（信号与信息处理专业论文）单站长基线干涉仪测向定位技术研究.pdf

摘要 摘要 在现代战争的信息战 电子战环境中 使用快速高精度和高识别率的无源被 动定位跟踪技术作战场监视及远程精确打击 已成为一种重要的技术方向和发展 趋势 本课题的测向设备选择干涉仪体制 本文基于单站长基线干涉仪测向定位体制 主要从测向定位精度分析和干涉 仪无模糊测向分析探求各测向定位区域的精度分布与长基线干涉仪最佳基线配置 方案 论文首先介绍无源测向的测向方法和性能指标 并且详述各种常用测向体制 及无源定位原理 接着阐述相位干涉仪测向原理和二维相位干涉仪的定位数学模 型并建立单站长基线干涉仪测向定位数学模型 然后基于单站长基线干涉仪测向 定位误差模型详细地分析平台稳定性 基线长度变化 波长估计误差及系统噪声 与相位偏差等测向定位误差因素并提出一些误差改善途径 运用m a t l a b 仿真平 台仿真分析在修正值0 0 1 与o 0 5 度时的测向定位精度情况 最后从测向模糊分析 入手 阐述无模糊测向基线配置原理并据此给出一平台基线配置实例 关键词 干涉仪长基线测向定位误差基线配置 a b s t r a c t a bs t r a c t u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so fm o d e me l e c t r o n i cw a r f a r ea n di n f o r m a t i o nw a r t h eu s e o fr a p i dh i g h p r e c i s i o n h i g hr a t eo fr e c o g n i t i o no ft h ep a s s i v ed i r e c t i o nf i n d i n ga n d t r a c k i n gt e c h n o l o g yf o rb a t t l e f i e l ds u r v e i l l a n c ea n dl o n g r a n g ep r e c i s i o ns t r i k e sh a s b e c o m ea ni m p o r t a n td i r e c t i o no ft e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n tt r e n d s t h i si s s u eo f c h o i c eo fd i r e c t i o nf i n d i n ge q u i p m e n ti st h ei n t e r f e r o m e t e rs y s t e m b a s e do nt h el o n gb a s e l i n ei n t e r f e r o m e t e rf o rt h ef i n d i n gd i r e c t i o na n dl o c a t i o n s y s t e m m a i n l y f r o mt h e i n t e r f e r o m e t e rp h a s en o n a m b i g u i t ya n a l y s i sa n d d i r e c t i o n f m d i n ga c c u r a c ya n a l y s i so ft h es i n g l es t a t i o nl o n gb a s e l i n ei n t e r f e r o m e t e rw e e x p l o r et h ea c c u r a c yd i s t r i b u t i o no ft h ed i r e c t i o nf i n d i n ga n dl o c a t i o na r e aa n dt h eb e s t b a s e l i n ec o n f i g u r a t i o n f i r s t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h em e a s u r e m e n tm e t h o d sa n dp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so f p a s s i v ed i r e c t i o n f i n d i n g a n dd e t a i l st h ev a r i o u sc o m m o n l ym e a s u r e m e n ts y s t e ma n d t h ep r i n c i p l eo fp a s s i v el o c a t i o n t h e ni tt e l l su st h ep r i n c i p l ea n dt h em a t h e m a t i c a l d i r e c t i o n f i n d i n gm o d e lb a s e do nt w o d i m e n s i o n a lp h a s ei