杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院 汪立新 劉瀟依
利用測向信息定位依據(jù)的基本原理是三角測量法,即利用運動的單個觀測站在不同位置測得的目標方向角信息(每一個方向角對應(yīng)于一條定位直線),運用交叉定位原理通過一定的定位算法確定出目標輻射源的位置。當(dāng)目標運動時,“交叉”無法實現(xiàn),定位過程實際上是對目標運動狀態(tài)的估計或擬合,測向定位的幾何關(guān)系如圖1所示。
假設(shè)觀測站沿著VO方向運動,而目標沿VT方向運動,定義運動目標的狀態(tài)向量,xT、yT是目標在X、Y軸方向的位置坐標, 、 是目標在X、Y軸方向的速度。再定義觀測站的狀態(tài)向量,xO、yO是單觀測站在X、Y軸方向的位置坐標, 、 是觀測站在X、Y軸方向的速度。r是目標與觀測站的距離,β是r與Y軸方向的夾角。目標在k+1時刻的狀態(tài)可由k時刻的狀態(tài)通過下式(1)遞推得到:
其中,T為觀測時間間隔,WK分別為由于各種因素引起的偏差, 表示目標運動模型。從圖1的幾何關(guān)系可以得到下面的觀測方程:
考慮到觀測誤差噪聲,寫成向量形式,得到下式:
式(1)、(3)構(gòu)成了測向跟蹤定位方法的數(shù)學(xué)模型。無源跟蹤定位本質(zhì)上是一個非線性最優(yōu)估計問題,首先在坐標系下建立系統(tǒng)狀態(tài)方程和觀測方程,然后在包含噪聲成分的觀測信息上進行非線性動態(tài)濾波,實時地估計目標的位置信息以及相應(yīng)的運動狀態(tài)。
上面闡述了目標跟蹤定位的數(shù)學(xué)原理,其利用的基本信息只有一種,那就是目標信號的到達方向,該觀測信息直接決定了系統(tǒng)的作用距離和范圍。例如,對于海上的某些目標信號進行探測,由于出海船只到達某一海域后,與目標真實位置往往距離甚遠,因此要求搜索設(shè)備具有極高的探測靈敏度,以滿足盡可能遠的作用距離。而通常對于測向信息的獲取,傳統(tǒng)體制的超短波測向靈敏度較低,通常為數(shù)v/m,只能進行視距內(nèi)的信號接收,而這往往不能滿足許多實際場合的應(yīng)用要求。為此我們開展了相關(guān)的課題研究,通過詳細設(shè)計和實驗驗證,研制的樣機設(shè)備探測靈敏度高達-20~-15dBv/m(工作帶寬8kHz),在海上的多次實際作業(yè)中,船載探測設(shè)備接收天線架設(shè)高度為離海面10m,此時的理論視距小于15Km。通過實際試驗,結(jié)果表明新研設(shè)備具有很好的超視距超短波信號接收能力,良好海況下可以探測60Km外的目標信號,最終跟蹤定位誤差不大于5米,且測向天線陣具有環(huán)境不敏感性,可安裝架設(shè)于惡劣的接收環(huán)境下,樣機設(shè)備實物照片見圖2。
(1)低互耦小型化天線。由于船載平臺的安裝特殊性,天線陣附近有較多的金屬塔架,包括尺寸長度各異的眾多金屬管、面等組成的反射、折射環(huán)境。如果天線單元長度尺寸較大,一方面,則這些單元間會形成互耦,另一方面與附近金屬物也會產(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)生嚴重畸變。為了減小天線與近處金屬物之間的互耦,通過介質(zhì)縮短天線尺寸和合理設(shè)計金屬導(dǎo)電面的尺寸,并在金屬導(dǎo)電面上開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)過計算、測試和改進,最終選定天線單元的尺寸長度0.12m,園陣孔徑0.67m,可有效降低附近金屬物帶來的影響。
圖1 直角坐標下的測向定位跟蹤原理
圖2 樣機設(shè)備實物照片
表1 若干頻率點上的抽樣測試結(jié)果
圖3 主機設(shè)備后面板圖
圖4 陸地試驗時的天線架設(shè)環(huán)境
