田 達，唐英巡，楊樹樹，侯慶禹，馬 琴

（1.中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007；2.中國人民解放軍91635部隊，北京 102249）

0 引言

對地面雷達輻射源進行無源探測定位是電子偵察的一項重要任務(wù)。偵察定位體制選擇與輻射源信號特點、觀測平臺運動特性、應(yīng)用要求等因素有關(guān)［1－3］。常見體制包括測向交叉、相位差變化率、長基線時差、差分多普勒等等?？紤]到多數(shù)地面雷達以脈沖工作方式為主，信號波形持續(xù)時間相對較短、帶寬較寬，有利于時差精確測量，因此長基線時差定位成為電子偵察多站定位體制的首選。與其他定位體制相比，長基線時差定位可以實現(xiàn)較高的定位精度，且定位所需時間短（理論上單次時差測量即可實現(xiàn)目標(biāo)定位），特別適合電子支援或情報偵察作戰(zhàn)應(yīng)用。

本文提出一種多站目標(biāo)精確定位方法，利用多個機動偵察站同步觀測獲得雷達輻射源時差信息，通過定位跟蹤算法實現(xiàn)目標(biāo)位置精確估計，只需三站即可測得地面目標(biāo)的位置坐標(biāo)。該方法具有較大的靈活性，適用于多種觀測平臺，且可方便地推廣應(yīng)用于更多機動平臺組網(wǎng)觀測，以提高偵察定位精度和穩(wěn)健性。分析了精確時差測量、輻射源定位跟蹤等關(guān)鍵技術(shù)，并進行了性能分析仿真。

1 系統(tǒng)方案

多站目標(biāo)精確定位系統(tǒng)由三個偵察站和一個指揮控制中心組成，如圖1所示。各偵察站保持嚴(yán)格時間同步，共同測得輻射源位置信息。指揮控制中心負(fù)責(zé)控制各偵察站平臺的姿態(tài)、布站構(gòu)形，根據(jù)需要調(diào)整平臺位置姿態(tài)，形成最佳布站構(gòu)形，達到最佳定位效果。

偵察站按照功能劃分為一個主站和兩個副站。主站除完成輻射源信號截獲、參數(shù)測量、分析、給出輻射源信號描述字外，還負(fù)責(zé)多站定位系統(tǒng)工作時序和方式控制，將脈沖描述字（PDW）和控制信息以廣播方式發(fā)送至副站。主站可接收副站回傳的脈沖到達時間（TOA）測量結(jié)果和平臺自定位數(shù)據(jù)，根據(jù)這些信息解算輻射源位置。副站在主站控制下，在指定頻段上進行信號的跟蹤偵收，測量脈沖信號的TOA，將測量結(jié)果和平臺自定位數(shù)據(jù)經(jīng)過微波鏈路回傳到主站。

圖1 多站目標(biāo)精確定位系統(tǒng)

考慮到多站目標(biāo)精確定位系統(tǒng)應(yīng)用特點，主站、副站可采用相同任務(wù)載荷設(shè)計，包括偵察接收機、輻射源目標(biāo)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理單元、二次電源等模塊。此外，還有時間同步單元、控制單元、系統(tǒng)接口單元、通信鏈路、GPS導(dǎo)航等其他航電設(shè)備，如圖2所示。

圖2 設(shè)備組成框圖

其中，偵察接收機實現(xiàn)輻射源信號截獲和脈沖參數(shù)（RF，PW，PA及TOA）精確測量功能，編碼產(chǎn)生脈沖描述字（PDW）；數(shù)據(jù)處理單元可對偵察接收機輸出的PDW進行分析處理，實現(xiàn)脈沖分選和配對，提取時差，結(jié)合各偵察站的平臺位置信息對輻射源進行定位跟蹤處理，更新輻射源目標(biāo)數(shù)據(jù)庫；輻射源目標(biāo)數(shù)據(jù)庫用于存放歷史的和當(dāng)前的關(guān)于輻射源的描述數(shù)據(jù)，為目標(biāo)識別和信號分選提供支持；GPS導(dǎo)航系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供平臺位置和速度信息；時間同步單元提供系統(tǒng)所需的高穩(wěn)定度的1PPS同步秒脈沖和參考頻率源；通信鏈路實現(xiàn)主站與各副站之間以及各站與指揮控制中心之間的通信數(shù)據(jù)傳輸；系統(tǒng)接口單元提供與控制單元及武器系統(tǒng)等其它系統(tǒng)的接口；控制單元用于系統(tǒng)協(xié)調(diào)管控，并實現(xiàn)對系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)視。

2 高精度時差測量［4］

雷達信號多采用脈沖工作方式，因此雷達信號時差提取可通過測量脈沖TOA得到，處理過程依次包括TOA測量、脈沖信號分選配對、TOA比對等幾大步驟，如圖3所示。該方法可以較好地適應(yīng)脈沖工作環(huán)境，并且主副站之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量小，不需要大容量的站間通信鏈路。

圖3 基于TOA的時差提取流程

與傳統(tǒng)模擬視頻脈沖檢測處理方式不同，本方案采用基于小波分析的方法實現(xiàn)雷達脈沖TOA精確測量，具有更高的靈敏度和測量精度?；驹硎峭ㄟ^自相關(guān)得到脈沖包絡(luò)并初步確定上升沿的位置，用Haar小波對脈沖包絡(luò)進行單尺度變換，通過小波變換WT（a，n）模值的峰點位置檢測出脈沖前沿。基于小波分析的TOA精確測量處理流程如圖4所示。