n t e r f e r o m e t e r a n ds e t su pt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es i n g l es t a t i o nl o n gb a s e l i n ei n t e r f e r o m e t e rd i r e c t i o nf i n d i n g a n dl o c a t i o n s e c o n d t h ep a p e ra n a l y s e st h ep l a t f o r m s t a b i l i t y t h eb a s e l i n el e n g t h c h a n g i n g t h ew a v e l e n g t he s t i m a t i o ne r r o ra n ds y s t e mn o i s ea n dp h a s ee r r o rd e t a i l e d l y b a s e do nt h es i n g l es t a t i o nl o n gb a s e l i n ei n t e r f e r o m e t e rd i r e c t i o nf i n d i n ga n dl o c a t i o n a n dp r o p o s e san u m b e ro fw a y st oi m p r o v et h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y a tt h es a m et i m e s i m u l a t e st h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yo ft h es i t u a t i o na tt h ec o r r e c tv a l u eo f0 o1a n do 0 5 d e g r e e su s i n gm a t l a b f i n a l l yf r o mt h ea n a l y s i so ft h ef u z z yd i r e c t i o nf i n d i n g t h e p a p e ri n t r o d u c e st h en o n f u z z yb a s e l i n ec o n f i g u r a t i o np r i n c i p l e a n dg i v e se x a m p l e so f t h eb a s e l i n ec o n f i g u r a t i o no ft h ep l a t f o r m k e y w o r d s i n t e r f e r o m e t e r l o n g b a s e l i n ed i r e c t i o nf i n d i n ge r r o r b a s e l i n ec o n f i g u r a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性 或创新性 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外 论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 本人签名 日期 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学 本人保证毕 业离校后 发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学 学校有权保留送交论文的复印件 允许查阅和借阅论文 学校可以公布论文的全 部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存论文 保密的论文 在解密后遵守此规定 本人签名 导师签名 醐p 日期丝业竺 第一章概述 第一章概述 1 1 研究背景 在现代战争中 电子战处于重要的战略地位 控制电子战的主动权也往往决 定了整个战场的主动权 电子战的一个重要部分是电子对抗 电子对抗是指在电 子战中 截获敌方无线电电子设备的电磁信息 通过分析 处理获得军事 技术 情报 并阻止敌方无线电子设备获取有用和正确的信息 削弱或破坏敌方武器系 统的效能和威力的一切技术和战术手段的总称 1 1 雷达系统因其在控制武器系统的 攻击 战区的监视和警戒 诸兵种协同作战的联系和指挥方面的关键作用成为了 电子对抗系统的核心之一 在这种条件下 对雷达进行侦察并实行干扰 从而破 坏敌方武器和指挥系统的正常工作成为了电子对抗的主要任务 测量雷达辐射电 磁波的参数并确定其位置的电子定位系统也随之成为了电子对抗和支援系统中非 常重要的一个部分 因为它为精确打击乃至彻底摧毁敌方雷达系统提供了重要的 有效的手段 雷达等有源定位技术是通过辐射的电磁波照射目标 经目标反射后 得到目标位置信息的一种技术 它虽可定出目标的位置 但同时也暴露了自己 在现代电子战中 