周益明，劉躍平，蔣春山

(中國電子科技集團(tuán)公司第36研究所，浙江 嘉興 314033)

0 引 言

當(dāng)今，國際戰(zhàn)略形勢(shì)和力量格局發(fā)生了深刻變化，各國戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)加劇，空中爭(zhēng)奪成為戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的重要方式。隨著隱身飛機(jī)等作戰(zhàn)裝備的出現(xiàn)，其較強(qiáng)的生存能力、突防能力和全新的作戰(zhàn)樣式，打破了攻防戰(zhàn)略平衡，對(duì)空情預(yù)警系統(tǒng)造成了前所未有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)技術(shù)偵察手段主要以被動(dòng)的信號(hào)接收偵察為主，難以完整掌握隱形、無線電靜默的空中目標(biāo)。對(duì)這類目標(biāo)的偵測(cè)存在著探測(cè)距離近、發(fā)現(xiàn)難、跟蹤難等諸多問題，造成預(yù)警時(shí)間短、應(yīng)對(duì)危機(jī)的可選手段有限，只能趨于被動(dòng)應(yīng)戰(zhàn)地位。除了隱身目標(biāo)的“隱形”問題以外，對(duì)空中目標(biāo)的探測(cè)還存在著大覆蓋范圍的不間斷連續(xù)監(jiān)視、超低空目標(biāo)探測(cè)及復(fù)雜電磁環(huán)境下的高精度定位等技術(shù)難題，這些問題都亟待解決。

提出了一種新的可針對(duì)隱身目標(biāo)進(jìn)行超視距探測(cè)和定位的方法，即利用非合作外輻射源無源定位原理，借助大型短波固定臺(tái)站作為輻射源，通過接收隱身目標(biāo)的散射波，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程目標(biāo)超視距發(fā)現(xiàn)、定位和跟蹤。由于目前隱身目標(biāo)的隱身特性主要針對(duì)的是微波雷達(dá)而設(shè)計(jì)的，而對(duì)于短波頻段隱身能力差，使得基于短波外輻射源對(duì)隱身目標(biāo)進(jìn)行無源定位成為了可能。本方法融合了外輻射源無源定位、超視距雷達(dá)探測(cè)及無線電偵察的特點(diǎn)，但與他們又有所不同。外輻射源無源定位是指利用目標(biāo)對(duì)已經(jīng)在空間存在的非合作輻射源的反射，探測(cè)目標(biāo)的存在，并以一定的精度給出目標(biāo)空間坐標(biāo)的探測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)前的外輻射源主要有電視和FM廣播，例如美國洛克希德·馬丁(Lockheed Martin)公司于1998年研制出的“沉默哨兵”(Silent Sentry)系統(tǒng)[1]，這類系統(tǒng)探測(cè)的是視距范圍內(nèi)的目標(biāo)。本研究的基本原理與其一致，不同的是外輻射源是基于大型短波臺(tái)站的，其輻射的短波信號(hào)機(jī)會(huì)照射到目標(biāo)后產(chǎn)生散射波并經(jīng)電離層折射形成回波，通過接收回波信號(hào)實(shí)現(xiàn)超視距目標(biāo)發(fā)現(xiàn)與定位，而且可以選用多個(gè)不同頻率同時(shí)工作的電臺(tái)，可以通過優(yōu)選設(shè)置多站同時(shí)對(duì)一定距離的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和定位，形成多發(fā)一收的定位系統(tǒng)，這可以提高反隱身能力和定位精度，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超低空目標(biāo)的探測(cè)。

雖然天波雷達(dá)也是基于短波信號(hào)的[2～4]，但是它通過自身輻射電磁波信號(hào)經(jīng)過電離層折射、后向返回散射傳播、回波檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)，因此容易被敵方發(fā)現(xiàn)和定位。本方法與之的區(qū)別是：a)利用非合作大型短波固定臺(tái)站，因此相比較而言隱蔽性更好；b)由于此類短波臺(tái)站分布廣、數(shù)量多，因而可以選用多個(gè)電臺(tái)不同頻率同時(shí)工作，提高系統(tǒng)的定位精度以及探測(cè)覆蓋范圍，同時(shí)保證了時(shí)間可用性，能夠進(jìn)行連續(xù)探測(cè)；c)已知大型短波臺(tái)站不僅作為外輻射源，還是系統(tǒng)修正定位誤差的參考站。

