工艺技术_发展中的无源定位技术

中国电子学会电子对抗分会第十二届学术年会论文集 发展中的无源定位技术 孙龙祥 信息产业部电子第五十一研究所上海) 摘要无源定位技术是电 子战领域中 一个重要组成部分。今天， 在反隐身、 反预警和 反反辐射导弹方面约作用日 益突出。本文介绍了 利用外辐射信号和利用目 标自 身辐射信号 对目 标进行无源定位的两种定位技术的最新发展。 笑健词电子战目标无源定位 1 前言 近年来所发生的历次高科技局部战争再次证明， 辐射源无源定位系统是现代一体化 防空系统、 机载对地、 对海攻击以 及对隐身目 标的远程预警系统的重要组成部分。 对辐射 源的定位信息， 可以直接用于对敌武器平台的精确打击， 引导反辐射武器攻击以及建立战 场电子战斗序列( E O B ) 等。 科 技的 进 步 和 实 战 需 要 推 动 了 无 源 定 位 技 术的 发 展， 无 论 是 利 用 外 辐 射 信 号 对目 标 的定位， 还是利用目 标自 身辐射信号对目 标的 定位技术， 都有长足的发展和创新。 其中 借 助外辐射信号， 诸如电 视( T V ) 信号和调频( FM) 广播信号， 对目 标反射信号进行相关处理， 定出目标位置的无源探铡跟踪系统崭露头角。 利用目 标自 身辐射信号的 无源定位系统也不断采用新的技术。近年来， 除了传统的 测向定位， T D O A定位和差分多普勒定位技术外， 还涌现出单站快速定位新技术， 诸如， 无 源测距、 相位变化率技术以 及利用“ 平面外” 多路径反射信号的定位技术。 本文将上述两方面的技术发展作一概要介绍。 2 利用外辐射信号的无源定位技术 所谓利用外辐射源信号的无源定位， 是指无源定位系统不是利用目标自身辐射源的 辐射信号进行定位， 而是接收目 标外的 辐射信号进行定位。 这类外辐射信号一般是在空 中已 存在的广播T V ， 通信和F T V I 无线电 广播信号。目 前， 国际上研究较多的是利用商业 广播T V 信号和FM 电台信号来进行无源定位。系统通过接收这些直射信号和目 标反射 信号， 测量它们的T D O A , A O A和多普勒频移， 经高速处理机处理和运算， 实现目 标的探测 和定位。 这种定位系统的主要特点是: 首先， 由 于其类似于收发分置的双基或多基雷达系统， 而且又工作在隐身目 标的电波吸收材料对其作用较小的FM 广播和T V 信号的甚高频和 _- . . . . . . . . . . . . . . . .-一一一 中国电子学会电子对抗分会第十二届学术年会论文集 超高频段， 能有效地对付隐身目 标; 其二， 由于系统本身不发射电 磁能量， 所以 有很好的隐 蔽性， 能有效地抗反辐射导弹和具有很强的生命力; 其三， 由于利用商业的T V 台或F M无 线电台 发射的信号， 系统无需配置昂贵的 发射设备， 系统成本较低。 多年来， 这种无源定位系统的独特优点引起了各国对此种无源定位技术的普遍重视 和深人研究。目前， 西方美、 英、 法、 德和澳等各国都在开展这方面的研究， 其中尤为突出 的代表系统是美国洛克希德 马丁公司经过 1 5 年潜心研究的利用商业T V 信号和F M广 播信号进行探测和定位的“ 沉默的哨兵” 系 统、 以 及英国防御研究局( D E R A ) 正在研究的利 用T V 信号的无源探测定位系统。 2 . 1 “ 沉 默的哨 兵1， 系 统1 ， 一 5 这是美国洛克希德 马丁公司历经 1 5 年秘密研究的产物。它是利用商业 F M广播信 号和T V 信号对空中目 标进行探测和定位， 其自 身不发射电磁能量。所以消除了常规低 频雷达在探测隐身飞机和巡航导弹时来自T V 广播, F M无线电台和蜂窝电 话发射台的干 扰。并且系统类似于收发分置的雷达系统， 能够接收折射到隐身飞机侧面或上部的信号 回波。因此系统具有抗反辐射导弹、 反隐身和生存能力强的特点。 系统主要由大动态数字接收机、 接收天线阵、 高性能商用计算机( 达到每秒数千兆浮 点运算次数的并行处理速度) 、 三维战术显示器和包括信号源数据库在内的软件组成。 系统的核心技术是无源相干定位( P C L ) 技术， 它利用商业F M无线电台和T V 台( 5 0 8 O O M H z ) 的连续载波， 以 及载波信号的包络。并且以 这种稳态载波信号的 包络， 测量直射 和反射信号间的T D O A 的可区分特性， 探测、 跟踪和定位目 标。