曾　斌

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

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一種利用詢問-應答規(guī)律對應答機定位的方法*

曾斌**

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

摘要：針對雙站測向定位系統(tǒng)復雜、同步要求高的問題，根據(jù)詢問應答機的工作規(guī)律，提出了一種對應答機單站定位的方法。根據(jù)已知的地面詢問站和偵收站位置，通過測量敵我識別詢問和應答信號到達時間差和應答信號方位，實現(xiàn)了對應答機的定位；同時分析了定位誤差，通過計算機仿真證明了該方法的可行性。在地面詢問站已知的情況下該方法對于解決實際工程問題具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：無源定位；敵我識別；詢問-應答信號；到達時間差

1引言

敵我識別系統(tǒng)通過協(xié)同的方式工作，詢問機發(fā)射詢問編碼信號，應答機檢測到詢問信號，進行譯碼處理判決后，通過應答天線發(fā)回應答編碼信號來完成目標的識別。對于偵收系統(tǒng)，飛機、艦船等運動目標威脅較大，其搭載的應答信號是感興趣的對象，需要對應答信號進行定位和跟蹤，從而掌握目標的屬性、狀態(tài)和威脅程度等。

無源定位隱蔽性好，抗干擾能力強[1]。傳統(tǒng)的測向定位和時差定位方法需要利用多站對同一輻射源測向或測時差[2-3]，系統(tǒng)比較復雜。采用單站對目標定位需要觀測站運動，對動目標定位時甚至要求觀測站機動[4-5]。在對應答機定位時，這些方法雖然可用，但如果利用詢問-應答規(guī)律，可以簡化系統(tǒng)設(shè)計。本文利用敵我識別詢問和應答機工作規(guī)律，在地面詢問站和觀測站位置已知情況下，通過測量詢問和應答信號到達時間差以及應答信號方位，實現(xiàn)對應答機定位。該方法可以降低系統(tǒng)復雜度，實現(xiàn)對目標的實時定位和跟蹤。

2定位原理

2.1定位模型

為便于表述，本文以二維為例來討論問題。如果增加俯仰角的測量，結(jié)論也容易推廣到三維情況。對敵我識別應答信號的單站定位原理如圖1所示。

圖1　敵我識別單站定位原理圖

如圖1所示，偵收站位置已知，針對地面固定詢問站，其位置通過情報等其他手段可以獲取。以偵收站和詢問站的中點為坐標原點，兩站之間連線為X軸建立坐標系，則偵收站坐標為A(x1,y1)，詢問站坐標為B(-x1,y1)，應答機坐標為C(xT,yT)，偵收站通過干涉儀測得應答信號的方位角為θ。

詢問站采用固定重復周期(PRI)方式詢問，詢問周期是ms量級。當偵收站、詢問站和應答機之間的距離差在300 km以內(nèi)時，可不考慮時差模糊。在短時間(1 s)內(nèi)，動目標位置變化相對于到偵收站距離是一個極小量,因此信號出現(xiàn)規(guī)律可由圖2表示。

圖2　詢問/應答信號出現(xiàn)時間規(guī)律

由圖2可見，以詢問站發(fā)出詢問信號為時間0點，我們不能測量出應答信號發(fā)出的時間、詢問站接收到應答信號的時間，但是能得到接收的詢問信號和應答信號出現(xiàn)的時間，即t2、t3可以得到。根據(jù)電磁波傳播規(guī)律，可以得出

c·(t2-t0)=R1，

(1)

c·(t1-tr-t0)=R3，

(2)

c·(t3-t1)=R2。

(3)

式中：tr為應答機的應答延時，為3 μs。由上面可以得到

c·(t3-t2)=R2+R3-R1+c·tr,

(4)

整理可得

R2+R3=c·(t3-t2)+R1-c·tr。

由此可見，目標位置就是到接收站和詢問站距離和一定的點，這個點形成的軌跡是橢圓，橢圓方程為

(5)

偵收站和應答機形成的直線方程為

y-y1=tg(θ)(x-x1) 。

(6)

由方程組(5)和(6)可以解得目標坐標的定位結(jié)果為

(7)

2.2定位誤差分析

定位誤差主要與測向誤差、時差誤差、接收站和詢問站自身位置誤差、應答時延波動有關(guān)。對定位結(jié)果進行全微分，可得出

(8)

(9)

(10)

其50%圓概率誤差半徑r0.5近似為

(11)

則相對定位誤差為

(12)

式中：取R2為輻射源與偵收站的距離。

2.3多次定位方法

單次定位精度不高，不能滿足實際需要，因此需要多次定位。在多次測量的情況下，為了提高定位精度，通常選擇適當?shù)木€性跟蹤濾波算法如非線性最小二乘或卡爾曼濾波(KF)方法及其改進法等對輻射源進行跟蹤定位[6]。

狀態(tài)方程：

Xk=ΦXk-1+ΓWk-1。

(13)

