CN116400293A - 伪单站高精度无源定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明为伪单站高精度无源定位系统，定位原理上，首先建立起伪单站高精度无源定位和单站快速无源定位的基本模型，定位算法上，相位差主要用于测量目标距离，通过多个天线之间的约束关系消除相位模糊的影响，可以通过时差参数或专门的测向设备来获取，另一方面，在已有基于定位参数的算法基础上研究基于中频信号的直接定位方法，将信号检测与目标定位合并进行处理，设备相对简单、安装、使用和维护较为容易。因不需配置复杂的时统和通信设备，设备量较少且功耗较低；由于基线短，具有很好的阵地适应性和机动性，可部署于远海岛礁或高原深山等阵地上。

Description

伪单站高精度无源定位系统
技术领域
本发明涉及伪单站高精度无源定位系统。
背景技术
现代电子战中，在电子干扰、反辐射导弹和隐身飞机等对抗手段下，有源雷达系统的工作效能和生存能力面临越来越严重的威胁。而采用被动定位体制的无源定位系统具有预警距离远、隐蔽性强和难以干扰等优点，逐渐成为现代一体化防空系统、机载武器系统对地、对海攻击以及对付隐身目标的远程预警系统的重要组成部分。
随着电子战技术水平的发展，无源侦察定位系统面临的电磁环境更为复杂。现代电子装备越来越多地采用相控阵窄波束天线、跳频脉冲、短促突发波形和宽带低截获信号等工作体制，现有的多站和单站被动定位系统已难以适应对此类辐射源目标的处理。例如，对于传统多站时差定位或测向交叉定位系统，首先由于其站间距较大，难以对窄波束目标形成多站共视来实现有效定位；另一方面，多站系统需要进行站间的信号配对，必须积累一定的信号来检测和提取正确的配对结果。对于短促信号和高重频信号，则容易出现漏检和误检的问题。而对于单站被动定位系统，其定位原理基于运动学理论，需要对辐射源信号进行连续、有效地测量，在定位信息积累的基础上逐步获取目标的位置参数，因而存在定位收敛慢、精度低等缺点，因此亟待改进该缺点。
发明内容
本发明提供伪单站高精度无源定位系统。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：定位原理上，首先建立起伪单站高精度无源定位和单站快速无源定位的基本模型；
定位算法上，相位差主要用于测量目标距离，通过多个天线之间的约束关系消除相位模糊的影响，可以通过时差参数或专门的测向设备来获取，另一方面，在已有基于定位参数的算法基础上研究基于中频信号的直接定位方法，将信号检测与目标定位合并进行处理；
航迹跟踪算法上，侧重于研究将单站快速定位与伪单站高精度无源定位的数据融合处理方法，伪单站高精度无源定位系统提供目标分选和位置信息，单站定位提供目标运动参数、机动检测等信息，提高目标航迹跟踪的精度及对机动目标跟踪滤波的能力；
在信号检测和参数测量上，引入阵列信号处理理论和技术，利用其空间选择性来抑制噪声、地物杂波和多目标干扰，提高弱信号检测能力，对于散射目标，研究以直达波作为参考，通过波形选择来提高对散射波的截获能力。
可优选的，通常目标距离远远大于伪单站高精度无源定位系统的基线长度，其相对干涉仪的视角差也非常小，因此与测向干涉仪相位差的测量相比，视角相位差测量出现模糊程度要小很多，从而在相位解模糊上具有天然的优势，因此，伪单站高精度定位采用视角差测距的原理，可大幅减少需要的天线数目，以中间的阵元0为观测中心，目标T到观测中心的距离为r，与干涉仪基线的夹角为目标的来波方向β，阵元1、阵元2与阵元0的分别构成基线长为d的相位干涉仪，将目标到这两个干涉仪的视向夹角α定义为伪单站高精度测距系统的视角差
根据以上几何关系，在距离r远大于阵间距d的情况下，视向夹角α近似等于两个双阵元干涉仪基线中心的距离在目标方向投影后与距离r的比值，即
Figure BDA0004135619650000021
可优选的，根据测距公式，测距误差主要来源于测相误差δφ和测角误差δβ，同时站间距误差δd也会带来一定的测距偏差，误差传播公式如下：
Figure BDA0004135619650000022