系统成功的关键是高速信 号处理能力和采用新的算法。在此算法处理过程中， 利用信号的A O A ， 时间延迟和多普 勒频移信息来对目 标进行定位， 并利用运动目 标反射信号的多普勒频移计算速度矢量， 分 选出和去除静止目 标。 所以 公司甚至把“ 沉默的哨兵” 系统比喻为一部“ 利用C 十二 和U - m x 的奇特雷达几 系统的有效作用距离达2201m， 仰角彼盖5 0 0 ， 方位夜盖6 0 0 - 3 6 0 0 ， 对空中目 标的 定位 精度与采用多少个T V 信号或F M广播信号有关。实验证明， 采用了三个以上的T V 信号 和F M广播信号， 对空中目 标的定位精度可达米量级。目 前“ 沉默的哨兵” 系统已进行了 一系列试验， 其中包括参加“ 全军战斗识别评估小组伙A S C I E T ) 进行的演习， 以及最近一 次对“ 发现号” 航天飞机升空和着陆的监视。据称其定位精度和铡速精度与C 波段跟踪 雷达相当。 系统有多种结构形式， 可安装在建筑物和固定结构上， 或者安装在移动的卡车上。目 前该系统仍在研制和试验中。图1 为利用多个无源目 标照射器跟踪飞机和火箭的“ 沉默 的哨 兵” 系统。 2 . 2 英国防御 研究 局 D E R A ) 的 无源 跟 踪探测 定位系 统16 1 英国D E R A 正在开展研究的无源探测定位系统也是一种双基系统， 它利用英国B B C 的，T V 发射机发射的T V 信号进行对空中目 标的探测和定位。 该系 统采用了与美国“ 沉默的哨兵” 系 统完全不同的探测定位技术， 即其采用快速傅 里叶变换( F F I ) 加卡尔曼滤波器和扩展卡尔曼滤波器技术。 T V 信号由 接收系统的两个接 收信道接收， 经低噪声V H F / U H F 下变频单元和H F 数字接收机下变频至基带， 利用F F T 门汪IJJJI切11.活书1.，班片厂头城洲曰似月月摊功J咭滩魂法滩油通11下J名JI且奋么互，乡t 卜r子，r暇吼犷鬓冬.于者1石叮在弃录份下，犷健*，卜刃霎、r否 ，魂，.J，是含通叹老1r.r，J 否万份小1犯，通蕊.，.f欲r.嗯.;毛 孙龙祥 发展中的无源定位技术 图 1 二 沉献的哨兵11 系统 对基带信号进行处理， 得出多普勒频移和方位信息， 然后用单元平均恒虚警率( C A - C F A R ) 检测电路， 识别目 标回 波， 抑制噪声和不要的载波谐波分量， 再由 卡尔曼滤波器进行处理， 获得同一目 标的多普勒频移和到达方向( D O A ) ， 并对这些信息进行采样， 用传统的 算法和 勒 弗恩布 尔格一 马尔夸德( L e v e n b u r g M a r q u a r d t ) 算法建立目 标笛卡尔坐标和获得速度信 息。最后， 利用扩展卡尔曼滤波器保持对目 标的跟踪。 所以， 这个系统的 探侧和定位有两 个独立的过程， 首先以常规方法用卡尔曼滤波器获得多普勒频移和方位信息， 再用扩展卡 尔曼滤波器根据这些信息对目 标定位和测速。 系统主 要由 一对8 单元、 a g i- U d a 天 线、 下变频单元和V X 工 数字H F 接收 机等硬 件组 成。系统在 1 9 9 7 年2 月进行了三次试验， 当时其天线置1 8 。高的移动塔上， 系统距T V 发 射台1 0 0 余千米， 能探侧2 6 0 k m远的目 标。目 前该系统仍在研究中。 3 利用目 标自身辐射信号的无源定位技术 前面我们介绍了利用外辐射信号对目 标进行无源定位技术的发展。但这类无源探测 系统目 前尚处在原理性验证阶段， 除个别系统外， 绝大多数离军事实战要求有相当距离。 目 前， 国外现有的 无源定位系统主要利用目 标自 身辐射信号来对目 标定位。这类系 统采用了 多种技术体制。 3 . 几侧向 定位 技术 利用测向原理的三角定位技术是经典而成熟的技术。 三角定位的 关键是如何快速而 精确地获得被测信号的A O A 数据。 迄今已 有多种获得A O A 数据的方法， 视具体应用， 权 衡总体利弊， 选择最佳方案， 如窄波束高增益旋转天线一般适用于地面系统或大型电子侦 察系统; 多信道比幅一般适用于R W R ; 相位干涉仪的 优点是测向精度高， 为提高测向精度 消除宽空域上的测量模糊， 可采用多基线和多维相位干涉仪。目 前美国li tt o o 公司的相 位干涉 仪 水平居世界领先 ， 。