（通信与信息系统专业论文）对复杂辐射源信号的侦察处理技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出 雷达在高速发展的微电子技术的支持下，已取得巨大的进展。新体制雷达 不断涌现，常规雷达的抗干扰性能不断提高，雷达使用的频率范围不断扩展， 雷达的调制特征更加复杂，雷达起作用的有效距离越来越远。所有这些，都对 电子侦察技术提出了有力的挑战。 电子情报侦察系统( e l i n t ) 的接收机接收到的是受到大气传播效应影响 下的复杂雷达辐射源信号。信号处理就是针对这些各种干扰和噪声影响下的信 号，快速精确地检测、测量、提取和详细地分析这些辐射源信号的特征参数， 并收集、记录原始雷达信号，留待后续分析处理。 信号的频率 幅度4 及相位所受到的调制，再加上信号特定的极化和到 达角d 0 ，构成了通常意义下的辐射源信号特征。这些信号特征参数组合在一 起，称为脉冲描述字( p d 形) ，为电子侦察系统后续信 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 当前雷达信号的基本特征参数主要有5 个：射频( 兄p ) 、到达时间( 死m ) 、 到达方向或到达角( d o h ) 、脉冲宽度( j p 矿) 和脉冲幅度( 爿) 等。现代雷达除 广泛采用复杂的频域、时域、空域、调制域和极化域调制外，其使用的频率范 围不断扩展。面对这样曰益密集、复杂的雷达信号环境，目前的电子对抗系统 只靠这5 个基本参数来分选、识别和定位雷达信号，已越来越不能适应日益严 峻的电子战环境。新一代电子对抗系统除继续利用这5 个常规参数外，必须具 有提取和分析雷达信号细微特征的能力，具有从强噪声背景下提取弱信号的能 力。 目前，各国的国防军事部门都将作战环境列为武器系统研究的重要内容。 随着各种新体制雷达的出现和电磁信号环境的日益复杂多变，对电子侦察设备 的信号处理能力提出了更高的要求。研究空间环境中辐射源信号的定位技术， 研究大气传播效应作用下辐射源信号的处理技术，研究复杂辐射源信号细微特 征参数提取技术，研究强噪声背景下复杂辐射源信号的侦察处理技术，对提高 电子侦察信号处理能力，继续拓展电子侦察领域的研究内容和推动国防工作有 重要的意义和价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 无源定位技术 辐射源无源定位技术是电子对抗的一项重要技术，由于它的使用价值，人 们对它越来越关注1 ，4 9 5 4 】。到目前为止，工程上能够较好地采用的包括测向 交叉定位、长基线和短基线的时差交叉定位。大部分定位设备都需要采用多个 侦察站，它们之间的相互通信使系统的无源特性受到严重的冲击，于是，人们 特别关注单个侦察站的无源定位技术。机载设备具有本身相对快速运动的特点， 只要目标所发射的信号能够持续一段时问，不是仅仅在瞬间存在的，就有可能 把同一个设备在不同时间的侦察结果相关起来，构造虚拟的多站状态，用物理 的单个侦察站实现体制上的多站无源定位。对于应用者而言，这是单站定位， 无疑受到人们的欢迎。机载单站定位系统具有机动性好，作用距离远和覆盖空 域广等车载和舰载定位系统无法比拟的优点，国外目前把机载定位系统作为发 展的重点。 由于不同时间接收的信号相互之间没有基准，在工程中不能采用时差交叉 定位，但是可以比较不同时间所接收到的信号的频率。因此，机载无源定位一 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 般说来有基于测向交叉定位的和基于利用信号多普勒频率的两大类。在能够满 足定位误差要求的前提下，人们很快发现，通过测频率差来定位与通过测信号 到达角来定位相比，所需要的频率差的精度是相对较高的，工程实现的难度较 大。于是，工程实用自然地倾向于使用测向交叉定位。然而我们知道在地平面 或海平面上借助无源测向交叉定位简便易行，但对于三维立体空间，目前测向 交叉定位一般只能确定辐射源所在的一条直线，而不能精确定点。辐射源所在 位黄的地面起伏状况限制着无源测向交叉定位的定位精度和适用性。 1 2 2 辐射源信号大气传播效应 大气传播效应对辐射源信号传播的影响，在雷达、g p s 、卫星通信等领域的 信号处理方面有很成熟的理论研究和应用【6 - 8 0 8 。4 ，5 6 彤】。但由于辐射源信号的电 子侦察处理是一门新的技术，这领域的研究和应用一般局限于地球等效半径 法的应用【l 】，很少有更为广泛的研究。 最先研究大气对电磁波的影响是从研究无线电波在地表层和星际空间中的 自由传播开始的。无线电波的自由传播应用于各种通信方式、无线电控制、导 航、测距和定位领域。无线电波在不同媒质间反射和折射都遵循电磁场基本理 论。在研究地面无线电波传播特性时先把传播条件理想化，再考虑它的复杂性， 在研究空间的传播特性时，先考虑对流层电波的传播，早在1 9 2 5 年国际航空委 员会就提出了“国际标准大气层”的概念，并给出了对流层温度廓线，又在此 基础上建立了电离层电波传播的规律。 经过半个世纪的研究发展，到了2 0 世纪7 0 年代，对于包含几何与电特性 不均匀性的球形地面复杂路径的地波传播，利用现代计算机技术，可根据拥有 的路径地形和电特性剖面数据，进行比较精确的数值求解。