可优选的，根据测距模型及原理可知，当目标距离足够近时，视角相位差将超出2π的范围，从而出现相位差测量模糊及目标测距模糊。根据定位模型导出测距模糊条件如下：
Figure BDA0004135619650000023
可优选的，假设系统最小的观测距离为rmin，则满足观测区域内无模糊测距的站间距应为：
Figure BDA0004135619650000024
与现有技术相比，本发明优点在于：
1.设备相对简单、安装、使用和维护较为容易。因不需配置复杂的时统和通信设备，设备量较少且功耗较低；由于基线短，具有很好的阵地适应性和机动性，可部署于远海岛礁或高原深山等阵地上。
2.对复杂电磁环境的适应性强。伪单站高精度无源定位体制采用相关处理技术，对信号形式的适应能力强；可实现单脉冲定位，定位速度快、精度高，定位结果的置信度高。
3.定位不依赖于目标或平台的运动形式，不存在多站系统的目标共视问题和定位模糊的问题。
附图说明
图1为本发明的伪单站高精度无源定位系统处理结构图。
图2为本发明的利用短距离基线视角差测距的原理图。
图3为本发明的相位精度为5度时测距GDOP的图。
图4为本发明的测角精度为0.5度时测距GDOP的图。
图5为本发明的不同基线长度下的测距模糊区域图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1至图5所示，伪单站高精度无源定位系统以多个分布式部署的天线阵列接收来波信号，通过分析信号到达各个天线的相位和时差关系解算出目标的距离和方位。
为获得较好的定位精度，天线应尽量沿着一条直线分布，其法方线面朝观测区域，天线采用宽带宽波束天线，以接收较大的观测频域和空域范围内目标信号，天线收集的射频信号通过电缆或光纤传输到处理中心，在处理中心进行信号的检测和测量，以及对目标进行定位跟踪处理，系统以伪单站高精度无源定位方式为主，单站快速定位作为辅助手段，用于提高目标航迹跟踪的精度。为了减少设备复杂度及便于维护、部署，设想的短基线系统的天线站个数应不超过10个，天线基线长度不超过300米。
如图1所示，伪单站高精度无源定位系统的信号及数据处理的结构及流程，本发明包括定位理论和算法研究、原理样机研制及试验两部分，两者应紧密结合、相辅相成。首先通过理论和算法研究突破伪单站高精度定位的原理和关键技术，为原理样机设计提供参考依据和算法支撑。
在定位理论和算法研究方面，针对定位原理、定位及跟踪算法和信号检测及测量算法等分别开展研究：
定位原理上，首先建立起伪单站高精度无源定位和单站快速无源定位的基本模型。由于天线基线较长，伪单站高精度系统接收的信号不能像常规相位干涉仪那样建立平面波模型，而应尽量采用更准确的球面波模型；
定位算法上，由于使用有限的天线无法完全消除相位差模糊，不宜直接用相位差去对目标进行测向和测距。解决该问题的基本思路是将测向与测距分离考虑，相位差主要用于测量目标距离，通过多个天线之间的约束关系消除相位模糊的影响。而较简单的测向功能，可以通过时差参数或专门的测向设备来获取。另一方面，在已有基于定位参数的算法基础上研究基于中频信号的直接定位方法，将信号检测与目标定位合并进行处理；
航迹跟踪算法上，侧重于研究将单站快速定位与伪单站高精度无源定位的数据融合处理方法，伪单站高精度无源定位系统提供目标分选和位置信息，单站定位提供目标运动参数、机动检测等信息，提高目标航迹跟踪的精度及对机动目标跟踪滤波的能力；
在信号检测和参数测量上，引入阵列信号处理理论和技术，利用其空间选择性来抑制噪声、地物杂波和多目标干扰，提高弱信号检测能力。对于散射目标，研究以直达波作为参考，通过波形选择来提高对散射波的截获能力。
对于关键技术的解决方案，定位模型及测距原理：伪单站高精度无源定位系统由于天线基线较长，不能直接用相位差来测量目标的到达方向，一般可通过时差参数或专门的相位干涉仪来实现目标测向。因此，伪单站高精度无源定位问题主要是利用相位差测量目标距离参数的问题。为此，可以用本单位提出的基于等长基线阵列的单站单脉冲无源定位体制。