1 定位原理

1.1 基本原理

本技術(shù)依賴于非合作大型短波固定臺(tái)站。此類電臺(tái)通信時(shí)將機(jī)會(huì)(按一定概率)照射到通信對(duì)象方向上一定距離區(qū)域內(nèi)的其他目標(biāo)并產(chǎn)生散射波，系統(tǒng)接收站就可以通過檢測(cè)經(jīng)電離層折射的目標(biāo)回波方位角、仰角和時(shí)差等信息，并結(jié)合當(dāng)前的電離層參數(shù)，利用幾何關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和定位。該方法的關(guān)鍵難點(diǎn)是電離層結(jié)構(gòu)參數(shù)估計(jì)、傳播模式識(shí)別及經(jīng)過延時(shí)和頻率多普勒畸變后多徑信號(hào)的分離與處理。前者可以通過設(shè)立參考站并借助電離層探測(cè)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，后者則通過直達(dá)波抑制與長時(shí)間能量累積技術(shù)來解決。

根據(jù)經(jīng)目標(biāo)散射后的回波信號(hào)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位實(shí)際上就相當(dāng)于對(duì)某短波輻射源進(jìn)行定位，也就是將目標(biāo)看成是一個(gè)短波臺(tái)站的發(fā)射源，可以直接利用反射信號(hào)對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)單站定位[5,6]。而已知的短波臺(tái)站事實(shí)上就相當(dāng)于定位過程中的一個(gè)參考站，利用其精確位置等相關(guān)參數(shù)可以對(duì)電離層模型和回波的路徑進(jìn)行修正，從而提高目標(biāo)的定位精度。系統(tǒng)示意圖,如圖1所示。

圖1 定位方法原理示意圖

由圖1可見，大型民用短波固定站既是輻射源又是參考站。為簡(jiǎn)單起見，僅考慮目標(biāo)回波信號(hào)只經(jīng)電離層單跳反射。定位的基本原理是，系統(tǒng)首先定期估測(cè)當(dāng)前電離層模型(如每隔半小時(shí)進(jìn)行一次)，同時(shí)對(duì)民用大型短波固定臺(tái)站進(jìn)行偵察，發(fā)現(xiàn)其開始通信后檢測(cè)該短波信號(hào)經(jīng)隱身目標(biāo)散射后的回波信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行測(cè)向，利用回波信號(hào)的方位角、仰角以及電離層反射高度計(jì)算目標(biāo)與測(cè)向站的大圓距離，再利用接收站址坐標(biāo)、測(cè)向方位角和大圓距離確定目標(biāo)的經(jīng)緯度位置，定位計(jì)算的幾何示意圖，如圖2所示。

圖2 定位計(jì)算的幾何示意圖

設(shè)地球?yàn)榍蛎婺Ｐ颓曳瓷潼c(diǎn)關(guān)于接收站F和目標(biāo)T對(duì)稱，路徑T-H-F為回波信號(hào)的傳輸路徑，其距離為RP，對(duì)應(yīng)的大圓距離RD為接收站與目標(biāo)的大圓距離。地球半徑為R，來波仰角為β，電離層反射虛高為h，可得RD為

(1)

再結(jié)合接收站測(cè)得的回波信號(hào)方位角φ,即可計(jì)算出目標(biāo)的位置。目標(biāo)距接收站的大圓距離與回波仰角和反射點(diǎn)虛高的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 大圓距離與回波仰角和反射點(diǎn)虛高關(guān)系示意圖