当2 0 世纪2 0 年代 证实了电离层的存在后，短波电离层传播的通信应用得到了蓬勃发展。虽然在 2 0 世纪7 0 年代曾由于卫星通信的发展而使短波的发展一度陷入低谷，但因其 廉价、机动及抗破坏等方面的相对优越性，短波通信( 特别是对军事通信) 仍 占据着无法取代的位置。在二战期间，由于军事需要和超高频技术的发展，超 短波、微波在雷达应用中的传播研究逐步发展起来。半个多世纪以来，针对军、 民用电子系统的需求，电波传播的研究和应用，一直向频谱的高低两端发展。 目前，微波、毫米波在卫星通信、导航与军用雷达及遥感等方面的应用，极低 频电波对潜指挥通信以及蓝绿光海下通信等，都是电磁波传播信道的前沿课题。 虽然卫星通信、导航信道的覆盖空域和通信容量大及定位精度高，但从国防军 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 事需要考虑，许多地基信道仍有重要的价值。 1 2 3 雷达信号细微特征提取技术 雷达信号细微特征提取是八十年代发展起来的一种先进技术。一般地，它 可以极高的速度对信号进行采样，然后，“放慢”信号采样，以较低的速度加 到数字信号处理设备以便分析。随着高速数字信号处理器的迅猛发展，信号处 理的速度在迅速提高。通过数字信号处理，可以观察到信号所包含的频率调制、 相位调制及其他信号特征。国外从八十年代初开始这项研究。加拿大t e l e m u s 公司的d s r l o o ( v 2 ) 电子情报接收机，采用了l g h z 采样的8 位a d 变换器和冗 余的鉴频器确定被观察信号所包含的频率、相位、幅度调制及其参数。在不远 的将来，细微特征提取技术将不仅成为新一代e l i n t 接收机的重要功能，甚至 可能作为一个重要部件构成下一代的威胁告警系统。 电子情报侦察分析设备研制的发展要求，使得对雷达信号脉内分析的研究 迫在眉睫。以前由于无法对脉内调制形式进行详细分析，对脉压信号等新体制 雷达信号的分选与识别一直是一个很难解决的问题。为此寻求能提取雷达信号 的细微特征，并进行更详细分析和识别的方法，为该技术在情报分析设备中的 应用打下基础。 对于雷达信号细微特征的定义和提取方法，在国外属于高度军事机密而极 少在公开文献中出现。国外目前重点研究的是不同调制类型信号的识别方法， 特别是相位编码信号的识别方法【6 0 埘】。此外，快速准确的信号瞬时频率估计也 是国外研究的一个方面【6 2 射】。国内目前对信号细微特征分析的研究比较多，相 关的文献也很多，研究涉及到了信号脉内细微特征的概念、提取方法、基于脉 内细微特征的信号分选方法等【”卅。文献 4 6 4 8 讨论了强噪声背景下弱信号的 检测和特征参数提取问题。不过对于雷达信号细微特征的定义和提取方法，到 目前为止国内外并没有统一的理论。 辐射源信号的细微特征分析归根到底是存在于信号的幅度、频率、相位等 参数中，大体包括以下几个方面： ( 1 ) 时域特征，主要体现在信号瞬时包络上，包括脉冲边沿、顶部和整个 脉冲形状的变化规律。 ( 2 ) 频域特征，主要体现在信号频谱波形和瞬时频率上 ( 3 ) 变化域特征，主要体现在将信号通过一些变换，如时频分布、小波变 换等，在其它与表现出来的特征。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 另外，辐射源信号还存在脉间的参数变化，如信号重复频率变化等，同样 也能表征辐射源本身特点，可以称其为脉间细微特征。 目前接收系统以宽带全数字接收和i q 双通道处理的结构为主，特征提取方 法有中频相干检波、w i 目e r 分布、谱相关方法、倒谱分析技术和数字延迟技术 等 由于细微特征与实际分析的电磁信号种类、发生原理等因素直接相关。同 时特征量的定义和提取往往根据实际情况而定，针对性和保密性很强，所以关 于特征的定义，一般文献中较少提及，对细微特征的分析方法的论述也主要集 中在一些较原始的信号基本参量的高精度测量，这是深入研究和定义细微特征 的前提条件。实现信号基本参量的高精度测量，一方面在特征提取算法上要求 达到高精度【4 2 却1 ，另一方面针对实际的数据测量，对接收系统的设计和硬件性 能提出了很高的要求。 1 3 本文研究的主要内容 本文首先基于地球椭球参考模型空间目标定位坐标系的建立，提出通过在 飞机上测量地面耳标方向角和斜距这二维坐标信息，而不需要测量方位角和俯 仰角信息对辐射源目标进行定位的坐标转换方法，研究各测量数据和地面环境 对定位的影响。其次研究大气传播效应对测量数据的影响，不再局限于等效地 球半径法在电子侦察辐射源定位中的折射修正应用，而研究更高数据测量精度 要求下的辐射源定位系统的折射误差、各种地面辐射源信号的无线电视距和电 波到达角随折射状况的变化，并考虑了大气波导传播时信号的传播特征。最后 研究现有复杂辐射源信号的特征，重点分析了辐射源细微特征提取的现有方法， 研究信号的检测和特征参数提取技术，建立了复杂辐射源信号侦察处理技术系 统模型。 在内容的组织上，本文作了以下安排： 第1 章绪论介绍了本研究课题的学术背景及理论与实际意义；本研究课题 国内外研究现状；本研究课题的主要研究内容和机构组织。 第2 章首先建立地球椭球空间关系参考模型，然后提出通过在飞机上测量 地面目标方向角和斜距这二维坐标信息，而不需要测量方位角和俯仰角信息对 辐射源目标进行定位的坐标转换方法，最后研究各测量数据和地面环境对定位 误差的影响。 