在基于等长基线阵列的单站单脉冲无源定位体制中，对目标测距至少需要3个观测站。这里考虑一个在直线上等间距布站的3天线定位系统，如图3所示。以中间的阵元0为观测中心，目标T到观测中心的距离为r，与干涉仪基线的夹角为目标的来波方向β。阵元1、阵元2与阵元0的分别构成基线长为d的相位干涉仪，将目标到这两个干涉仪的视向夹角α定义为伪单站高精度测距系统的视角差。
根据以上几何关系，在距离r远大于阵间距d的情况下，视向夹角α近似等于两个双阵元干涉仪基线中心的距离在目标方向投影后与距离r的比值，即
Figure BDA0004135619650000041
假设目标的方位角β已通过其它的手段获取，则只需要测量出视角差α后即可确定出目标的距离参数。根据图3建立基于球面波的信号相位差模型，则目标到干涉仪基线两端的视向夹角α反映在相位差参数上。通过测量视角相位差可以估计夹角α，再利用α与目标距离的关系式即可解算目标距离参数。
通常目标距离远远大于伪单站高精度无源定位系统的基线长度，其相对干涉仪的视角差也非常小，因此与测向干涉仪相位差的测量相比，视角相位差测量出现模糊程度要小很多，从而在相位解模糊上具有天然的优势。因此，伪单站高精度定位采用视角差测距的原理，可大幅减少需要的天线数目。
定位误差分析：以图2的三站观测系统为基础分析伪单站高精度无源定位的误差，根据测距公式，测距误差主要来源于测相误差δφ和测角误差δβ，同时站间距误差δd也会带来一定的测距偏差，误差传播公式如下：
Figure BDA0004135619650000042
站间距误差δd是一个固定量，采用先进仪器测量后该偏差可以控制在毫米量级。可见，对于站间距为几十米或上百米量级的短基线无源定位系统，δd引入的测距相对误差将小于万分之一。因此，其影响在实际应用中可以忽略不计。实际上，站间距误差的影响主要是在相位差测量中带入系统误差，可通过定位标校方式进一步补偿和修正。
误差项δφ和δβ是随机测量误差，从式(2)可见，δφ引入的测距误差与站间距d的平方成反比，d变大时测距误差随之迅速减小；δβ引入的测距误差则与站间距无关。分别画出在误差项δφ、δβ影响下测距精度的几何分布如图4a、图4b所示。仿真中，假设3个观测站沿x轴方向分布，阵中心位于坐标系原点，站间距为50m，信号波长为3.3cm。分别仿真相位差误差为5度和方位误差为0.5度情况下的误差分布特性。
如图3-图4可以观察到：相对而言，角度测量误差对测距误差的影响不如相位差误差的影响大，即伪单站高精度定位系统对测角精度的要求并不高；
随着目标距离增大，相位差误差带来的测距误差等高线迅速变密，而测角误差带来的测距误差等高线的变化较小。因此，相对而言相位差误差的传播对目标距离更为敏感；
随着目标方位角偏离干涉仪法线方向，相位误差或测角误差引起的测距误差的等高线逐渐变密，对接近基线方向上的目标则无法进行有效测距。系统有效作用区域位于干涉仪法线两边大约±60度的角度范围内。
可见，伪单站高精度被动定位系统的定位精度取决于干涉仪的基线长度、相位差测量精度，以及目标信号的频段等诸多因素。现实条件下，相位差测量误差一般为30度左右，以下分别仿真基线长度为150米和300米的伪单站高精度无源定位系统，在不同频段下对法线方向上的目标进行定位的相对精度。
表1基线长度150米时的定位精度
Figure BDA0004135619650000051
表2基线长度300米时的定位精度
Figure BDA0004135619650000052
Figure BDA0004135619650000061
从上述仿真结果可见：在X波段以上，基线长度为300米时可达到3％R的定位精度指标要求。考虑到相位差测量精度还有提升的空间，以及进行跟踪滤波处理后产生的增益，基线长度还可进一步缩短。
定位无模糊范围：根据测距模型及原理可知，当目标距离足够近时，视角相位差将超出2π的范围，从而出现相位差测量模糊及目标测距模糊。根据定位模型导出测距模糊条件如下：
Figure BDA0004135619650000062
其中，r为目标相对距离，λ为载波波长。
假设干涉仪天线沿x轴方向分布，阵中心取坐标原点，信号波长3.3cm，分别画出站间距d＝50m和d＝15m时，测距系统的模糊测距区域图6的阴影部分所示。