由 于M M I C 技术的 发展， 机载相位干涉 仪的体积和重量越 来 越小， 例如南 非和以色列等国的2 一 1 8 G H z 的 机载相位干涉仪阵列已能做到2 0 k g 量 级 s 泪溉川暇叭川剐川翔泪侧卿川赶滚小丰浏粼划俐藻土书小1牛洛猎洛曝准通1洛滚丰很冷洛1洛冷霜谬渗连灌令示飞堪汪绪 中国电子学会电子对抗分会第十二届学术年会论文集 3 . 2 时 差( T D O A ) 无源定位 技术， 近年来利用信号到达时间差， 形成双曲面相交原理的 无源定位技术已得到广泛应用。 这种系统一般采用了 三个接收站， 形成多基线时差信号， 然后进行“ 脉冲配x f I 和时差定位 估算。 对于3 - D 定位要求来说， 一般采用四 个接收站， 形成的三个双曲面相交点就是辐射 源位置。 采用T D O A 时差原理的定位系 统较多， 典型装备有捷克的“ 塔玛拉” 改进型“ 薇拉 ( V E R A ) ， 系 统 叭俄罗 斯的、 lE G A 8 5 V 6 - A 三 坐 标无源 定 位系 统 f il l ; 美国 的A N / T R Q - 1 0 9 移动 式无源定位系统; 乌克兰的 “ 恺甲 ” 空 情监视系 统等【 12 1 。 这类系 统最适用于空情监视 和用作航管( A T C ) 系统的备份设备。 3 . 3 差分多普勒定位技术 如果目 标和接收 站处于相对运动状态， 还可以 采用差分多普勒( D . D o p p ll e r ) 定位技 术。国外较多的定位系统采用1 D O A / 差分多普勒， 或T D O A / 测向等复合定位体制， 使技 术优势互补， 实现最佳的 定位技术组合。 3 . 4 单站快速定位技术 近年来发展最快的是单站快速定位技术， 其优点是只需要单个传感器和平台， 设备量 小， 适合于机载应用。 单站传感器定位技术一般依赖于一种“ 虚拟传感器( V i rt u a l S e n s o r ) ” 形成定位估算值。 虚拟传感器是由 于多路传输的 存在而形成， 或靠传感器的运动而形成。虚拟传感器形成 后， 并确定其自 身位置情况下就可以用诸如三角定位方法对辐射源定位。 这种方法实际 上还是经典的测向 三角定位方法。为实现单站快速高精度定位， 近年又出现了一些新概 念定位技术。 ( 1 ) 无源测距定位技术 13 1 美国马丁联合系统公司和艾那伦微波公司合作研制了一种以数字式射频存储器 ( D R F M ) 为核心技术的无源测距系统( P R S S ) 。 据称该系统在美空军国民替卫队的F 一 1 6 战斗机上试飞结果表明， 在1 7 一 4 8 。 内。 定位圆周误差概率优于1 %- R 。 尽管系统离具备 实战功能还得有三至五年时间， 但目 前已将P R S S 做成一块试验性板子形式放在侦察吊 舱内， 或邻接在现存的R W R 上。 模块的插人使原有的R W R 具有快速定位功能， 并比 传 统的D F 接收机定位性能提升一个数量级， 是一种理想的 机载单站定位设备。 ( 2 ) 相 位变化率 技术 14 1 休斯公司的相位变化率( P R C ) 技术， 据称是对三角定位的一种很大改进。系统采用 了二个天线阵列， 产生一个与相位变化率对应的信号， 由此测出辐射信号波前A O A 。据 称系统能在五秒钟内 算出地面辐射源位置。系统是根据A O A 信息和距离信息实行定位 的。其中 测A O A 用的是3 . 5 英寸天线， 测相位变化率用的是2 . 5 英尺天线。 ( 3 ) “ 平面 外( o u t - o f - p la n e ) ” 多 路径 反 射 信 号无 源 定 位 技 术 15 1 美国 林肯实验室( 1 0 4 6 技术报告 称， 作为美国国防高级研究局/ 海军“ 山顶” 计划的 一部分， 按美国空军F 1 9 6 2 8 - 9 5 - 0 0 0 2 合同要求， 在白抄导弹试验靶场演示了 一种采用“ 平 面外” 多路径反射信号参数来估算出 运动辐射源位置的样机实验结果。其原理是， 通过对 来自 运动辐射源的直射信号和由 地形反射的延迟和多普勒调制后的信号之间相关处理， 枯算出运动辐射源的 距离、 航向、 运动速度和高度。先由 多路径波束测得地形散射波特性 .弓.，.，.二，愁斌t胶份tt获冻裂犷卜卜歌劲心助月绪雍路叮决注沐侣ljJJ讨组Jjjl班J.