第3 章首先建立大气折射模型，其次根据已建模型研究大气折射效应，研 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 究大气常规折射条件下的测量数据误差修正，最后研究大气反常折射波导 传播的一些基本特征。 第4 章首先介绍现有复杂辐射源信号的特征，然后重点分析了辐射源细微 特征提取的现有方法，最后建立了强噪声背景下复杂辐射源信号侦察处理技术 系统模型。 结论部分总结了本研究课题的主要内容，本研究课题的理论和实际意义， 指出今后进一步在本研究方向进行研究工作的展望与设想。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章机载单站无源定位技术研究 随着全球定位系统( g p s ) 技术、地理信息系统( g i s ) 技术和计算机技术 的发展，不能只满足于侦察系统探测到的目标在测量坐标系下的信息，而是希 望经过一定的坐标变换将此信息转换到指定的w g s 8 4 坐标系或北京5 4 坐标 系，将目标定位在需要的电子地图上从而可以获得目标环境信息，为决策者 提供目标更丰富的地理信息。在文献 2 2 ，2 3 】中研究了雷达目标在电子地图上 定位的方法。 从几何角度看，通过探测目标定位参数，至少应该形成三个或三个以上的 定位面，才有可能对目标实现三维空问定位pj 。在一般雷达中，利用天线波束 的方向性可以测得目标的方位角及俯仰角，而利用脉冲测距的方法可测得目标 的斜距而实现目标定位1 2 5 l 。在文献 5 5 中，提出了一种利用机载g p s 数据和雷 达测量的高度数据建立数字地图等商线模型的方法，其高度数据是地面目标点 与传感器间的距离，此距离直线是垂直于传感器的。 与有源定位相比，无源定位系统所能获取的信息量相对较少。国内外现有 的单站无源定位技术，一般需要对目标数据多次测量，利用机载系统位置状态 信息，来获得目标的斜距、方位和俯仰信息 1 ”“】。在机载单站无源定位系统 中，可以利用雷达侦察设备的垂直下视锐波束天线，对地面雷达进行探测和定 位【1 】。此方法与文献 5 5 】所用方法实质上利用了目标的佣仰角( 9 0 。) 信息，并 且必须飞越目标进行测量。 地球表面上任意一点的纬度口、经度上和高度日等坐标信息可以通过地理 信息系统( g i s ) 得知，由目标纬度和经度数据可以确定目标的高度数据，曰、 工和日是相关联的。根据此关联关系和实际工程应用，本章提出一种普遍适用 于机载系统定位的坐标转换方法，利用目标视线( 目标与飞机连线) 与机体轴 所夹方向角和斜距这二维坐标信息，而不是利用通常的目标斜距、方位角和俯 仰角信息对地面目标进行空间定位，精确解算目标大地坐标数据，研究各测量 数据对定位误差的影响。并且在此基础上研究了机载无源定位方法对于实际立 体地面环境的适用情况。 2 1 空间关系参考模型 辐射源目标定位涉及到大量的空间位置关系计算，这些计算都是在一定的 辐射源目标定位涉及到大量的空间位置关系计算，这些计算都是在一定的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 参考坐标系中进行的，而这些坐标系都是以地球为惯性参考系的。地球模型是 保持空间一致性的基础。下面将在介绍地球参考模型的基础上，介绍本文使用 到的一些坐标系，建立定位坐标转换模型。地球椭球坐标系参考模型和定位坐 标转换模型分别如图2 1 和图2 2 所示。这些坐标系都是右手坐标系。 弋d m 获一 彭1 图2 1 地球椭球坐标系参考模型 地球可以近似看作一个椭球，公式为 2 啊埘= - 协， 式中墨y ，卜地球表面上的一点； 口地球长半轴长度( m ) ，在w g s 8 4 中，口= 6 3 7 8 1 3 7 0 m ： 扫一地球短半轴长度( m ) ，在w g s 8 4 中，6 = 6 3 5 6 7 5 2 3 1 4 2 m 。 于是有 氐：口扛丽，e ：扛了万，一：矗丽i ，厂：型 ( 2 2 ) 式中r 。地球表面某点的卵酉圈曲率半径( m ) ； p 一地球第一偏心率常数； e 地球第一偏心率常数； 厂_ 椭球的扁率。 2 1 1 坐标系定义 2 1 1 1 大地坐标系 大地坐标系中空间一点p 的大地坐标用大地纬度丑，大地经度三和大地高 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 度日表示。其中p 点的大地子午面和起始大地子午面所构成的二面角工是p 点 的大地经度，从起始大地子午面算起，向东为正，向西为负：p 点的法线和赤 道面的夹角曰是| p 点的大地纬度，从赤道面算起，向北为正，向南为负：p 点 沿法线到地球球面的距离是大地高，从地球球面算起，向外为正，向内为负。 如图2 一l 所示。 2 1 1 2 空间大地直角坐标系 空间大地直角坐标系。田眩以地球质心为原点，轴z o 与地球的旋转轴一致， 轴五位于起始大地子午面和赤道面的交线上，在赤道面上与轴咒正交的方向 为y o 轴。空间一点的空间大地直角坐标用墨y ，z 表示。如图2 1 所示。 图2 2 定位坐标转换模型 2 1 1 3 载机地理坐标系 载机地理坐标系的建立如图2 1 ，图2 2 所示。