图5中，站间距为50m时，无模糊测距范围为r>75km；站间距为15m时，无模糊测距范围为r>6.75km。可见，减小站间距能显著地缩小模糊测距的区域。假设系统最小的观测距离为rmin，则满足观测区域内无模糊测距的站间距应为
Figure BDA0004135619650000063
虽然缩伪单站高精度无源定位系统长度可避免观测区域内出现测距模糊，但系统的测距精度也将大大降低。为此，可在长基线三阵元干涉仪的中心阵元两侧分别增加1个甚至多个阵元，与中心阵元另外构成较短基线的干涉仪测距系统。以较短基线测距系统来对较长基线测距系统进行逐级相位解模糊，由最长基线的系统实现高精度测距。
并且设备相对简单、安装、使用和维护较为容易。因不需配置复杂的时统和通信设备，设备量较少且功耗较低；由于基线短，具有很好的阵地适应性和机动性，可部署于远海岛礁或高原深山等阵地上。
对复杂电磁环境的适应性强。伪单站高精度无源定位体制采用相关处理技术，对信号形式的适应能力强；可实现单脉冲定位，定位速度快、精度高，定位结果的置信度高。
定位不依赖于目标或平台的运动形式，不存在多站系统的目标共视问题和定位模糊的问题。
最后应说明的是：以上实施例仅说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.伪单站高精度无源定位系统，其特征在于：定位原理上，首先建立起伪单站高精度无源定位和单站快速无源定位的基本模型；
定位算法上，相位差主要用于测量目标距离，通过多个天线之间的约束关系消除相位模糊的影响，可以通过时差参数或专门的测向设备来获取，另一方面，在已有基于定位参数的算法基础上研究基于中频信号的直接定位方法，将信号检测与目标定位合并进行处理；
航迹跟踪算法上，侧重于研究将单站快速定位与伪单站高精度无源定位的数据融合处理方法，伪单站高精度无源定位系统提供目标分选和位置信息，单站定位提供目标运动参数、机动检测等信息，提高目标航迹跟踪的精度及对机动目标跟踪滤波的能力；
在信号检测和参数测量上，引入阵列信号处理理论和技术，利用其空间选择性来抑制噪声、地物杂波和多目标干扰，提高弱信号检测能力，对于散射目标，研究以直达波作为参考，通过波形选择来提高对散射波的截获能力。
2.根据权利要求1所述的伪单站高精度无源定位系统，其特征在于：通常目标距离远远大于伪单站高精度无源定位系统的基线长度，其相对干涉仪的视角差也非常小，因此与测向干涉仪相位差的测量相比，视角相位差测量出现模糊程度要小很多，从而在相位解模糊上具有天然的优势，因此，伪单站高精度定位采用视角差测距的原理，可大幅减少需要的天线数目，以中间的阵元0为观测中心，目标T到观测中心的距离为r，与干涉仪基线的夹角为目标的来波方向β，阵元1、阵元2与阵元0的分别构成基线长为d的相位干涉仪，将目标到这两个干涉仪的视向夹角α定义为伪单站高精度测距系统的视角差
根据以上几何关系，在距离r远大于阵间距d的情况下，视向夹角α近似等于两个双阵元干涉仪基线中心的距离在目标方向投影后与距离r的比值，即
Figure FDA0004135619640000011
3.根据权利要求2所述的伪单站高精度无源定位系统，其特征在于：根据测距公式，测距误差主要来源于测相误差δφ和测角误差δβ，同时站间距误差δd也会带来一定的测距偏差，误差传播公式如下：
Figure FDA0004135619640000012
4.根据权利要求3所述的伪单站高精度无源定位系统，其特征在于：根据测距模型及原理可知，当目标距离足够近时，视角相位差将超出2π的范围，从而出现相位差测量模糊及目标测距模糊。根据定位模型导出测距模糊条件如下：
Figure FDA0004135619640000021
5.根据权利要求4所述的伪单站高精度无源定位系统，其特征在于:假设系统最小的观测距离为rmin，则满足观测区域内无模糊测距的站间距应为：
Figure FDA0004135619640000022
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