为尽 孙龙祥: 发展中的无源定位技术 参数， 然后用此参数再估算出参考波束接收到的 直射信号的特性参数( 见图2 ) 0 白沙靶场演示的无源定位样机， 采用超高频机载R E S I E R 雷达作为运动辐射源， 并在 机鼻和机尾处装有偶极子天线， 具有很宽的辐照波束。无源接收机装在山顶的铁塔上， 定 位时接收天线旋转9 0 0 ， 至水平极化模式。 天线具有1 4 个数字式波束形成通道， 其峰值增 益为2 9 d B i ， 当每个通道的数据被记录时， 就可以在任何方向上形成接收波束。机载辐射 源与接收天线相距1 0 1 . 7 k m ， 直射信号信噪比( S N R ) 大于7 0 d B ， 选择了沙漠地、 人工构件 和山 地混合地形作为多 路径散射信号的背景地形。 二 ( 。 ) 沪，】沪 辐射， J ( . ) 圈2 泣波.结构的单个多 路径波束估肺口 演示表明， 采用均等地形散射波特性和不均等散射波特性两种假设， 就会导致采用不 同的辐射源参数最大似然估算器。选择不均等地形散射特性假设而设计的定位估算器要 优于采用均等地形散射特性假设而设计的 估算器。 这种估算器有二个部分。 首先估算出 几个分立的散射体的散射参数( 散射体的 方位、 差分延迟、 多普勒频移) ， 然后用散射特性估算值来估算出运动辐射源参数( 距离、 航向、 速 度和高度) 。参见图3 0 口.阮卜匕偏 长布粗命缺宕扮朋 今专吐京 女 澳: 字路径彼束I 多路径彼束公 相关粉 J iR 相关粉 廷迟 圈3 散射体摘号参数( 延迟、 多普勒、 方位和伯嗓比 估算廿 中国电 子学会电子对抗分会第十 二届学术年会论文集 4 结束语 利用目 标自 身辐射信号或利用外辐射信号的运动目 标无源定位， 是现代一体化防空、 机载对地、 对海攻击系统以及远程监视预警系统必须具备的功能。迄今为止， 绝大多数适 应实战要求的 装备， 主要利用目 标自 身辐射信号的定位技术。利用外辐射信号对运动目 标进行探侧、 跟踪的 技术目前尚处在原理验证阶段， 但很有发展潜力， 我们也应不断跟踪 国外在此领域的发展动向。 参考文献 1 D a v id A . F u lg l a u n . P a s s iv e S y s te m H i n ts a t S te a lth S e te c tiu n . A W & S C , 1 9 9 8 , 1 4 9 ( 2 2 ) : 7 0 2 B r u c e d . N o rd w a B . S ile n t S e n try A N e w T y p e d R a d a r . A W & S T , 1 9 9 8 , 1 4 9 , ( 2 2 ) : 7 0 一 7 1 3 H . G e rs h a n o $ . T e a n w m tt e r l e as R a d a r in T e s ti n g . J E D , 1 9 9 8 , 1 1 1 2 6 一 2 7 4 D . H e n k c v i z . S il e n t S e n t ry E v o k i n g W i d e s p r e a d I n te re s t . J E D , 2 0 0 0 , 2 3 ( 9 ) : 3 6 一 3 7 5 无源相干定位雷达新概念研究. 五十一所内 部资料 6 P . E . H o w la n d . T a r ge t T r a c k i n g U s in g T e le v i s io n - B a s e d B i s ta ti c R a d a r . 五十一所， 雷达无源定位技术文集， 2 0 0 0 , ( 9 ) : 2 8 9 - 2 9 7 7 U Iro n A 山 司S y s te m . 加p : H W W W， a m a c o m . c o m . 8 T R E F S，o u t o n th e P ro w l f o r E W T a r g e ts . W W W . j a m ra . c o m . 9 E W 1 0 1 . F in d th a t S i g n a l . J E D , 1 9 9 8 ( 1 ) S n p p le m e n t : 1 4 一 1 5 1 0 V l a di m ir K u b p o e k P h o . T h e C z e c h P a s si v e S u rv e i