圖4 基于小波分析的TOA測量算法流程

TOA測量性能試驗仿真如圖5所示?；赥OA測量的時差提取方法需要主副站之間采用相同的時間基準(zhǔn)，即各偵察站在時間上嚴(yán)格保持同步，這可通過微波雙向時間傳遞（TWTT）技術(shù)［5］實現(xiàn)，各平臺自帶高精度原子鐘，通過微波無線鏈路實現(xiàn)雙向時間傳遞，修正本地鐘差，該方法對鏈路速率要求不高，適用于機動平臺，可實現(xiàn)5ns以內(nèi)同步精度。

3 輻射源定位跟蹤

3.1 單次測量定位算法

設(shè)各偵察站平臺位置分別為（x0，y0，z0）、（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2），輻射源的位置為xt＝（x，y，z）。以（x0，y0，z0）位置觀測站為參考（主站），副站偵收信號相對主站偵收信號的到達時差分別為Δt1、Δt2，則輻射源位置坐標(biāo)滿足如下方程組（觀測方程）：

對于地球表面的輻射源，其位置坐標(biāo)還滿足WGS－84地球橢球面約束方程：

式中，c為光速，N＝a（1－e2sin2B）－1/2為目標(biāo)所在點的卯酉圈曲率半徑，a為地球半長軸，e為第一偏心率，B為目標(biāo)緯度，h為目標(biāo)高程。聯(lián)立上述方程組進行求解，即得到輻射源的位置坐標(biāo)。

給定一組混有噪聲的量測方程：

圖5 TOA測量試驗仿真

式中，nk為第k次觀測的零均值測量噪聲。未知噪聲統(tǒng)計特性的情況下，最小二乘是一種合理的最優(yōu)估計準(zhǔn)則，即目標(biāo)位置估計：

式中，向量γ＝［γ1，…，γK］T，f（xt）＝（f1（xt），…，fK（xt））T。

為便于處理，將函數(shù)f（xt）在初始點xt0＝（xt0，yt0，zt0）T處用一階泰勒公式展開，獲得線性化近似，即：

式中：

分別為位置增量和函數(shù)fk（xt）的梯度向量。將式（3）、（5）代入式（4），即得：

式中：

得出上述方程的最小二乘解：

在各觀測站時差測量誤差的協(xié)方差陣Rn＝E｛［n－E｛n｝］［n－E｛n｝］T｝已知的情況下，則有加權(quán)最小二乘解：

需要說明的是，上述方法是一種遞推迭代方法。統(tǒng)計分析表明，只要選取的迭代初值xt0距離真值不是太遠(yuǎn)，該方法均收斂于真值附近，并提供統(tǒng)計意義下的無偏估計［2］。迭代初值可根據(jù)輻射源所處位置區(qū)域的先驗信息確定。與其它時差定位系統(tǒng)一樣，多站編隊構(gòu)形設(shè)計（偵察平臺航跡）直接影響定位精度。

3.2 濾波跟蹤算法

利用編隊飛行過程中的多次時差測量進行濾波處理，可以進一步提高定位精度。對于固定輻射源，狀態(tài)方程為：

測量方程為：

根據(jù)推廣的Kalman濾波公式，結(jié)合狀態(tài)方程式可得：

式中：

4 定位性能仿真

假設(shè)編隊飛行高度18km，主副站間距30km，時差測量精度20ns，平臺自定位精度1m。多站目標(biāo)精確定位誤差分布的計算結(jié)果（單次定位，未經(jīng)濾波處理）如圖6所示。在x、y方向±500km條帶區(qū)域內(nèi)，三站定位誤差基本＜1%R。

圖6 三站定位精度分布

為了進一步提高定位精度，在定位過程中采用濾波處理，500km距離目標(biāo)的定位誤差收斂典型曲線如圖7所示，其濾波時間間隔為0.1s。表明，經(jīng)過5s時間濾波，定位誤差收斂到500m以內(nèi)。

圖7 三站定位濾波處理

5 結(jié)束語

本文提出的多站目標(biāo)精確定位方法具有觀測站少、原理簡單、組網(wǎng)靈活的優(yōu)點，可以推廣應(yīng)用于任意機動觀測平臺。與傳統(tǒng)處理方式相比，該方法采用先進數(shù)字信號處理技術(shù)實現(xiàn)脈沖信號檢測和TOA參數(shù)測量，具有更高的靈敏度和測量精度，能夠較好地適應(yīng)脈沖工作環(huán)境，并且主副站之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量小，不需要大容量的站間通信鏈路。采用的濾波跟蹤算法可實現(xiàn)快速高精度定位，在電子偵察應(yīng)用中具有良好的應(yīng)用前景。

［1］Paradowski LR.Microwave emitter position location：present and future［C］∥12thInternational Conference on Microwaves and Radar，MIKON’98，1998，4：97－116.

［2］Torrieri DJ.Statistical theory of passive location systems［J］.IEEE Trans.on Aerospace and Electronic Systems，1984，20（2）：183－198.

［3］Mellen GII，Pachter M，Raquet J.Closed－form solution for determining emitter location using time difference of arrival measurements［J］.IEEE Trans.on Aerospace and Electronic Systems，2003，39（3）：1056－1058.

［4］周一宇，鐘丹星，謝愷.三星座對地面輻射源的時差定位方法研究［C］∥電子戰(zhàn)新概念新理論新技術(shù)第十一屆學(xué)術(shù)年會論文集，2003：146－151.

［5］Warriner J，et al.Real－time two－way time transfer to aircraft［C］∥38thAnnual Precise Time and Time Interval（PTTI）Meeting，ADA474550，2007.