1.2 定位流程

通常，短波固定站需要通信時(shí)會(huì)根據(jù)其通信的對(duì)象位置、確定電離層參數(shù)和可用頻率，確定發(fā)射仰角和方位，并對(duì)短波信號(hào)傳輸路徑進(jìn)行規(guī)劃，然后實(shí)施遠(yuǎn)距離通信。探測(cè)定位系統(tǒng)接收站可設(shè)置兩個(gè)接收通道：一個(gè)用來接收該民用臺(tái)站信號(hào)A，作為參考信號(hào)；另一個(gè)用來接收目標(biāo)回波信號(hào)B(見圖1)。通過對(duì)回波信號(hào)的干擾抑制以及長時(shí)間積累等處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)弱目標(biāo)的檢測(cè)。收到該民用臺(tái)站信號(hào)A和目標(biāo)反射信號(hào)B后對(duì)A、B進(jìn)行識(shí)別，確認(rèn)B是經(jīng)目標(biāo)反射的同一信號(hào)后對(duì)A進(jìn)行定位，查詢電臺(tái)數(shù)據(jù)庫，確定精確位置；對(duì)B進(jìn)行測(cè)向，利用回波信號(hào)的方位角、仰角以及電離層反射高度計(jì)算目標(biāo)與測(cè)向站的大圓距離，再利用接收系統(tǒng)站址坐標(biāo)、測(cè)向方位角和大圓距離確定目標(biāo)的位置。同時(shí)，提取與發(fā)射站信號(hào)的時(shí)差，用于解路徑模糊，即根據(jù)時(shí)差并結(jié)合來波仰角和反射層虛高，估算回波信號(hào)的傳輸距離，從而作為判決傳輸路徑和反射跳數(shù)的依據(jù)。電離層的反射高度等參數(shù)可以通過系統(tǒng)定期估測(cè)當(dāng)前電離層模型、參考站計(jì)算及國際電離層預(yù)測(cè)指數(shù)等手段獲取。定位基本流程圖，如圖4所示。

圖4 定位基本流程圖

1.3 定位傳輸計(jì)算

一般來講，短波信道的傳播損耗主要包括自由空間傳播損耗，電離層吸收損耗、系統(tǒng)損耗、地面反射損耗等[7]，其中以自由空間傳播損耗最大，電離層吸收損耗則與工作頻率有關(guān)，通常高頻率低于低頻率。與普通無源定位系統(tǒng)的工作環(huán)境不同，信號(hào)從大型固定站到目標(biāo)然后反射回接收站，經(jīng)歷了自由空間和電離層兩種傳輸介質(zhì)，具有很大的損耗，因此首先驗(yàn)證信號(hào)的傳輸距離?；谏鲜鰝鬏斶^程，參考天波雷達(dá)，可以得出計(jì)算系統(tǒng)探測(cè)距離(即電磁波在空中傳輸?shù)纳渚€距離)的方程為

(2)

式中，RP是目標(biāo)定位時(shí)信號(hào)的射線距離，單位為m；Pav是短波臺(tái)站發(fā)射平均功率，單位為W；Gt、Gr為短波電臺(tái)發(fā)射天線與定位系統(tǒng)接收天線的增益；λ為發(fā)射信號(hào)波長；Tc為相干積累時(shí)間；σ為目標(biāo)的散射截面積(RCS)。隱身目標(biāo)在短波波段有明顯的頻率諧振特性、極化特性和較大的RCS[8]，其值約為10～30 dBm2；Pn=kT0Fa為每赫茲外噪聲功率；S/N為檢測(cè)目標(biāo)所需的信噪比；Ls為系統(tǒng)損耗；Lp為電離層吸收損耗。

在短波通信系統(tǒng)，采用的天線型式主要取決于通信距離和電臺(tái)開設(shè)的條件。對(duì)于中等距離2 000 km范圍內(nèi)，廣泛采用弱方向性的水平對(duì)稱振子，通常每副天線具有幾個(gè)分貝的增益,且工作頻率一般在2.3 MHz～20 MHz以內(nèi)。在遠(yuǎn)距離、固定工作和高質(zhì)量的短波通信系統(tǒng)，通常采用常見的菱形和對(duì)數(shù)周期等定向天線，通常每副天線具有10～20 dB的增益,同時(shí)為了減小在電離層傳播損耗，通常采用高頻段工作頻率。