圖5 海上航行探測實例數(shù)據(jù)記錄
(2)改進測向信號處理方法。從軟件上進一步改進處理算法,在五單元圓陣變?yōu)榱鶈卧嚽闆r下,增加了測向基線數(shù)量,即使其中出現(xiàn)1~2個天線單元接收信號不佳時,仍將有足夠的基線數(shù)量維持改進算法的有效性。同時可對接收機中頻輸出的負信噪比信號進行DOA估計,大幅度提高了測向靈敏度,并在進行多次DOA估計結(jié)果的基礎(chǔ)上,進一步的完成統(tǒng)計濾波功能,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,我們對研制設(shè)備進行了一體化設(shè)計,把接收機、饋電單元、電源模塊、電機驅(qū)動模塊等集成于一個機箱內(nèi),機箱前面板只需一個電源開關(guān),后面板各類插座連接操控計算機、天線陣、電機、交流220V等,方便在船上條件下的架設(shè)。圖3為一體化機箱后面板實物圖。
(4)人機操作平臺。采用普通便攜式計算機,裝載軟件包后具有功能如下:
·與本地測向接收機的指令和數(shù)據(jù)交互
·全景顯示
·電子地(海)圖
·隊列測向信息記錄文件
·基于隊列測向信息的目標位置濾波算法
為了模擬復(fù)雜惡劣的天線安裝環(huán)境,項目組在陸地試驗時把測向天線陣置于若干金屬障礙物附近,這些設(shè)施將對信號產(chǎn)生眾多反射/折射,并對接收天線陣產(chǎn)生一定互耦效應(yīng),圖4為實際的架設(shè)環(huán)境。
在上述天線安裝環(huán)境下,我們進行了實際性能指標測試,使用儀器包括:EB-200接收機,HE200標準天線,HP8657A射頻信號源,SMIQ04B射頻信號源。發(fā)射點與接收點相距200余米,下表為在一些頻率點上的抽樣測試結(jié)果,其中測向結(jié)果穩(wěn)定準確是指誤差在1.5o(r.m.s)以內(nèi),基本穩(wěn)定準確是指誤差在2~3o(r.m.s)以內(nèi)。
在某廣域數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)中,遠端海上數(shù)據(jù)采集平臺(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)進行調(diào)制,然后采用對同一數(shù)據(jù)進行多次發(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,需要進行打撈回收,因此對PTT發(fā)射的信號進行無源定位和跟蹤探測成為對新研設(shè)備的一場實戰(zhàn)檢驗。
探測船于2011年4月中旬出發(fā),前往某預(yù)定海域,航行2天后到達東經(jīng)111.164o、北緯18.118o的參考位置。在經(jīng)過航行搜索一段時間后,配備新研設(shè)備的打撈船行駛到東經(jīng)110.493927o、北緯17.901087o時,在12時09分探測到目標信號,測定信號方位為220o左右,信號重復(fù)發(fā)送間隔周期為30s,打撈船隨即調(diào)整航向,對PTT信號全速跟蹤航行,見下圖5所示。持續(xù)到約13時29分,信號消失,表明PTT已開始下沉入海面,終因距離過遠未能趕到打撈。為了確定新研設(shè)備的最大探測距離,根據(jù)事后23日得到的接收中心資料,測得到目標和探測船之間的初始距離約60公里(32.6海里)。幾天后探測船再次返回第一預(yù)定海域并到達預(yù)定參考位置,在經(jīng)過航行搜索一段時間后,配備新研設(shè)備的打撈船行駛到東經(jīng)109.6557o、北緯17.4448o時,在9時03分探測到目標信號,測得信號方位為88o左右,打撈船隨即調(diào)整航向進行全速跟蹤航行,最終在距離探測船初始發(fā)現(xiàn)信號時所處位置約36.5公里(約20海里)處找到PTT并打撈上船。