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无源雷达信号处理及定位系统研究

2016-09-29

科技视界 2016年20期
关键词:目标定位信号处理

李斌 胡可生

【摘 要】无源雷达作为一种新体制现代雷达,可实现对隐身目标的探测与定位,在复杂的电磁信号环境中具有超强生存能力,本文介绍了无源雷达信息处理流程,分析了无源雷达的多站、单站定位原理进行,并对无源雷达定位系统未来发展趋势做了论述。

【关键词】无源雷达;信号处理;目标定位;单站无源定位

Research on Information Processing and Location Technology of Passive Radar

LI Bin HU Ke-sheng

(NO.91604 Troops of PLA, Longkou Shandong 265700, China)

【Abstract】As a new kind of modern radar system,passive radar can locat the stealth target,and has strong survival ability in a complex electromagnetic signal environment. This paper introduces the information processing of passive radar,and analyzes the positioning principle of multistation and single station, and discusses the development trend in the future of passive radar.

【Key words】Passive radar; Signal processing; Target lacation; Single observer passive location

0 引言

雷达可对空中目标进行实时探测、识别和定位跟踪,能够准确实时地提供空中情报,在现代战争中掌握制空权[1]。无源雷达被动接受目标自身辐射的电磁信号或目标反射的非协作辐射源的信号,较有源雷达隐蔽性好,反侦察能力较强,并可将敌方的干扰信号作为探测信号,对干扰源予以定位并反击。同时,因为无源雷达通过捕获目标的辐射源信号进行探测,所以对隐身目标的探测定位与普通目标没有本质区别,能够对隐形目标进行精准定位[2]。此外,无源雷达不受地杂波、海杂波等杂波影响,具有超强的低空探测能力,电磁波单程传输可实现远距离探测。

无源雷达因具备以上的优势,在现代电子战、信息站中能发挥关键作用[3],使得各国竞相研制,例如捷克ERA公司的维拉系列雷达、以色列IAI公司的EL-L8300G雷达、俄罗斯的“卡尔秋塔”雷达、英国Roke Manor公司的“蜂窝”雷达系统以及美国的“沉默哨兵”雷达系统,我国也研发出拥有自主知识产权的“DWL002”被动探测雷达系统、“YLC-20”双站无源雷达系统等无源雷达探测系统。

1 无源雷达系统及信息处理

根据探测机理,无源雷达系统分为基于目标本身辐射源的无源雷达和基于外辐射源的无源雷达这两类[4]。

基于目标本身辐射源的无源雷达在电子侦察系统的基础上结合点迹相关、航迹相关技术最终实现提供目标航迹信息的目的,对目标进行定位和跟踪,例如维拉系列雷达,主要利用目标本身的通信电台、有源干扰等电子设备辐射的电磁波实现目标的探测定位,探测模式:一个中心站和两个边站(若进行三维坐标定位需要3个边站),站站间距10km-50km,观测目标的同一辐射信号至各站的时间参数和角度参数,通过目标与三站的几何关系得到目标的二维或三维坐标。

基于外源辐射的无源雷达主要捕获目标反射FM广播、数字电视、通信信号和全球定位系统等外辐射源的信号,可精确地完成全天候对空预警,这类无源雷达系统接受的信号成分较前一类更为复杂,包括目标反射信号、背景干扰信号和辐射源直达信号,并利用直达信号作为参考信号进行目标的定位与跟踪,例如美国的“沉默哨兵”雷达系统,这种无源雷达系统由近距离配置的一个主站和一个辅站组成(如图1)[5]。

2 目标定位

无源雷达系统被动的接收目标辐射、反射的电磁波信号,并测量信号的角度参数、时间参数和频率参数等对目标实现定位,本文从几何角度对多站定位技术和单站定位技术展开讨论。[7]

2.1 测向交叉多站无源定位

利用两个或两各以上观测站观测的高精度方位角和俯仰角参数以及观测站间距,经过几何运算来确定目标空间位置(由于两站观测因天线副瓣接收问题易形成虚假定位点,实际中多采用三站或以上侧向交叉定位),见图2[8]。

本文以三站为例,令目标的空间坐标为(Xm,Ym,Zm),观测站的空间坐标分别为(Xi,Yi,Zi),i=1,2,3,则可得关系式(式中Ri为目标至i观测站的斜距;σi和θi分别为目标到底i个观测站的俯仰角和方位角):

当测得角度参数和观测站自身位置参数就可以通过测向交叉法获得目标空间为位置,在雷达部署方面多采用三角部署方式,这种部署误差分布均匀对称,有利于目标的定位,影响测向交叉定位精度的主要因素是测角精度和布站距离,各站各侧向精度愈高,站间距离愈远,定位精度愈高,最新的干涉仪测角精度在1°以内,我军的C3I、C4I系统建设可较好地满足布站距离的要求。

2.2 多站时差无源定位

通过处理三个或更多个观测站采集到的信号到达时间测量数据来求解目标的位置坐标,定位精度高、速度快[9]。

对于二维平面内的目标利用3个观测站即可进行定位,而对空间目标的三维精确定位则需4个观测站,当采用四站定位时,一个中心站接收空间辐射的脉冲信号,同时为其它三个边站提供同步信号,3个边站收到的脉冲信号再传给中心站,则形成三条基线,这三条基线分别对应三对双曲面,这三对双曲面相交于一点,即为目标的空间位置,但是有时这些双曲线获双曲面会产生多个交点或没有交点,因此时差定位会存在模糊和无解现象。