雷达面对反辐射导弹等电子对抗手段的严重威胁 从近年来发 生的多次高科技局部战争可以看出 围绕雷达的电子干扰 抗干扰斗争尖锐激烈 反辐射导弹应用广泛 低空突破技术不断发展 隐身技术大显身手 这四大威胁 给雷达探测定位带来一系列的新的挑战 在越来越强调隐蔽攻击和硬杀伤的趋势 下 采用被动方式工作的测向和无源定位技术 较有源测向和定位方法具有作用 距离远 隐蔽接收 不易被对方发觉的优点 是现代一体化防空系统 机载对地 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 对于提高武器系统 在电子战环境下的生存能力和作战能力具有重要作用 同时在航海 航空 宇航 侦察 测控等方面扮演着重要的角色 无源定位系统是指在自身不辐射电磁波的条件下 被动接收辐射源的电磁波 信号 测量其各项参数 隐蔽地确定出目标位置及运动状态 无源定位技术从观 测平台的数量上可分为单站无源定位技术和多站无源定位技术 2 传统的多站系统 需要各站之间同步工作并进行大量的数据传输 此外还要求对集中的数据进行融 合处理 这不仅使定位系统变得复杂 也限制了系统的独立性和机动性 而单站 系统恰好克服了这些缺点 其良好的机动性和独立性更能保证隐蔽地完成定位跟 踪的任务 单站无源定位是指仅仅通过单个观测站测量目标辐射的辐射信息得到 目标的状态 依常规雷达定位原理而言 单一的无源观测器是无法测量出辐射源 的位置的 因为对于辐射源的位置是不可观测的 如果使单站观测器与辐射源之 2 单站长基线干涉仪测向定位技术研究 间发生相对几何位置的变化 则可在位置变化的过程中通过多次顺序测量获得目 标的信息数据 估计出目标的位置和运动状态 与多站无源定位系统相比 单站 无源定位系统一般不需要多站同步工作和数据传输 也不依赖于站间的通信 因 而具有较大的灵活性 在现代战争的信息战 电子战环境中 使用快速高精度 高识别率的无源被 动定位跟踪技术作战场监视 远程精确打击已成为一种重要的技术方向和发展趋 势 根据利用的辐射信号的来源 无源定位又可分为基于外辐射源的无源定位和 利用目标自身辐射信号的无源定位 利用外辐射信号的无源定位 是指无源定位 系统不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对 目标进行定位的技术 这类辐射信号一般是空中己存在的广播t v 通信和f m 无 线电广播信号 3 j 1 2 论文研究的目的和意义 随着空间电子对抗的逐步升级 无源被动目标信息获取系统逐渐受到人们的 重视 无源定位的相关技术得到了长足的发展 无源定位系统主要是依靠分析非 合作辐射源所发射信号确定目标位置的被动定位系统 具有功率小 负载低 电 磁隐蔽能力强的优点 无源定位技术实质上是定位方法与定位算法的融合 具体 的说 要实现无源定位可分成两个步骤 首先 利用现有的测量技术 尽可能多 的获取辐射源的参数及其辐射信号的参数 根据这些信息来选择相应的定位方法 其次 建立观测模型 根据观测模型选择正确的有效的定位算法 无线电侦察 r a d i or e c o n n a i s s a n c e 是无线电与电子学科技术的一个重要应 用领域 其基本任务是用无线电电子设备对无线电信号进行搜索 截获 分析 无线电侦察在军事上主要用于电子战的电子支持措施 e s m 和情报侦察等 而 在民用上则可以用于无线电管理 频谱检测 交通管制 航海航空救援 抢险救 灾 射电天文学 医学电子等国民经济和社会发展的诸多领域 无线电侦察信号分析和处理的基本任务是 在不知道无线电信号发射的时间 频率 方向 信号体制的情况下 对所截获的信号进行分析 参数估计和信号还 原 具体包括 无线电信号谱分析 无线电信号时频分析 无线电信号发射源距 离估计 无线电发射源方向估计 网络无线电信号侦察分析等 因此 无线电侦 察最终要归结为对所截获的无线电信号进行分析和处理 从中提取所需要的信号 情报 这就是无线电侦察信号分析与处理在整个无线电侦察的基本应用 无线电侦察信号分析与处理也是无线电侦察技术中既古老又年轻的一个分 支 它的历史源远流长 早期的对无线电电波场强的测量和无线电测向中方向 矢量的估算 它的生命力也很强 由于现代信号处理技术 尤其是数字信号处 第一章概述 3 理技术的飞速发展 无线电侦察的内涵与外延己今非昔比 日新月异的信号处理 技术给予了它极大的发展机会 因此它也是一个充满勃勃生机的发展领域 无线电侦察信号分析与处理包括模拟处理和数字处理 随着芯片技术的发展 数字处理已得到越来越大的发展 无线电测向学是研究无线电测向理论 技术与 应用的科学 无线电测向从上世纪诞生至今 已经形成了系统的理论 这就是无 线电测向学 无线电测向的主要研究内容是电磁波特性及传播规律 减小和克服 误差的方法等 无线电测向学是与无线电工程学 无线电电子学 地球物理学 无线电通信技术 计算机技术 数字技术紧密相关的一门科学 无线电测向的基本功能 就是估计和反演无线电信号的发射源方向 无线电 测向 是无线电侦察的一个十分重要的任务 并且在民用领域已经获得了很多成 功的应用 在军事领域 对港口 机场 军舰和导弹发射场地等军事设施的雷达 通讯 测控等无线电辐射源进行侦察定位 对实施针对性电子干扰和军事打击具 有重要的应用 在民用领域 可在交通管制 生命救援 无线电频谱管理 动物 迁徙特性检测等方面发挥着重要作用 