假設(shè)短波信號(hào)在中等距離和遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)分別利用1E(反射點(diǎn)虛高約為100 km)和1F2(反射點(diǎn)虛高約為350 km)電離層單跳反射，且各頻率點(diǎn)均能找到合適的仰角實(shí)現(xiàn)天波傳輸，并且接收機(jī)與短波電臺(tái)位于同一位置區(qū)域或者輻射源到目標(biāo)的大圓距離與接收站到目標(biāo)的大圓距離接近。輻射源與接收機(jī)在同一區(qū)域的最大可定位距離,如圖5所示。設(shè)在短波的低頻段工作時(shí)電臺(tái)天線增益Gt=5 dB,接收機(jī)天線增益Gr=20 dB,Pn=-170 dBW/Hz,Lp=10 dB,Ls=6 dB,S/N=10 dB,Tc=20 s,σ=20 m2，則可以得到目標(biāo)可定位的最大距離與頻率和發(fā)射功率的關(guān)系圖，見圖5(a)。短波臺(tái)站在遠(yuǎn)距離通信時(shí)增加發(fā)射功率并采用定向天線，利用電離層的F2層進(jìn)行反射實(shí)現(xiàn)天波傳輸。此時(shí)由于電臺(tái)因采用定向天線，設(shè)Gt=18 dB，另外頻率較高時(shí)電離層吸收損耗比低頻率時(shí)小，令Lp=8 dB，得到如圖5(b)的關(guān)系圖。

圖5 輻射源與接收機(jī)在同一區(qū)域的最大可定位距離

由圖5(a)可見，當(dāng)短波電臺(tái)采用低增益天線且低功率實(shí)現(xiàn)短距離通信時(shí)，可定位的最大距離有限，而采用定向天線并且增加發(fā)射功率實(shí)施遠(yuǎn)距離通信，也因?yàn)楦哳l率的傳播損耗也大大增加，使得在上述功率條件下可定位距離基本不超過2 000 km，見圖5(b)。由此可以認(rèn)為，在對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)，需要選擇離目標(biāo)較近區(qū)域內(nèi)的短波臺(tái)站作為輻射源，這樣能大大提高可定位的距離。

1.4 參考站

由前文可知，電離層模型會(huì)對(duì)目標(biāo)定位精度產(chǎn)生較大影響。利用已知距離和方位的參考站對(duì)電離層模型進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，可以提高定位精度[9]。由于各短波臺(tái)站通常采用定向天線與各自不同距離的電臺(tái)進(jìn)行通信，但是由于民用短波臺(tái)站的天線并不具有非常嚴(yán)格的方向性，因此通常會(huì)照射到一個(gè)較廣的角度區(qū)域內(nèi)，所以可以利用多個(gè)短波臺(tái)站對(duì)某一區(qū)域上的目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同定位，并同時(shí)作為參考站，也可以自建部分合作短波臺(tái)站，并通過建立數(shù)據(jù)庫搜集和存儲(chǔ)大型短波臺(tái)站的信息。

電離層參數(shù)通常可共用范圍為500 km，可以遞推到1 000 km，所以短波臺(tái)站位置根據(jù)監(jiān)視的區(qū)域來選定，不同區(qū)域用不同臺(tái)站，確保A、B兩路信號(hào)的反射點(diǎn)基本一致。利用輻射源同時(shí)充當(dāng)參考站時(shí)(圖1)，可通過接收站測(cè)量發(fā)射站的信號(hào)A，并依據(jù)其精確位置等相關(guān)參數(shù)對(duì)電離層標(biāo)準(zhǔn)模型和回波的路徑進(jìn)行修正，然后用修正后的電離層模型來確定回波信號(hào)B的目標(biāo)位置，從而提高目標(biāo)的定位精度。主要包括以下幾個(gè)步驟。

①檢測(cè)到短波固定臺(tái)站的信號(hào)A后，由接收站對(duì)該發(fā)射臺(tái)對(duì)應(yīng)的頻率進(jìn)行測(cè)向，獲得其方位角和仰角后進(jìn)行初始定位；

②搜索數(shù)據(jù)庫并比對(duì)實(shí)際方位角，獲取該短波發(fā)射臺(tái)的經(jīng)緯度，計(jì)算出發(fā)射臺(tái)相對(duì)于接收站的真實(shí)方位和精確位置；