设原点仉( p 点) 在载机质 心，并且与测量设备接收天线的回转中心重合，玢轴和国点的法线重合，指向 地球外：畅轴是原点仍的大地子午面与包含原点仉且和法线垂直的平面的交 线，指向正北方；乙轴与，场轴构成右手坐标系。 2 1 1 4 机体坐标系 如图2 2 所示。机体坐标系d ；船z 固连于飞行器，原点在飞行器质心：纵 轴石平行于机身轴线或平行于机翼平均气动弦，指向前方：竖轴k 在飞行器对 称平面内，垂直于轴，指向上方；横轴z l 垂直于飞行器对称平面，指向右方。 此坐标系的方位代表了飞行器在空间的姿态。 2 1 2 坐标转换 坐标转换可以通过坐标系之间平移和旋转来实现f 32 2 2 6 】。 坐标平移是保持两个坐标系的轴一致，把原坐标系得原点移到新坐标系的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 耋 = 茎 + f 耋 ，耋 = f 耋 一雾 c2 - 。， 以乙】2 = 彰【以艺z d 】1 ( 2 4 ) 巩g ，= 瞻塞造 ，删，= 医；三 ，躺，= ：予警翔 群= ( 彤) 7 ，彰= ( 彰) 7 ( 2 7 ) r = ( 只+ 曰。) c o s b c o s 三 y = ( r + 爿) c o s 曰s i n 三 z = 【氐( 1 一p 2 ) + 日】s i n 曰 空间大地直角坐标系到大地坐标系的变换一般采用迭代法 ( 2 9 ) 其计算步骤为 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 上= a r c t a i l 【y 爿) 口= a r c t 8 n ( z z 2 + y 2 ( 1 8 2 尺( r + h ) ) _ 1 ) ( 2 1 0 ) 日= x 2 + y 2 c o s 口一r 迭代开始，首先设 0 = 口 爿_ = z 2 + y 2 + z 2 一口6 ( 2 1 1 ) 鼠= a r c t a n 【z x 2 + 】，2 ( 1 一e 2 o ( o + 风) ) 1 随后，每次迭代按下述公式进行 = 口1 一e 2s i n 2 骂一1 只= z 2 + 】，2 c o s 骂一l 一f ( 2 1 2 ) 羼= a r c t a i l 【z j 2 + 】，2 ( 1 一e 2 f ( m + e ) ) - 1 对于保证日的计算精度为o 0 0 1 m 和曰的计算精度为0 0 0 0 0 1 s 的情况下，只需 要使用四次迭代求口，h 。 对于实际应用中精度的要求，一般可以采用如下空间直角坐标和大地坐标 非迭代高精度转换公式2 6 1 ，提高计算速度： 三= a r c t a n ( y 。y ) ( 2 - 1 3 ) t a n “：丝f 1 + 一2 皇1 甜擘 ( 2 1 4 ) t 趾b ：! 堕 “ ，一8 口c o s “ 月= ，c o s b + zs i i l 曰一l e 2s i n 2 曰 ( 2 1 5 ) 其中r 2 = x 2 + y 2 ，r 2 = ，2 + z 2 。按上面列出的转换公式计算工，功，不需要 作迭代即可满足各方面的使用要求。按( 2 1 4 ) 式计算大地纬度的精度高于1 0 一 角秒( 1 7 1 0 9 度) ；按( 2 1 5 ) 式计算大地高，当大地纬度精度高于1 角秒( 0 0 1 7 度) 时，大地高的计算精度不低于1 0 五c m ，当大地纬度精度高于0 0 1 角秒( o 0 0 0 1 7 度) 时，大地高的计算精度不低于1 0 6 c m 。 2 1 2 2 载机地理坐标系到空间大地直角坐标系的坐标转换 设法线测量坐标系的原点坐标为( 占凸如嘞) ，则法线测量坐标系到空间大 地直角坐标系的变换矩阵为 磁= 吃( 9 0 。_ 厶) 巩( 一鼠) 研( 9 0 。) ( 2 1 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 1 2 3 载机地理坐标系到机体坐标系的坐标转换 如图2 2 所示，飞行器在空间的三个姿态角为： 偏航角缈：机体轴在水平面拖乙上的投影线与轴局之间的角度。如果 轴疋向左方偏离平面局玢，则为正。 俯仰角j ：机体轴疋与水平面乙之间的角度。当轴疋向上方倾斜时，1 9 为正。 滚转角( 倾斜角) y ：飞行器对称平面x k 与包含轴的铅垂平面之间的 角度。当乙向下方倾斜，即当右翼下倾、左翼上倾时，y 为正。 载机地理坐标系到机体坐标系的变换矩阵为 曰；= 口肖( y ) 口z ( 口) b r ( y ) ( 2 - 1 7 ) 2 2 机载定位模型建立 如图2 2 定位坐标转换模型所示，在飞机上也即机体坐标系中，可以测得 目标点p e 和飞机p 连线与机体轴所夹方向角叩( 玎【o ，万 ) ，以及目标与飞机 之间的斜距r 这二个坐标信息。由这两个数据只能求得目标位置在以给定数据 限定的锥体底面圆周上，即 t = r ：0 8 7 、2 ( 2 1 8 ) ，、u ， m + z ，2 p s m w 由于目标位于地面上。目标大地坐标丑，l ，日是相关联的，根据纬度曰，经度 上可以确定高度日。在大地坐标系中，目标点的位置是待求的，但测量站点的 坐标信息是已测知的，在角度卵和斜距r 已经测量的条件下，可以根据地理信 息估计目标经纬度信息，从而得到高度信息估计值魁。