无线电测向也是电子支援措施 e s m 和 信号情报措施最重要的技术和手段 在多信号环境下 比较典型的算法有m u s i c e s p r i t 等算法 这些算法常 常需要耗时较多的协方差矩阵特征值分解运算 这在硬件实现上有难度 单信号 环境下 目前人们仍广泛关注比相式的数字干涉仪技术 干涉仪方法具有数据处 理时间短 技术成熟的优点 然而 该技术是基于理想的信道和信号模型 实际 中由于制造工艺和环境的限制 信道常常偏离理想模型 因此必须进行通道校正 又由于平台稳定性的影响 所以也必须进行必要的平台稳定性校正 1 3 论文主要研究内容 本文基于单站长基线干涉仪测向定位体制 主要从测向定位精度分析和干涉 仪无模糊测向分析探求各测向定位区的精度分布与长基线干涉仪最佳基线配置方 案 论文按如下方式编排章节 第一章 概述课题研究的背景 阐述论文研究的目的和意义 第二章 介绍无源测向的测向方法和性能指标 并且详述幅度比较式 干涉 仪测向 多普勒测向 空间谱估计测向等常用测向体制 论述无源定位原理 第三章 从一维 二维以及三维情况详述相位干涉仪测向原理 介绍二维相 位干涉仪的定位数学模型 根据课题研究的长基线干涉仪测向定位平台建立单站 长基线测向定位数学模型 第四章 建立单站长基线测向定位误差模型 详细地分析平台稳定性 基线 长度变化 波长估计误差及系统噪声与相位偏差等测向定位误差因素 提出一些 4 单站长基线干涉仪测向定位技术研究 误差改善途径 运用m a t l a b 仿真平台仿真分析在修正值o 0 1 与0 0 5 度时的测 向定位精度情况 第五章 从测向模糊分析入手 阐述无模糊测向基线配置原理 并据此给出 一平台基线配置实例 第二章无源测向和定位原理 第二章无源测向和定位原理 2 1 测向方法与性能指标 测向即利用雷达侦察系统测量雷达辐射源所在方向 它可以用来 1 信号分 选和识别 在雷达侦察系统的工作环境中可能存在着大量的辐射源 各辐射源的 所在方向是彼此区分的重要信息之一 且受环境的影响较小 具有相对的稳定性 因此 辐射源所在方向是雷达侦察系统中信号分选和识别的重要参数 2 引导干 扰方向 在测出威胁雷达方向并且需要实施干扰的条件下 将干扰发射机能量集 中在威胁雷达方向进行有效干扰 3 引导武器系统辅助攻击 根据所测出的威胁 雷达方向 引导反辐射导弹和电视制导等武器对威胁雷达实施攻击 4 为作战人 员提供威胁告警 指明威胁方向 以便采取战术机动 5 辅助实现对辐射源定位 利用空间多点所测得的威胁雷达方向 时差等 确定威胁雷达在空间中的位置 4 1 雷达侦察系统对雷达辐射源测向的基本原理是利用侦察测向天线系统的方向 性 也就是利用测向天线系统对不同方向到达电磁波所具有的振幅或相位响应 并依此分为振幅法测向和相位法测向 1 振幅法测向 所谓振幅法测向 就是根据测向天线系统侦收信号的相对幅度大小来确定信 号的到达角 主要的测向方法有 最大信号法 等信号法和比较信号法等 最大 信号法通常采用波束扫描体制或多波束体制 以侦收到信号最强的方向作为雷达 所在方向 它的优点是 信噪比较高 侦察距离较远 缺点是 测向精度较低 比较信号法通常采用多个不同波束指向的天线 覆盖一定的空间 根据各天线侦 收同一信号的相对幅度大小来确定雷达的所在方向 它的优点是测向精度较高 缺点是系统较复杂 等信号法主要用于对辐射源的跟踪 其测向精度高 但测向 范围较小 典型应用于反辐射导弹等 4 1 2 相位法测向 所谓相位法测向 就是根据测向天线系统侦收同一信号的相对相位差来确定 信号的到达角 也可以通过相位差解调出角度误差信号 驱动天线对辐射源实旌 被动跟踪 由于相对相位差来源于相位波程差与波长的比值 而雷达信号的波长 较短 相位变化对波程差很灵敏 因此 相位法测向的无模糊测角范围较小 天 线系统较集中 基线较短 4 1 6 单站长基线干涉仪测向定位技术研究 测向系统是侦察机的重要组成部分 其技术指标应满足侦察机的整体作战技 术指标要求 并因侦察机的用途 性能而异 这里仅列出一般测向系统的主要技 术指标 4 1 6 1 测角精度翻和角度分辨力鲋 翻一般用测角误差的均值和方差来度量 它包括系统误差和随机误差 系统 误差是由于系统失调引起的 在给定的工作频率 信号功率和环境温度等条件下 它是一个固定偏差 均值不为零 随机误差主要是由系统内 外噪声引起的 角度 分辨力鲋是指能够被区分开的两个辐射源的最小角度差 4 2 测角范围q 4 伽 瞬时视野q 朋倒 角度搜索概率只 丁 和搜索时间r q 月倒是指测向系统能够检测辐射源的最大角度范围 q 刷翻指在给定时刻测向 系统能够测量的角度范围 尸 丁 是指测向系统在给定的搜索时间t 内 可测量出 给定辐射源角度信息的概率 搜索时间丁则是指对于给定辐射源 达到给定搜索概 率只所需要的时间 对于搜索法测向 q 朋翻仅对应于波束宽度 q 一伽则为波束 的扫描范围 p 歹 和搜索时间了取决于双方天线的扫描方式和扫描参数 对于非 搜索法测向 q 埘倒 q 爿倒 只要侦收信号功率高于灵敏度 测向系统就可以测定 辐射源角度 4 j 3 测向系统灵敏度 测向系统灵敏度是指测向系统天线口面上能够正常测向的最小输入信号功率 密度d 单位为d b m m 2 或在给定测向系统天线增益g 或有效接收面积彳足 单 位为m 2 条件下的测向接收机灵敏度足曲 