張曉東

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州225101)

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,各軍事強(qiáng)國(guó)越來越多地利用無人機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視,獲取戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)權(quán)。雷達(dá)偵察任務(wù)載荷作為一種安裝于無人機(jī)上的常用偵察設(shè)備,能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)對(duì)雷達(dá)輻射源目標(biāo)的偵察和定位[1-2]。利用無人機(jī)偵察載荷對(duì)目標(biāo)進(jìn)行無源定位,能為多項(xiàng)軍事活動(dòng)提供支持。機(jī)載偵察平臺(tái)無源定位技術(shù)將成為決定今后戰(zhàn)爭(zhēng)中戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

考慮到單架無人機(jī)執(zhí)行無源定位任務(wù)存在一定的局限性,采用多架無人機(jī)進(jìn)行協(xié)同無源定位成為一種趨勢(shì)[3]。目前多架無人機(jī)進(jìn)行協(xié)同無源定位一般采用時(shí)差定位法。

本文以3個(gè)機(jī)載平臺(tái)為例,對(duì)機(jī)載多平臺(tái)時(shí)差定位進(jìn)行原理分析,并分析了對(duì)時(shí)差定位精度造成影響的因素,以及系統(tǒng)的平臺(tái)構(gòu)型對(duì)定位精度產(chǎn)生的影響,將機(jī)載多平臺(tái)時(shí)差定位系統(tǒng)對(duì)海面目標(biāo)進(jìn)行定位的情況進(jìn)行了仿真分析。

1 機(jī)載多平臺(tái)時(shí)差定位法原理

時(shí)差定位法又稱為雙曲線定位法,是通過處理多架無人機(jī)接收到的目標(biāo)輻射源信號(hào)到達(dá)時(shí)間差數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行無源定位的[4]。機(jī)載三平臺(tái)時(shí)差無源定位的示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)載多平臺(tái)時(shí)差無源定位示意圖

無人機(jī)載主偵察平臺(tái)負(fù)責(zé)偵察以及組織全系統(tǒng)的電子偵察活動(dòng),同時(shí)控制各子平臺(tái)的偵察策略同步。副平臺(tái)無人機(jī)在主平臺(tái)的指揮協(xié)調(diào)下,完成對(duì)所在區(qū)域信號(hào)的偵測(cè),并將各自偵收到的信號(hào)特征參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至主平臺(tái)無人機(jī)[5-6]。主平臺(tái)無人機(jī)對(duì)各偵察平臺(tái)上報(bào)的偵測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析、相關(guān)識(shí)別、定位[7]。各無人機(jī)載偵察平臺(tái)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸通過加密的無線通信鏈路完成。

2 機(jī)載多平臺(tái)時(shí)差定位法定位精度推導(dǎo)與分析

機(jī)載三平臺(tái)時(shí)差定位法的各站分布示意圖如圖2所示,定位精度用幾何精度因子(GDOP)來表示:

定位誤差的圓概率誤差可表示為:

式中:σx、σy表示x,y方向上的定位標(biāo)準(zhǔn)差。

圖2 三站分布示意圖

令(CTC)-1CT=B=(bij)2×2,由于各時(shí)間差測(cè)量中都包含有主站測(cè)量到達(dá)時(shí)間的誤差,也即各時(shí)間差測(cè)量中都包含有共同的誤差因素,因此各Δt的觀測(cè)誤差是時(shí)間相關(guān)的。設(shè)定時(shí)間測(cè)量誤差系統(tǒng)誤差修正后是零均值的,且站址誤差各元素之間及各站址誤差之間互不相關(guān),則定位誤差的協(xié)方差為:

時(shí)差定位系統(tǒng)定位誤差主要由系統(tǒng)測(cè)量到達(dá)時(shí)間(TOA)誤差、站址誤差和各站與目標(biāo)相對(duì)位置決定,在目標(biāo)相對(duì)各站位置一定的條件下,定位誤差主要取決于系統(tǒng)授時(shí)誤差和系統(tǒng)測(cè)量輻射源信號(hào)TOA誤差。同時(shí),機(jī)載平臺(tái)構(gòu)型對(duì)定位精度也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

