟件包后具有功能如下:
·與本地測(cè)向接收機(jī)的指令和數(shù)據(jù)交互
·全景顯示
·電子地(海)圖
·隊(duì)列測(cè)向信息記錄文件
·基于隊(duì)列測(cè)向信息的目標(biāo)位置濾波算法
為了模擬復(fù)雜惡劣的天線安裝環(huán)境,項(xiàng)目組在陸地試驗(yàn)時(shí)把測(cè)向天線陣置于若干金屬障礙物附近,這些設(shè)施將對(duì)信號(hào)產(chǎn)生眾多反射/折射,并對(duì)接收天線陣產(chǎn)生一定互耦效應(yīng),圖4為實(shí)際的架設(shè)環(huán)境。
在上述天線安裝環(huán)境下,我們進(jìn)行了實(shí)際性能指標(biāo)測(cè)試,使用儀器包括:EB-200接收機(jī),HE200標(biāo)準(zhǔn)天線,HP8657A射頻信號(hào)源,SMIQ04B射頻信號(hào)源。發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)相距200余米,下表為在一些頻率點(diǎn)上的抽樣測(cè)試結(jié)果,其中測(cè)向結(jié)果穩(wěn)定準(zhǔn)確是指誤差在1.5o(r.m.s)以內(nèi),基本穩(wěn)定準(zhǔn)確是指誤差在2~3o(r.m.s)以內(nèi)。
在某廣域數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)中,遠(yuǎn)端海上數(shù)據(jù)采集平臺(tái)(PTT)可以隨海流在海面上快速漂移,PTT收集到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制,然后采用對(duì)同一數(shù)據(jù)進(jìn)行多次發(fā)送的方式發(fā)送給接收中心,一次數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間為數(shù)百ms,數(shù)據(jù)的發(fā)送重復(fù)周期根據(jù)應(yīng)用的不同被設(shè)置在幾十~幾百秒不等。當(dāng)PTT漂移出預(yù)定海域時(shí),需要進(jìn)行打撈回收,因此對(duì)PTT發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行無(wú)源定位和跟蹤探測(cè)成為對(duì)新研設(shè)備的一場(chǎng)實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)。
探測(cè)船于2011年4月中旬出發(fā),前往某預(yù)定海域,航行2天后到達(dá)東經(jīng)111.164o、北緯18.118o的參考位置。在經(jīng)過(guò)航行搜索一段時(shí)間后,配備新研設(shè)備的打撈船行駛到東經(jīng)110.493927o、北緯17.901087o時(shí),在12時(shí)09分探測(cè)到目標(biāo)信號(hào),測(cè)定信號(hào)方位為220o左右,信號(hào)重復(fù)發(fā)送間隔周期為30s,打撈船隨即調(diào)整航向,對(duì)PTT信號(hào)全速跟蹤航行,見(jiàn)下圖5所示。持續(xù)到約13時(shí)29分,信號(hào)消失,表明PTT已開(kāi)始下沉入海面,終因距離過(guò)遠(yuǎn)未能趕到打撈。為了確定新研設(shè)備的最大探測(cè)距離,根據(jù)事后23日得到的接收中心資料,測(cè)得到目標(biāo)和探測(cè)船之間的初始距離約60公里(32.6海里)。幾天后探測(cè)船再次返回第一預(yù)定海域并到達(dá)預(yù)定參考位置,在經(jīng)過(guò)航行搜索一段時(shí)間后,配備新研設(shè)備的打撈船行駛到東經(jīng)109.6557o、北緯17.4448o時(shí),在9時(shí)03分探測(cè)到目標(biāo)信號(hào),測(cè)得信號(hào)方位為88o左右,打撈船隨即調(diào)整航向進(jìn)行全速跟蹤航行,最終在距離探測(cè)船初始發(fā)現(xiàn)信號(hào)時(shí)所處位置約36.5公里(約20海里)處找到PTT并打撈上船。