如果这一高度信息的估 计误差在实际空间定位问题中对确定目标经纬度值时所产生的定位误差可以忽 略，则可以认为这种定位处理方法是可行的。而目标的高度值反过来再由所得 经纬度坐标值修正。 把式( 2 1 8 ) 表示为参数方程 = ，c o s 刁 m = r s i n 叩c o s ( 一万疗) ( 2 - 1 9 ) 刁= r s i n 玎s i n 其中为参数，与叩和，一起描述目标的三维位置。当( 0 ，万) 时，z ， o ，表 示目标位于飞机的右方，当( 一厅，0 ) 时， 0 ，表示目标位于飞机的左方。 式( 2 1 9 ) 经过坐标变换可得到目标大地坐标。 图2 3 给出了通过坐标转换迭代求出目标大地坐标的流程图。圆括号中的 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 数据表示经过坐标转换所得的目标在各个坐标系中的对应坐标值。 首先设定参数卢的初值，得出目标机体坐标系坐标( x ，幽) ，再转换为载 机地理坐标系坐标( x 击幻) ，大地直角坐标系坐标( x z z ) ，大地坐标系坐标 ( 曰工月) 。根据飞机位置坐标和所测量的数据玎和r ，估计目标大地坐标高度 h = 鼠，结合此时所得的经纬度日，三作为下一次迭代的初值，由大地坐标系坐 标值转换到空间大地直角坐标系坐标，载机地理坐标系坐标，机体坐标系坐标， 然后求出口，进行新一轮的迭代。当迭代精度达到要求时，便得到目标大地位 置坐标( 口，厶) ，输出定位结果。 图2 - 3 定位坐标转换求解沉程图 在机体坐标系中，目标位置在以给定测量数据限定的锥体底面圆周上，定 位的实质即是求解参数口，由于函数是连续的，对解法迭代流程作几何定性分 析，可见迭代的各点逐步趋近于目标点，因此以见为己知值通过迭代的方式来 求卢的方法显然是收敛的。因为关于卢的函数是连续可导的，根据文献 1 2 】， 可知此迭代方法至少一阶收敛。 这里需要指出的是，由图2 2 从几何原理知，不管飞机滚转角为多少，地 面目标点只和飞机p 连线与机体轴夹角卵都不会改变，斜距r 也不改变，因此 在机体坐标系到与载机地理坐标系的坐标转换中，可以设飞机滚转角为零。 2 3 机载定位误差分析 定位误差分析主要包括算法本身所带来的系统误差和测量值的不确定所带 来的随机误差。而测量误差主要包括机体坐标系中的目标定位误差分析和经坐 标转换后的定位误差分析。 2 3 1 系统定位误差分析 问题的求解过程中对目标高度作了估计，求出经纬度坐标值，这必然给定 位数据带来误差。所以系统定位误差用估计高度与实际高度定位所产生的定位 误差来表示。地球表面各点的高度日满足0 日8 8 4 8 m ，取两个极值求出经纬 度值，其值相差为最大系统定位误差。由此可知，如果目标高度已知，理论上 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 2 测量定位误差分析 设，叩的测量数据( 以下标肌表示) 为，假设各测量数据误差服 从零均值高斯正态分布。式( 2 1 9 ) 中的参数口不是实际测量数据，不引入测 2 3 2 1 机体坐标系中的定位误差分析 在机体坐标系中目标位置为 刚箍搿 协z 。， l l - i ，卅s i n c o s 声f ( 2 2 0 ) 1 jl ks i n s i n 卢j 对式( 2 2 0 ) 进行全微分，可得机体坐标系中的定位误差为 4 = 4 4 ( 2 2 1 ) 4 斟4 = 融乏 只= 4 e 4 7 其中 4 = 鼢 沼z z ， 只= 医够曼荔卜小仆网 鼻2 1 吒，l ，c 。e h6 刊2 l i7 。jl p 珏| o n o p 脚o v t o ho二l 。j 展开为 吒= c o s 2 一+ es i n 2 一 盯：= c o s 2 ( s i n 2 矿+ c o s 2 ) 盯：= s i n 2 ( s i n 2 巩一+ c o s 2 ) t ，d _ = c o s s i n c o s 届一一露s i n c o s c o s 肛 q ，= s i n 2 c o s s i n 正研+ c o s 2 叩卅c o s s i n 屈磊 如a o 口o = c o s s i n s i n 届彩- s i n c o s s i n z 醒 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 1，j s s 量 秘嚣i i 一 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图2 4 ( a ) ( b ) 描述了目标高度为玩= 0 和鼠 _ 8 0 0 0 m 时目标位置在地面上 的投影点之间的距离占s 的变化。其中图( a ) 表示严1 0 0 k m ，玎= 7 0 6 时飞机高 度胁和飞机俯仰角粤对艿s 的影响，当i pj 较小时，万s 也较小，但是j s 不总是 随手，d 单调变化。图( b ) 表示凰严1 0 k m ，口= o 。时目标斜距，和方向角玎对艿s 的 影响。由于，7 在大于9 0 。时对占s 的影响和小于9 0 。时的变化是一致的，故不画出 这部分图形。