3 定位精度仿真分析

通過仿真對(duì)機(jī)載三平臺(tái)時(shí)差定位系統(tǒng)對(duì)海面目標(biāo)所能達(dá)到的精度以及其平臺(tái)陣型對(duì)定位精度的影響進(jìn)行分析。

對(duì)海偵察采用如圖3所示陣型,此時(shí)2個(gè)副平臺(tái)在距離海平面5 km高度巡航,主平臺(tái)在距里海平面3 km高度巡航,3個(gè)平臺(tái)呈倒掛的等腰三角形排布,三角形平面垂直海平面。

圖3 對(duì)海偵察示意圖

3架無人機(jī)平臺(tái)協(xié)同偵察定位時(shí),在時(shí)間同步誤差為20 ns、無人機(jī)位置誤差為10 m,無人機(jī)主副平臺(tái)間基線為10 km、基線夾角為120°的情況下,對(duì)距離200 km的海面目標(biāo)定位誤差分布如圖4。圖中無人機(jī)平臺(tái)距離目標(biāo)200 km時(shí)的定位誤差為10 km,當(dāng)偵察距離減小到100 km時(shí),定位誤差為3.5 km。

在時(shí)間同步誤差為20 ns、無人機(jī)位置誤差為10 m、無人機(jī)主副平臺(tái)間基線為30 km、基線夾角為120°的情況下,對(duì)距離200 km的海面目標(biāo)的定位誤差分布如圖5所示。

圖4 無人機(jī)主副平臺(tái)間基線為10 km的情況下的定位誤差分布

圖5 無人機(jī)主副平臺(tái)間基線為30 km的情況下的定位誤差分布

由圖4和圖5可以看出,無人機(jī)主副平臺(tái)間基線越長(zhǎng),定位精度越高。

當(dāng)3架無人機(jī)以等邊三角形在空中巡航,三角形邊長(zhǎng)為30 km,2架副機(jī)巡航高度5 km,主機(jī)巡航高度3 km,在時(shí)間同步誤差為20 ns、無人機(jī)位置誤差為10 m的情況下,對(duì)距離200 km的海面目標(biāo)的定位誤差分布如圖6所示。

根據(jù)仿真圖可以分析得出以下結(jié)論:當(dāng)基線角為60°時(shí),系統(tǒng)定位誤差遠(yuǎn)高于基線角為120°時(shí)的定位誤差。因此,基線角的增加可以提高定位精度。采用機(jī)載三平臺(tái)時(shí)差定位系統(tǒng)對(duì)海面目標(biāo)進(jìn)行定位,當(dāng)無人機(jī)主副平臺(tái)間基線為30 km、基線角為120°時(shí),對(duì)距離200 km的海面目標(biāo)的定位誤差可以達(dá)到1.2 km,定位精度很高。

4 結(jié)束語

圖6 無人機(jī)主副平臺(tái)間基線為30 km的情況下的定位誤差分布

本文對(duì)無人機(jī)載多平臺(tái)時(shí)差定位法的原理進(jìn)行了闡述,對(duì)時(shí)差定位系統(tǒng)的定位誤差進(jìn)行了推導(dǎo),分析了對(duì)時(shí)差定位精度造成影響的因素,分析了系統(tǒng)的平臺(tái)構(gòu)型對(duì)定位精度產(chǎn)生的影響,將機(jī)載多平臺(tái)時(shí)差定位系統(tǒng)在不同條件下對(duì)海面目標(biāo)進(jìn)行定位的情況分別進(jìn)行了仿真分析。通過仿真得出如下結(jié)論:在各機(jī)載平臺(tái)時(shí)間同步誤差及位置誤差控制較好的前提下,選擇優(yōu)化的平臺(tái)構(gòu)型,對(duì)目標(biāo)的定位精度可以達(dá)到很高的水平,能夠滿足現(xiàn)代作戰(zhàn)的需要。