单位为d b m 4 1 二者的换算关系为 斥血 d 1 0 1 9 a 尺 d 1 0 1 9 g 尺矛 4 r q d b m 式 2 1 a r g r 1 2 4 万 式 2 2 2 2 测向体制简介 在测向仪家族中 根据不同的测向原理 可以把现有的测向仪归纳为不同的 测向体制 体系和样式 以下分别介绍主要测向体制的工作原理和特点 2 2 1 幅度比较式测向体制 幅度比较式测向体制的工作原理是 依据电波在行进中 利用测向天线阵或测向天线的方向特性 按照不同方向 来波接收信号幅度的不同 测定来波方向 7 1 例如 间隔设置的四单元阿德考克u 形天线阵 如图2 1 所示 第二章无源测向和定位原理 7 w e 图2 1 四单元阿德考克天线阵 设 u 为天线场地中央的参考电压 于是有 k u s i n o c o s u k u c o s 0 c o s 式 2 3 p a r c t a n 堡 u 在上面的公式中 分别为北一南 东一西天线感应电压 0 为来波方向 角 s 为来波仰角 k 为常数 k 2 b t r a 其中b 为天线间距 a 为工作波长 对于3 6 0 0 不同方向的来波 北一南天线感应接收信号的幅度遵循正弦s i n 0 规律 东一西天线感应接收信号的幅度遵循余弦c o s o 有了两组信号幅度 测向 时设法对二者求解或显示它们的反正切值 即可得到来波方向 这只是幅度比较 测向体制中的一个典型测向仪例子 幅度比较式测向体制的特点 测向原理直观明了 一般来说系统相对简单 体积小 重量轻 价格便宜 小基础测向体制 阿德考克 存在间距误差和极化 误差 测向灵敏度不高 抗波前失真的能力受到限制 频率覆盖范围 测向灵敏 度 测向准确度 测向时效 抗干扰能力等重要指标要根据具体情况做具体分析 2 2 2 干涉仪测向体制 干涉仪测向体制的测向原理是 依据电波在行进中 从不同方向来的电波到 达测向天线阵时 空间上各测向天线单元接收的相位不同 因而相互间的相位差 也不同 通过测定来波相位和相位差 即可确定来波方向 7 引 为了能单值的确定电磁波来波方向 干涉仪测向在工作时 至少需要在空间 架设三幅分立的测向天线 干涉仪测向是在 1 8 0 范围内单值的测量相位 当天线 间距较小时 天线之间相位差的分辨能力受到限制 但是天线间距大于0 5 个波长 时 又会引起测向相位值的模糊 通常解决上述矛盾的方法是 沿着每个主基线 8 单站长基线干涉仪测向定位技术研究 插入一个或多个附加阵元 这些附加阵元提供附加相位测量数据 由这些附加相 位数据解决主基线相位测量中的模糊问题 这种变基线的技术已被当代干涉测向 仪所采用 干涉仪测向的测向原理方框图如图所示 a l u 1 i 接收机 1 坐测 标相 向 变接收机 2 位处 换计 理 器器 接收机 3 图2 2 干涉仪测向原理框图 相关相位干涉仪测向 是干涉仪测向的一种 它的测向原理是 在测向天线 阵列工作范围内和3 6 0 方向上 各按一定规律设点 同时在频率间隔和方位间隔 上 建立样本群 在测向时 将所测得的数据与样本群进行相关运算和插值处理 以获得来波信号方向 干涉仪测向体制的特点 采用变基线技术 可以使用中 大基础天线阵 采 用多信道接收机 计算机技术 使得该体制测向灵敏度高 测向准确度高 测向 速度快 有一定的抗波前失真能力 该体制极化误差不敏感 干涉仪测向是当代 较好的测向体制 由于研制技术较复杂 难度大 因此造价高 干涉仪测向对接 收信号的幅度不敏感 测向天线在空间的分布和天线的架设间距 比幅度比较式 测向灵活 但是天线在空间分布上必须遵循某种规则 例如 可以是三角形 也 可以是五边形 也可以是正交型等 2 2 3 多普勒测向体制 多普勒测向体制的测向是根据电波在传播中 遇到与它相对运动的测向天线 时 被接收的电波信号产生多普勒效应 测定多普勒效应产生的频移 可以确定 来波方向 7 1 为了得到多普勒效应产生的频移 必须使测向天线与被测电波间做相 对运动 通常是移动测向天线在接收场中 以足够高的速度运动来实现 当测向 天线完全朝着来波方向运动时 多普勒效应频移量 升高 最大 当测向天线做圆周运动时 会使来波方向的相位受到正弦调制 设 以天线 场中心0 点为相位参考点 信号的相位为 天线接收信号的瞬时相位为以f 1 于 是有 呶 耐 妒 也c o s f 2 t 日 式 2 4 式中 国为信号角频率 q 为天线角频率 9 为来波方向角度 相位常数t 2 旯 第二章无源测向和定位原理 9 其中 为天线间距 允为信号波长 设 彳 为接收信号的振幅值 这时测向天线所接收到信号的瞬时值u n 为 u 1 a c o s f o r k c o s o t 一日 式 2 5 多普勒效应使得测向天线接收到的信号产生相位调制 多普勒相移为驴n 于是有 九 吒e o s d t 一日 式 2 6 多普勒测向体制的基本公式如下式所示 相应的多普勒频移为 厂 踯n d t 一k s i n f 2 t 一日 式 2 7 多普勒频移 厂可以从旋转的测向天线接收到的信号 经过接收机变频 放大 鉴 频以后得到 多普勒频移 厂与0 点参考频率相比较 即可得到来波方向角p 多普勒测向通常不是直接旋转测向天线 因为这在工程上难于实现 它是将 多根天线架设在同心圆的圆周上 电子开关顺序快速接通各个天线 等效于旋转 测向天线 人们称这种测向机为准多普勒测向机 