四站时差定位系统中,为了减小地面反射的影响和扩大视野,四站可布署在海拔较高的地方,为了提高定位精度,四站可采用对称布局,一般有Y型和T型两种布站方式(如图3)。

图3 多站时差定位系统布站方式图

2.3 基于多参数联合的多站定位

测向交叉定位方法较难实现精确定位,时差定位的虽然定位精度高但定位模糊,随后发现基于多参数联合的多站定位方法来对目标进行定位,可实现不模糊、精度高等优点,逐渐成为新的研究热点[10]。基于多参数联合的多站定位方法主要通过两个或多个测量站获得目标源多种参数进行定位,如角度—时差联合定位、时差—多普勒频差联合定位以及角度—多普勒频差联合定位等。

2.4 单站无源定位

单站无源系统相较于多站系统,灵活性好,摆脱了站间的数据同步和通信传输,只凭借一个观测平台,对与之有相对运动的目标进行连续的参数测量,然后利用获取的多组参数联合求解得到目标的三维空间位置,实现对固定或运动目标的快速高精度定位[11]。

近年来,多普勒频移变化率定位、相位差变化率定位和角度变化率定位成为单站无源定位研究的热点,其中相位差变化率定位方法仅适用于已知高度目标的定位,多普勒频移变化定位方法通过变化可得到角度变化率定位方法,因此本文重点分析多普勒频移变化率定位方法,其观测模型如图3所示。

图4 单站无源定位-多普勒频率变化率定位法图

多普勒频率变化率定位法主要利用观测目标信号的多普勒频率变化率参数来实现目标的定位,假设无源雷达位于坐标原点,目标位于(Xm,Ym,Zm)处,以径向速度V相对于无源雷达进行运动,其俯仰角和水平角分别为φ、θ,则可得到如下关系:

通过上述推导可知,当测得目标多普勒频率变化率、方位角变化率、俯仰角变化率后,即可实现目标定位,但为了减小定位误差获得高精度目标定位,还需多测观测和滤波处理。利用多普勒频率变化率作为测量,是一种快速高精度的单站无源定位技术,高测量精度是该定位技术的关键,若各测量量的测量精度满足要求,则可以在很短的时间内达到较高的测距精度[12]。当受辐射源限制时,观测器采样率很低,依然可以通过较少的测量次数达到较高的测距精度。

3 定位系统未来发展趋势

在复杂电磁环境下仍具预警探测、精准定位、远程打击等性能是雷达系统发展趋势,目前无源雷达存在定位精度较有源雷达低、微弱目标检测低效等问题仍存[13]。现提出以下几种建议,以求最大化无源雷达优势,建立高效防空、情报系统。

1)拓展外辐射源信号种类。随着多种卫星信号和其他辐射源信号的利用,可针对性研究各种辐射源信号,扩展可供无源雷达利用的外辐射源种类。

2)建立无源雷达监视网络。不同的辐射源信号使用不同的频段,同时同一目标在不同频段显示出的雷达特性各异,可以将不同平台的无源雷达进行组网,建立起一个庞大的无源监视网络,提高目标定位的精准度。

3)无源探测与有源探测互补。无源雷达无法探测保持无线电静默的目标,因此将无源雷达与有源雷达结合使用、互为补充,以多基方式合理布设无源雷达和有源雷达,组建高效、可靠的防空情报系统,这样既提高了无源雷达的利用率,又增强了有源雷达的隐蔽性和生存能力。

4)研发机载和航载无源雷达。对于机载无源雷达利用三架或四架飞机进行时差联合定位,而舰载无源雷达采用短基线定位技术,而舰队则可设计成长基线无源定位系统以获取高精度目标定位。

【参考文献】

[1]贾玉贵.现代对空情报雷达[M].北京:国防工业出版社,2004:13.

[2]黄仁全,李为民,土春阳,等.无源雷达系统探测与定位能力分析[J].空军工程大学学报:自然科学版,2013.2,1(14):25-29.

[3]李玉方,祁建清.无源探测与跟踪系统应用及其发展[J].飞航导弹,2012,16(1): 80-83.

[4]赵树杰.雷达信号处理技术[M].北京:清华大学出版社,2008:32.

[5]杨广平.外辐射源雷达关键技术研究[J].现代雷达,2008,30(8):5-9.

[6]郁春来,张元发,王方.无源定位技术体制及装备的现状与发展趋势[J].空军雷达学院学报,2012,4,2(26):79-85.

[7]马登峰.多目标辐射源无源定位技术研究[D].武汉:武汉理工大学,2010:1-53.

[8]杨进佩.基于GPS的无源雷达技术研究[D].南京:南京理工大学,2006:17-23.

[9]马贤同,罗景青,吴世龙.多站时差与多参数联合分选定位方法[J].国防科技大学学报,2015,30(6):79-83.

[10]孙仲康,郭福成,冯道旺,等.单站无源定位跟踪技术[M].北京:国防工业出版社,2008:72.

[11]郦能敬,王被德,沈齐,等.对空情报雷达总体论证:理论与实践[M].北京:国防工业出版社,2008:53.

[12]郭福成.基于运动学原理的单站无源定位与跟踪关键技术研究[D].长沙:国防科学技术大学,2002:1-48.

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