当叩越接近9 旷时，占s 也越小。在r 取值范围内随着r ，叩增大， 占s 数值也不总是单调递减的。图2 4 ( c ) 表示玎= 8 0 。，口= o 。，地面实际高度 为零时高度估计值对占s 的影响，可以看出在1 5 0 k m 范围以外的远距离定位中， 高度估计误差低于2 k m 时占s 只有几十米。在实际的探测环境如丘陵或者平原 应用中，根据地理信息可以使高度估计误差很小，这时占s 就很小，而海面环境 所得定位误差结果与之相比则近乎可以忽略了。 ( c )6 h e ，m 图2 - 4 系统定位误差仿真。 由图2 4 中艿s 的变化情况看，可以得知调整飞机的位置和姿态角对于提高 测量精度具有非常重要的意义，不仅减少了这些因素自身的影响，同时姿态角 的调整也利于得到比较合适的玎角，从而也减少了目标方向角的测量影响。由 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 测量精度限制的条件下，是非常适用的。由于考虑地面环境条件的限制，该方 法对无源定位方法的实际应用可行性有一定的决策指导意义。 在上述定位方法中，如果把方向角的测量改为方位角的测量，那么利用通 常的测向交叉定位法，可以得到斜距和方位角数值，并且在原理方面还可以简 化。在这作者发表的文献【2 7 中有详细叙述，由于基本原理与上述方法类似， 并且由于篇幅问题，此处不再赘述。在辐射源定位中，测向交叉定位的特点决 定了其在现阶段的使用的广泛性，但是通常的测向交叉定位法的工程或者仿真 应用一般都假设在地平面或者海面上定位，对于三维立体空间，目前测向交叉 定位一般只能确定辐射源所在的一条直线，而不能精确定点。由本文的仿真也 可以知道测向交叉定位法等机载单站定位技术要达到一定的定位精度时，利用 本章方法的原理可以得出测向交叉定位等方法所能接受的地面环境起伏状况。 2 5 小结 本章基于机载单站无源定位技术的研究，在地球椭球参考模型建立的基础 上，提出了测量目标方向角和斜距二维坐标信息通过坐标转换对目标进行远距 离精确定位的方法。通过对新旧算法运行效率和误差的理论说明和仿真分析， 可以看出此方法是很有效的：在现有数据测量精度条件下，测量误差所带来的 定位误差远大于系统定位误差，同时可以根据实际情况对系统定位误差进行修 正或者迭代修正而减小或忽略其影响；本方法程序与一般方法相比计算时间稍 多，但复杂度在同一数量级；本方法提高了机载单站定位精度；与此同时研究 了地面环境起伏对辐射源定位的影响，为在不平坦地面使用机载系统定位方法 提供一定的可行性和选择的依据。由于减少了测量信息，使侦察系统得以简化， 使问题的解决更为精确和实用，这对雷达和电子对抗等机载定位技术的发展具 有重要意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 第3 章信号大气传播时的处理技术研究 无线电波在地面、空中以及星体间的传播，都要经过包围地球的大气层。 该大气层从地面一直延伸到数千公里的高空。随着离地面的高度的增加，大气 层的组成物质和电参数发生明显改变，对电磁波的传播的影响也存在明显差异。 最靠近地面的对流层是多种气体( 氧、氮、二氧化碳、氢等) 与水汽的混 合气体，层内大气密度、温度和湿度随高度下降，且大尺度变化总叠加着大气 的局部湍流运动。因此，对流层的介电特性是不均匀的，使无线电波产生散射 和折射；氧、水汽和水汽凝结物对无线电波有吸收作用，而其中的水汽凝结物 还对无线电波有散射作用，这些都会造成无线电波的衰减。 平流层的大气密度很小，几乎没有水汽。由于在2 0 5 0 k m 高空含有少量臭 氧，强烈吸收太阳紫外线，导致层内温度达到六七十度，大气以平流为主，且 接近于真空，对无线电波传播影响很小，可以忽略不计。 由于太阳的的辐射作用，使地球外层大气电离，形成了电离层，层内含有 大量自由电子和离子。电子和离子的浓度与纬度、地磁场、太阳的活动有密切 关系。电离层对无线电波传播影响较大，会使无线电波产生吸收、折射和反射 等作用。电离层的电参数与频率有关，故称电离层是色散介质。 大气的各层之间没有明显的分界线，但对电磁波传播产生的影响却不同。 影响程度均可用介质磁导率和介电常数f 来表征，并以折射指数h = 占来表 示1 7j 。为了研究和使用方便，又引入折射率这一物理量，即 = 伽一1 ) 1 0 6 ( 3 1 ) 大气折射指数”接近于1 ，其地面值约为1 0 0 0 2 6 1 0 0 0 4 6 ，而在9 k m 处 的值则在1 0 0 0 1 0 5 左右。在电离层中折射指数月小于1 ，且取决于电子浓度m ( 个电子米3 ) 和电波频率。 由以上可知，无线电波的折射效应与大气结构参数及物理参数密切相关。 大量的测试表明，垂直方向比水平方向的大气变化要大1 至3 个量级。因此， 在研究大气折射对电波的影响时，经常忽略大气水平方向的变化，并视大气为 球面分层，从而折射指数可简化成仅随离地高度 而变化的量，即n = h ( ) ，简 称为n 剖面。 由于有折射效应，使得无线电外测系统的角度、距离测量值都带有误差。 为保证测量值准确，必须对大气折射误差进行修正【2 _ b ，2 8 舶，5 6 5 9 1 。随着测量精度 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 上式与式( 3 。