通常 人们希望得到大得多的多普勒频移 增加天线孔径和开关速度是基本 途径 多普勒测向仪的测向天线阵可以使用大 中基线 当开关旋转频率为数百 赫兹时 多普勒频移厂可以达到数百赫兹 但是开关旋转频率的升高 会使边带 带宽增加 于是转速的升高又受到了一定的限制 多普勒测向体制的特点 可以采用中 大基础天线阵 测向灵敏度高 准确 度高 没有间距误差 极化误差小 又有一定的抗波前失真能力 多普勒测向体 制的缺欠是抗干扰性能差 如 遇到同信道干扰 调频调制干扰时 会产生测向 误差 该体制尚在发展之中 改进会使系统变得复杂 代价会随之升高 2 2 4 空间谱估计测向体制 空间谱估计测向框图如图 图2 3 空间谱估计测向框图 空间谱估计测向体制是在已知坐标的多元天线阵中 测量单元或多元电波场 的来波参数 经过多信道接收机变频 放大 得到矢量信号 将其采样量化为数 字信号阵列 送给空间谱估计器 运用确定的算法求出各个电波的来波方向 仰 角极化等参数 以四元天线阵为例 空间谱估计测向的基本公式如公式 2 8 所示 是一个 l o 单站长基线干涉仪测向定位技术研究 协方差矩阵 空间谱估计测向是把每个天线的接收信号 与其他各个天线的信号 都进行比较这就是相关矩阵法 即协方差矩阵法 它完整地反映了空间电磁场的 实际情况 r a x2 x l x 2 x 3 x x l x 2 x 五 x l x 2 x x 式 2 8 式 2 8 中 彳 指n 号天线的输出 h 为共轭转置符号 由公式 2 8 中可见 四元阵的协方差矩阵有1 6 个元素 空间谱估计测向充 分利用了测向天线阵各个阵元从空间电磁场接收到的全部信息 而传统的测向方 式仅仅利用了其中的一小部分信息 相位或者幅度 因此传统的测向方式不能在 多波环境下发挥作用 空间谱估计测向 基于最新的阵列信号处理理论 算法与 技术 具有超分辨率测向能力 所谓超分辨测向 是指对同信道中 同时到达的 处于天线阵固有波束宽度以内的 两个以上的电波 能够同时测向 这在传统的 测向方法中是无法实现的 构成协方差矩阵是空间谱估计测向的基本出发点 但 是协方差矩阵的处理 在不同的算法中是不相同的 其中典型的是多信号分类算 法 m u s i c 7 1 空间谱估计测向体制的特点 空间谱估计测向技术可以实现对几个相干波同 时测向 可以实现对同信道中 同时存在的多个信号 同时测向 可以实现超分 辨测向 空间谱估计测向 仅需要很少的信号采样 就能够精确测向 因而适用 于对跳频信号测向 空间谱估计测向可以实现高测向灵敏度和高测向准确度 其 测向准确度要比传统测向体制高得多 即使信噪比下降到0 d b 仍然能够满意地工 作 而传统测向体制 信噪比通常需要2 0 d b 测向场地环境要求不高 可以实现 天线阵元方向特性选择及阵元位置选择的灵活性 以上空间谱估计测向的优点 正是传统测向方法长期以来存在的疑难问题 空间谱估计测向 尚在研究试验阶段 在这个系统中 要求具备宽带测向天 线 要求各天线阵元和多信道接收机之间电性能具有一致性 此外还需要简单快 捷高精度的计算方法和高性能的运算处理器 以便解决实用化问题 2 3 无源定位原理 对雷达的定位分为平面定位和空间定位f 4 平面定位是指确定雷达辐射源在某 一特定平面上的位置 空间定位是指确定雷达辐射源在某一空间中的位置 由于 雷达侦察设备本身是无源工作的 一般不能测距 因此实现对雷达的定位必须要 有其它条件的保证 根据定位条件分为 第二章无源测向和定位原理 1 单点定位 即雷达侦察设备通过在单个位置的侦收 确定雷达辐射源的位 置 主要的定位方法有 飞越目标定位法和方位 仰角定位法 这种定位需要有其 它设备辅助 如导航定位设备 姿态控制设备等 以便确定侦察站自身的位置 和相对姿态 2 多点定位 即通过在空间中多个位置的侦察站协同工作 确定雷达辐射源 的位置 主要的定位方法有 测向交叉定位 测向一时差定位和时差定位 2 3 1 单点定位 1 1 飞越目标定位法 飞越目标定位法主要用于空间或空中飞行器 如卫星 无人驾驶飞机等 上的雷 达侦察设备 利用垂直下视锐波束天线 对地面雷达进行探测和定位 如图2 4 a 所示 飞行器在运动过程中一旦发现雷达信号 立即将该信号的测量参数 发现 的起止时间与飞行器导航数据 姿态数据等记录下来 供事后分析处理 对于地 面上的固定雷达站 假设侦收到的n 个脉冲记录整理成波束中心在地面的投影序 列 彳 笔1 则每一个脉冲在地面上的定位模糊区是一个以a i 为中心 r 为半径的 圆 模糊区面积s i 为 图2 4 飞越目标定位法示意图 s 石q 岛 式 2 9 n 个脉冲的定位模糊区则是此n 个非同心圆的交集 如图2 4 b 所示 显 然 收到同一雷达的信号脉冲越多 定位的模糊区就越小 2 方位 仰角定位法 方位 仰角定位法是利用飞行器上的斜视锐波束对地面雷达进行探测和定位 的 如图2 5 所示 同飞越目标定位法一样 飞行器在运动过程中一旦发现雷达信 号 立即将该信号的测量参数 发现的起止时间与飞行器导航数据 姿态数据等 1 2 单站长基线干涉仪测向定位技术研究 记录下来 供侦察设备实时处理或作事后分析处理 对于地面上的固定雷达站 假设侦收到的n 个脉冲记录整理成波束中心在地面的投影序列 4 盏1 则每一个 脉冲在地面上的定位模糊区是一个以a i 为中心 a i 为短铀 b i 