③根據(jù)發(fā)射站和接收站的經(jīng)緯度和所測(cè)的仰角估計(jì)對(duì)該頻率的電離層反射虛高等參數(shù)；

④若同時(shí)存在多個(gè)短波固定站的通信信號(hào)，則重復(fù)上述過程；

⑤依照參考站的實(shí)時(shí)電離層參數(shù)對(duì)目標(biāo)的回波信號(hào)進(jìn)行定位。

2 定位精度分析

方法中定位誤差主要包括方位角、回波仰角測(cè)量誤差和電離層虛高估計(jì)誤差[10]，設(shè)接收站與目標(biāo)之間連線方向?yàn)閤方向，垂直方向?yàn)閥方向。假設(shè)方位角誤差很小，當(dāng)目標(biāo)回波信號(hào)經(jīng)電離層反射單跳到達(dá)接收站時(shí)，按照理想球面的地球表面上目標(biāo)點(diǎn)處y方向的定位誤差可得

Δy≈Δφ·R·sin(RD/R)

(3)

對(duì)式(1)求導(dǎo)，可得目標(biāo)點(diǎn)處x方向上的定位誤差為

Δx=ΔRD=

(4)

由式(4)可以看出，距離估計(jì)誤差主要兩部分組成，前半部分為回波仰角造成的誤差，而后半部分為反射虛高引起的誤差。

假設(shè)各項(xiàng)測(cè)量誤差相互獨(dú)立且服從零均值的高斯分布，當(dāng)各誤差都相對(duì)很小時(shí)，定位精度可以表示為

(5)

下面對(duì)定位精度進(jìn)行仿真分析，設(shè)方位角估計(jì)誤差為1°，回波仰角估計(jì)誤差為1°，反射虛高估計(jì)誤差為10 km，則定位精度分布,如圖6所示。

圖6 定位精度GDOP分布

由圖3可知，若不考慮短波電臺(tái)輻射源位置對(duì)目標(biāo)定位距離的影響，在反射點(diǎn)虛高100 km～400 km、來波仰角5°～50°范圍時(shí)，接收站可實(shí)現(xiàn)對(duì)3 000 km以內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行定位。由圖6可知，上述范圍內(nèi)定位誤差基本不超過100 km，相對(duì)精度基本在3%以內(nèi)。

3 結(jié) 語

通過已有的電離層短波信號(hào)傳輸?shù)拇罅吭囼?yàn)數(shù)據(jù)，能夠證明文中所假設(shè)的電離層傳輸模型的正確性。在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)傳輸距離和定位精度等的分析，進(jìn)一步論證了該系統(tǒng)在原理上具有對(duì)超視距目標(biāo)實(shí)現(xiàn)探測(cè)與定位的可行性。

天波超視距雷達(dá)對(duì)遠(yuǎn)程目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，通常只針對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，且無法較準(zhǔn)確地識(shí)別目標(biāo)屬性。本系統(tǒng)除了能通過對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、多普勒頻域等檢測(cè)手段粗略識(shí)別目標(biāo)以外，還可以通過現(xiàn)有偵察手段和功能，對(duì)定位和跟蹤到的目標(biāo)自身輻射的無線電信號(hào)持續(xù)進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，甚至對(duì)其內(nèi)涵信息進(jìn)行解調(diào)監(jiān)聽，由此進(jìn)一步判斷和識(shí)別目標(biāo)屬性。

利用本研究的技術(shù)形成裝備后與其他無源定位手段和天波雷達(dá)、微波雷達(dá)配合使用可構(gòu)成大縱深防御立體觀察系統(tǒng)，并為岸基指揮所提供早期預(yù)警情報(bào)，為航空兵和海上艦艇機(jī)動(dòng)編隊(duì)提供區(qū)域引導(dǎo)數(shù)據(jù)，為岸基導(dǎo)彈提供目標(biāo)指示。由于由此構(gòu)成的探測(cè)系統(tǒng)具有遠(yuǎn)距離探測(cè)能力，因此能夠提供更長的預(yù)警時(shí)間、反低空突防、反隱身功能以及抗反輻射導(dǎo)彈攻擊等優(yōu)良特性，使其在軍事領(lǐng)域中具備了廣泛的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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