6 ) 联立，则得 ：( n 一1 ) 1 0 s ：坐( p + 竺盟) ： 丁r 。 ( 3 7 ) ，6 ；n ，s 枷5 争rr 2 式( 3 7 ) 中右端的一项称为折射率的干项，而包含水汽压的第二项称为湿 项( 表示水汽的影响) 。 由于可以忽略电导率，所以研究气候对电波传播的影响，主要是研究大气 折射指数n 随时间和地点的变化及其特点，也就是研究n 和气象参数之间的关 系。大量数据统计表明，大气折射指数h 的年变化很小，可忽略不计，主要需 研究它的季节变化、日变化以及随高度与水平的变化。在小范围内，可以认为 折射率是水平均匀的，但在较大范围内则有明显差异。折射率通常情况下， 随高度的增加而减小。虽然平均折射率的年变化不大，但在一年之中随季节 的变化却较为明显，而日变化是非常明显的。 为了定量地研究对流层对电波传播的折射影响，首先要研究对流层大气折 射指数的模型。从2 0 世纪3 0 年代雷达问世到现在航天器在太空邀游，大气折 射研究经历了从粗到精的发展过程，先后提出过多种大气折射指数模型。利用 这些模型可使折射修正公式中的积分项变成封闭形式，从而可大大简化计算， 节省折射修正计算时间。这里先简要介绍实测模型，然后介绍几种具有代表性 的统计模型【8 】o 3 1 1 1 实测大气折射指数剖面 气象台和有关单位普遍使用无线电探空仪获取对流层的各种物理参数。由 于气球可将探空仪携带到3 0 多公里高空，因此在上升过程中，可不断地把空中 各点测到的温度、湿度、压力通过无线电发送到地面接收站。地面接收站利用 这些数据，根据式( 3 7 ) 可计算出折射率剖面。 3 1 1 2 线性模型 本世纪3 0 、4 0 年代，人们认为大气折射率随高度 呈线性变化，即 ( ) = 0 + ( 3 8 ) 式中0 为地面折射率；为折射率的梯度( 单位为单位n ，血) ；为从地面起 算的高度。 从大量测量、统计得知，在近地面o 1 k m 范围内线性模型与实际数据之间 吻合较好，若超出该范围，则线性模型的准确性将下降。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 使用这种模型可推导出最原始的大气折射修正方法等效地球半径法。 在标准大气条件下，= 4 0 单位l 锄，等效地球半径取为真实地球半径的4 3 倍，并将射线视为直线。这种模型适用于低层大气，计算十分简单，可以满足 目前辐射源定位精度的一般要求，目前辐射源定位中一般用这种方法来考虑大 气层引起的电波折射，来计算雷达侦察系统的距离【1 】。 3 1 1 3 指数模型 通过多年对多地区对流层大气折射指数大量实测数据的统计分析，人们发 现平均大气折射率可用负指数模型来近似，即 ( ) = o 矿“ ( 3 9 ) 式中( ) 为高度 处的折射率( n 单位) ；o 为地面折射率( n 单位) ； 为指数衰减系数( 1 ，k m ) ： n 为地面的海拔高度( k m ) 。 对于年平均或月平均大气折射率，用指数模型近似的误差很小，其标准偏 差一般小于5 n 单位。但与实测数据的差异较大。 3 1 1 4 分段模型 前述两种模型各有适用区域，例如，对低层( 1 h l 以下) 大气应取线性模 型：1 9 k m 区段则取指数模型；9 k m 以上区域去另外一种指数模型，则能更精 确的描述整个剖面。于是有如下分段模型： l o 一l ( 一 0 )s + l 妇1 ( ) = 1e ) ( p 卜龟i ( 一j 1 0 一1 ) 】+ l k m 9 k m ( 3 - 1 0 ) 【9e x p 卜吃，( 一一9 ) 】 9 k m 匕) 。为最大电子浓度tk 为电子浓度最大值所在高度，匕为抛物层的的半厚度。 抛物层内的电子浓度分布与实际分布相当接近，特别在最大值附近更是如 此，其数学表达式又比较简单，故常被采用。 3 1 2 3 线性层 假设电离层被划分为许多薄层，每层的电子浓度随高度分布是线性的，从 而有 e ：心+ 蹬正掣( h 一赡) ( 啊 s ( 3 2 0 ) r l i n n l 式中。，。+ 。分别为高度啊，啊+ 。上的电子浓度，常称这种模型为线性分层模 型。 3 1 2 4 指数层 指数层是指电子浓度随高度的分布呈指数规律的层，即 札= 也。e x p ( k z ) ( 3 - 2 1 ) 式中z = ( 一k ) 日；m 。为高度吃。上的电子浓度：h 为衰减因子。 3 1 3 大气折射模型仿真 大气折射误差的研究需要知道大气折射指数h 沿高度的分布( 简称剖面) ， 也就是需要知道折射率或电离层电子浓度m 。根据上述研究可以得到成都地 区大气折射模型如图3 1 所示。图3 1 ( a ) 是对流层年平均大气折射模型；图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 3 1 ( b ) 是根据我国电离层中等电子浓度表格式剖面数据7 1 所作的电离层统计模 型：图3 1 ( c ) 是用卡普曼模型模拟的电离层中等电子浓度剖面图；图3 1 ( d ) 是用两段线性层模型和一段二次抛物层模型构成的分段模型建立的中等电子浓 度剖面图。此处各种精确程度不同的大气折射模型的建立影响折射误差修正的 精度，但对于研究和利用大气折射的基本规律是一致的。 