为长轴的椭圆 它 与飞行器高度h i 下视斜角1 3i 以及两维波束宽度0 0 8 的关系为 口f 日 c s cf l t a n 詈 6 产等 c o t 卢 一皂二c o t 卢 拿 式q 显然 它受下视斜角卢 的影响最大 当p 为 l 2 时 方位 仰角定位法与飞越 目标定位法一致 且模糊区面积最小 当p 很小时 模糊区面积很大 甚至无法 定位 n 个脉冲的定位模糊区是n 个非同心椭圆的交集 多次测量也可以减小定 位的模糊区 a 2 3 2 多点定位 图2 5 方位 仰角定位法示意图 多点定位是多站无源定位的重要理论基础 多点定位主要有三种方法 1 测向交叉定位法 测向交叉定位利用在不同位置处的多个侦察站 根据所测得同一辐射源的方 向 进行波束的交叉 确定辐射源的位置 平面上测向交叉定位的原理如图2 6 所 示 假设侦察站1 2 的坐标位置分别为 x l y x 2 y 所测得的辐射源方向分 别为0 0 则辐射源的坐标位置 c y c 满足下列直线方程组 第二章无源测向和定位原理 笠 t a n o i x e x i 墨 t a n 0 2 x b x 2 解此方程组可得 一一t a n 0 1 x l t a n 0 2 x 2 t 2 1 茄暑蔬r 胪些竺羞黑产型 图2 6 半画上测同交叉定位不意图 由于波束宽度和测向误差的影响 两个侦察站在平面上的定位误差是一个以 k y e 为中心的椭圆 如图2 7 a 所示 通常将5 0 误差概率时的误差分布 圆半径 定义为圆概率误差半径 5 根据图2 7 有 n y p y 1 9 1 a r c t a l l 三一 x e 一而 式 2 1 3 口 锄陀t a l i l 丝二羔 经过微分并求方差 a d 2l 6 2 图2 7 测向交叉定位的模糊区 1 4 单站长基线干涉仪测向定位技术研究 咖去 警吖2 舞仃0 2 2 d 二2 i i i 瑶i 二百万 j 五 百 仃岛 i 矗 百 仃 仃 r 2 而s i n 20 2 吖2 2 s i n 2 0 2 0嚣仃麦 t 2 仃y2 弋而仃岛 夏i f 若仃孟 足位误爱分布幽毅w x y 近似为 毗加瓦1e x p 一争 等 2 警 2 对上式进行数值微分 可近似求得 0 8 厢 进一步推导可得 0 8 r 蔬0 2 斌0 2sin 02 01 i v 2 龟5 蔬 五司 测向交叉定位的简化分析方法如图2 7 b 所示 利用正弦定理可求得两站 点到辐射源e 的距离 d 堕翌生l l s i n 7 r 0 2 s i n 0 2 0 1 s i n 0 2 0 1 d 查皇 s i n 0 2 0 1 阴影区 定位模糊区 的面积为 a i 4 r 2 a 0 l a 0 2 i s i n o ls i n 0 2s i n 0 2 0 1 l 该式表明 a 辐射源距离越远 r 越大 测向误差越大 则模糊区越大 b 以a 为函数 对0 0 求导 令导数为0 可得 c o s o ls i n 0 2 0 1 一s i n o lc o s 0 2 0 1 0 c o s 0 2s i n 0 2 0 1 s i n 0 2c o s 0 2 0 t 0 0 0 20 2 万 解方程组得 1 9 l 詈 0 2 塾3 b h 3 0 2 詈 式 2 1 9 式 2 2 0 第二章无源测向和定位原理 1 5 即当侦察站与雷达成等边三角形时 模糊区面积最小 对同一辐射源的多站测向 交叉 也能够减小定位模糊区的面积 2 测向一时差定位法 这种定位方法在平面上的工作原理如图2 8 所示 无源定位设备包括一个基站 a 和一个转发站b 两者间距为d 转发器有两个天线 一个是全向天线 或弱方 向性天线 接收辐射源信号 经过放大后由另一个定向天线转发给基站a 基站 a 也有两个天线 一个用来测量辐射源的方位角9 另一个用来接收转发器的信号 并测量其与到达基站的同一个信号的时间差 f c a t r 2 d r l 式中 c 为电波传播速度 根据余弦定理 火 r 1 2 d 2 2 r l d c o s o 由此可推得 冠 一丝望二堂 型 1 c a t d 1 一c o s 0 式 2 2 4 如果转发站b 位于运动平台上 如图2 9 所示 则它与基站之间的距离d 和与 参考方向的夹角9 需用其它设备进行实时测量 如果采用应答机 址柚为a b 站间应答信号的单程传播时间 则有 墨 型坐虻黑 式 2 2 5 1 f 一 f 仰 1 一c o s 0 l 一吼 辐射源 基站a 图2 8 平面上测向时差定位的原理图2 9 位于运动平台上的测向时差定位 3 时差定位法 时差定位是利用平面或空间中的多个侦察站 测量出同一个信号到达各侦察 站的时间差 由此确定辐射源在平面或空间中的位置 1 平面时差定位 1 6 单站长基线干涉仪测向定位技术研究 假设在同一平面上 三侦察站d o 0 a p 一 口一 b p 口 口b 和辐射源e p a 位置如图2 1 0 所示 e 信号到达三侦察站的时间分别为如 如 根据余弦定 理 可整理得到以下方程组 令 c g口 一to p 2 pp j 一2pa占pcos o 一a 4 舱2 c tt op2 pp c o s oa b p p 式 2 2 6 口一 2 p 一占 一 2 一 o 参考方向 图2 1 0 平面上的时差定位示意图 墨 