图3 1大气折射模型：( a ) 对流层折射率模型；( b ) 电离层中等电子浓度剖面统计模型； ( c ) 电离层中等电子浓度剖面卡普曼模型：( d ) 电离层中等电子浓度剖面分段模型 3 2 大气折射效应 大气折射效应分为常规折射效应和反常折射效应。大气反常折射效应有负 折射、超折射和波导传播等效应。大气折射效应，使得无线电外测系统的角度、 距离等测量值都带有误差。为保证测量值准确，必须对大气折射误差进行修正。 3 2 1 大气折射修正基本原理 在大多数情况下，人们按几何光学原理研究无线电波在大气中的折射现象， 于是，光学折射定律成为重要基础，射线概念也被用于无线电波。由于无线电 波的波长比光波长，因此必须满足一定条件才可使用几何光学的概念【7 4 】。随着 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 波长的缩短，电波传播的主椭球变得狭长，逐渐接近射线形状，且主椭球范围 内的球面波变得更近似于平面波( 光波为平面波) 。因此，随着波长的减小，无 线电波在两个介质分界面的反射和折射变得像光波的情况。两个介质的电参数 相差越小，入射到介质分界面上平面波的反射系数就愈小。当介质中没有聚焦 和发散现象时( 即介质中距离为波长丸范围内的折射指数n 变化可忽略) ，也即 满足下列不等式时 蚓私1 ( 3 2 2 ) 则由介质中波长以与自由空间波长z 的如下关系 丸：兰 得知式( 3 2 2 ) 可变为 嘉阱删 协z s ， 这时没有反射波而只有一个折射波，可把电波当作折线来研究。式( 3 2 3 ) 常被当 作研究不均匀介质中电波传播的使用条件。显然，在n = 0 时的介质中( 3 2 3 ) 不成 立，几何光学也将不适用。在电离层中，介电常数s 取决于电子浓度及电波频 率，占可以为零或接近零。当信号频率接近于临界频率五= 8 0 8 也时，电波 将在电离层发生全反射，此时几何光学理论不再适用。一般无线电外测系统所 用频率都远大于矗。 当波沿，方向传播时，在长度为4 ，的一段路径内，波的相位变化等于月“) ， 从而在整个路径上积分等于相位变化。因此场的表达式为 e ：墨p 一如即瑚 ( 3 2 4 ) 这个一级近似解与相应几何光学解是一致的，可称为一级几何光学近似。这说 明在不均匀大气中若传播路径较短时，电波的一级近似与在折射指数为h ( z ) 的 均匀介质情况一样，n ( z ) 等于折射指数在该段路径的平均值。可导出电离层中 一级几何光学条件为 匕砉钟划 z s ， 根据一些典型数据计算可知，除了在反射点附近约一个空间波长范围内不适用 堕塑奎堕查堂堕主堡窒竺兰焦笙塞篁! ! 里 外，在整个电离层内都可使用一级几何光学近似。 当某一曲线上各点的切线与等相面移动方向一致时，则称该曲线为射线。 这样，对电波折射问题的研究就可归结为对射线轨迹的研究。满足射线轨迹的 方程称为射线方程，由射线定义可得出射线方程为 兰( ，o h ) = v ( 3 2 6 ) 当折射指数n 按球面分层时，根据上式可得出研究球面分层大气折射最基本的 公式s n e l l 定律 n ，c o s 口= 打o c o s 皖= c o n s t ( 3 2 7 ) 式中p 为射线仰角，岛为射线初始仰角，为地面的折射指数，测量站到地 心的距离。 射线的曲率 一言啬c o s 臼 ( 3 - 2 8 ) 一i 面。0 8 目 ( 3 。2 8 ) 曲率半径 p ：上 ( 3 2 9 )p2 一( 3 2 9 ) 考虑至0 n “1 ，口* 以，贝0 辟= 一除s 壤r b s 。， 辟一l 磊8 铱l 3 3 0 ) 由式( 3 3 0 ) 看出，折射指数的梯度越大，射线曲率半径就越小，从而曲线弯 曲也越大。当仰角岛= 9 0 。时，射线垂直向上，曲率半径变为无穷大，即射线不 弯曲；当仰角岛= o 。时，曲率半径为 r 幽 _ 1 成一l 面l 设口为地球半径，当血曲= 一1 口= 一1 5 7 l o 4 ( 1 k m ) 时，则戽：口，此时射线 变为平行于地球表面的睦线。该曲曲值被称为大气折射指数的临界梯度。 3 2 2 大气折射类型 由式( 3 - 3 0 ) 可以得到射线曲率半径辟，用n 和与地球半径口比值的大小 可以对大气折射情况进行分类，各类折射的情况可用图3 2 直观地表示。 当岛口2 1 时，射线平行于地面，称为临界折射；n 口 o ( 或口 o 谱相关平面上，不同信号谱线将会分开， 表现出各自不同的特征，由此可以分离、识别信号。 4 2 2 时频分析 为了分析简便和适用于大多数场合，早期的信号分析都是针对平稳信号， 并通过f o u r i e r 变换将信号从时域映射到频域，从而对信号进行分析。但实际上， 非平稳信号更加常见，非平稳信号的统计量( 如相关函数和功率谱密度等) 是 时变函数，对这样的信号作频域分析将得到复杂的频谱，无法反映非平稳信号 的频谱随时间变化的特征。这是因为传统的f o 嘶e r 变换是一个整体变换，它只 是将信号在一个域( 时域或频域) 中表示。针对这种情况，可使用时间和频率 的联合函数形式来表示非平稳信号，这类表示称为信号的时频表示。 信号的时频分析已经成为一个重要的研究领域，迄今为止有关时频分析的 论文不计其数，提出了很多时频表示方法，时频表示分为线性和二次型两种。 典型的线