一一 c 一岛 2 屯 p c t b 一岛 2 如 k 2 p c o s a z 一墨p bc o s o 8 屯 k 2 p as i n a 一向p bs i n a b 式 2 2 7 屯 毛c t b t o 一k 2 c t 一t o c o s 舻赤 s i n p 南 则可唯一确定9 值 得 c s c 缈一9 2 赤 旺y 撖c o s c 焘 式 2 2 8 上式说明 平面上的三站时差定位一般将有两个解 这是由于该模型所表现的两 条双曲线一般有两个交点 由此产生定位模糊 一种有效的去模糊方法是增设一个侦察站 产生一个新的时差项 三条双曲 线一般只有一个交点 因此可以解模糊 由于在各侦察站连线方向上 时差对角 度的变化不明显 定位精度会降低 不同的布站方式也会影响定位计算的复杂程 度 第二章无源测向和定位原理 1 7 2 空间时差定位 为了简化分析 假设侦察站o o 0 0 a r 0 0 b r 7 r 2 0 c r 0 7 r 2 与 辐射源e p a 卢 的空间位置如图2 1 l 所示 同一辐射源信号到达各站的时间分别 为t d f t 占 t c b k 庀 2 c r o 2 o j 图2 1 l 空间中四站时差定位示意图 由此得到方程组 c f 一t o p 2 p 一2 p p c o s f l c o s a 2 一p c o 曰一t o p 2 p 2 p 占p c o s f ls i n a 2 一p 式 2 2 9 c p c t o p 2 p 一2 p b p s i n f l 1 坨一p 其计算过程类似平面时差定位 令 局 r 2 一 c 一岛 2 屯 r 2 c g 一岛 2 毛 r 2 c t c 一如 2 缸2 白 乞一t o 一k 3 g t o 岛2 素哺 f c t o 一屯 靠一岛 砰 霹 碍 岛 2 k l k 毛屯 碍 一碍 s i l l 卢2 甍 1 厮 对于地面定位设备 p o 万 2 肛删n 秀 1 而 胙 o 争 f 12 一m 略 1 厕 胙 o 争 由解出的口可得对应的a 式 2 3 0 1 8 单站长基线干涉仪测向定位技术研究 k 后 c o s 3 c o s 口 土 k 3 c o s 3 k s 七 s i n p s l na o 一 k 3 c o s 3 再由a 卢可求得相应的p 同平面时差定位一样 空间的四站时差定位也存在定位模糊 多值解 仍然 可以用增设侦察站的方法解空间定位的模糊 并且采用合理的布站方式简化计算 提高定位精度 时差定位精度主要取决于时间同步和测量的精度以及各侦察站之间的距离 基线长度 在现代设备中 时间的同步和测量精度比较高 因此从原理上说 长基线时差定位可能达到较高的定位精度 实际上 雷达天线往往是窄波束发射 的 基线展开过长 当雷达天线主瓣照射到某些侦察站时 其它侦察站可能由于 不在主瓣的照射范围内 接收信号低于其灵敏度而不能测量时差 导致系统无法 定位 因此 时差定位系统必须仔细选择基线的长度 分布和灵敏度 此外 对 于脉冲辐射源进行时差定位时 必须保证在各侦察站之间求得的时差是同一辐射 源 同一射频脉冲信号的时差 通常称为脉冲配对 第三章长基线干涉仪测向定位建模 1 9 第三章长基线干涉仪测向定位建模 本章介绍相位干涉仪测向定位原理 进而介绍长基线测向系统 并建立课题 研究的长基线干涉仪测向定位平台的数学模型 3 1 相位干涉仪测向原理 有关电磁波入射方向的信息包含在极化矢量的状态和相位波前的状态中 相 位波前与传播方向垂直 没有多波分辨能力的所有测向都使用这两个物理特性之 一确定方向 而电磁场的幅度不包括方向特性 峰值一般表示为本地场强 干涉 仪是相位敏感性方法 从原理上看是依靠测量电磁波的相位波前 不必进行测向 信号预处理而是直接求取空间上分开的传感器之间相位关系 下面分别从三个方 面介绍干涉仪测向原理 3 1 1 一维情况 在原理上相位干涉仪能够实现对单个脉冲的测向 故又称为相位单脉冲测向 最简单单基线相位干涉仪由两个信道组成 如图3 1 所示 图3 1 一维相位干涉仪 若有一平面电磁波从天线视轴交危为0 方向到达测向天线1 2 则两天线接收到 的信号相位差为9 9 0 兰婴s i n 式 3 1 式 3 1 中 a 为信号波长 d 为两天线间距 如果两个信道的相位响应完全一 2 0 单站长基线干涉仪测向定位技术研究 致 接收机输出的相位差仍然为缈 经过鉴相器取出相位差信息 缪 叩o 式 3 2 u f k s i n t p t k 为系统增益 再进行角度变化 求得辐射源信号的到达方向0 t p t o t 式 3 3 由式 3 1 可知 玎 d a 越大 t p t 对p f 的灵敏度就越高 测向精度也越 高 但是刀值越大 t p t 越容易超过i 万 7 r 1 的范围 从而引起测量相位差的模糊 因为相位差测量设备一般是以2 7 r 为模 只能测量2 7 r 范围内的相位变化 从式 可以看出刀 1 2 时 无论臼 取何值 9 f 都将在 万 万i 内变化 从而达到无模 糊地单值测向 一般来说 当值给定且只有当日 f 位于 p 一 9 一 之内时 才能 进行无模糊的单值测向 这里f 9 1 2 1 p a r c s i n 兰 a r c s i n 式 3 4 2 d2 称为相位干涉仪的不模糊视角 图3 2 示