測量方程：

1.精心備課。教師在備課的時候，要對教學內(nèi)容深思熟慮，找出因果聯(lián)系正好在哪里掛鉤、初看起來不易察覺的那些交接點，因為這些地方會出現(xiàn)疑問，而疑問最能夠激發(fā)求知欲望。教師必須知道：哪些東西要講，而哪些東西則應留著給學生的思維埋下一小段“引火線”。

Yk=CXk+Vk。

(14)

其中:

Wk是高斯擾動噪聲，協(xié)方差矩陣為Qk；Vk為高斯測量噪聲，協(xié)方差矩陣為Ri。這是標準的線性卡爾曼濾波方程，采用常規(guī)卡爾曼濾波處理步驟可以完成。通過濾波處理，可以實現(xiàn)對定位結(jié)果的優(yōu)化，提高定位精度，并實現(xiàn)對動目標跟蹤。

3仿真分析

3.1定位誤差曲線分析

由定位誤差均方差公式可以得到定位誤差主要與測向誤差、測時間差誤差關(guān)系較大。下面通過仿真來說明。

仿真條件：為了計算方便，以偵收站和詢問站中點為坐標原點，設(shè)偵收站位置坐標為(-100，0)km，應答機時延波動量為0.5 μs，平臺自身位置誤差分別為50 m、500 m，測向誤差分別為2°、5°，時差測量誤差分別為1 μs、5 μs。

3.1.1不同測向誤差對定位的影響

條件：應答機時延波動0.5 μs，平臺身位置誤差50 m，時差測量誤差1 μs，設(shè)測向誤差分別為2°、5°時的定位誤差。

圖3　測向精度2°時定位誤差

圖4　測向精度5°時定位誤差

3.1.2不同測時差精度對定位的影響

條件：應答機時延波動0.5 μs，平臺身位置誤差50 m，測向誤差為2°，設(shè)時差測量誤差分別為0.1 μs、5 μs時的定位誤差。

仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖可知，隨著時差誤差增大，定位誤差增加,但時差測量誤差對定位結(jié)果影響相對較小。

圖5　時差精度0.1 μs時定位誤差

圖6　時差精度5 μs時定位誤差

3.1.3不同自身位置誤差對定位的影響

條件：應答機時延波動0.5 μs，測向誤差為2°，時差測量誤差1 μs，設(shè)自身位置誤差為500 m時的定位誤差。

仿真結(jié)果如圖7所示。由圖可知，隨著平臺自身位置誤差增大，定位誤差有一定增加，但平臺自身位置誤差對定位結(jié)果影響很小。

圖7　平臺自身位置誤差500 m時定位誤差

3.2多次定位的誤差曲線

設(shè)目標做勻速直線運動，初始位置(50 km,50 km)，速度(50 m/s,0)，測向精度2°，時差測量精度1 μs，時間長度為100 s，蒙特卡洛實驗次數(shù)為100。

仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖可見，通過對多次定位結(jié)果的濾波處理，可以提高定位精度，并可能實現(xiàn)對目標的跟蹤?，F(xiàn)有的靜止單站對動目標定位需要測多普勒，對測頻精度的要求要達Hz量級，目前實現(xiàn)困難很大,而本文的方法卻具有一定的可實現(xiàn)性。

圖8　目標x方向速度估計值

圖9　絕對定位誤差

5結(jié)束語

在地面固定詢問站位置已知的情況下，通過單站測量敵我識別詢問和應答信號達到時間差，結(jié)合對應答信號測向可以實現(xiàn)對應答機定位。定位誤差主要受測向和時差測量的影響，其中測向誤差的影響較大。為提高定位精度并實現(xiàn)對動目標的跟蹤，可通過多次定位結(jié)果的濾波進行處理。該方法在滿足上述條件的情況下，在實際工程中具有一定借鑒意義。下一步需要進一步分析該方法的定位條件、時差模糊、機動目標跟蹤等問題。

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A Locating Method Based on Regulation of Interrogate-response Signal

ZENG Bin

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Abstract：Based on the principle of interrogator,a new method for locating the responder with single station is proposed,which avoids the problem that the double-station locating system is complex and the requirement of synchronization is high.According to the known positions of the interrogator and the reconnaissance station on ground,by measuring the time-difference-of-arrival(TDOA) of the identification friend or foe(IFF) inquiry and response signal and the azimuth of response signal,the method can locate the responder,and the location accuracy is analyzed.The method has been proved practicable by computer simulation.The method has reference significance for solving practical engineering problems when the position of the inquiry station is known.

Key words：passive location;identification of friend or foe;interrogate-response signal;time-difference-of-arrival(TDOA)

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2016.06.007

收稿日期：2015-12-30；修回日期：2016-05-31Received date:2015-12-30；Revised date：2016-05-31

通信作者：zengbin0715@163.comCorresponding author：zengbin0715@163.com

中圖分類號：TN971

文獻標志碼：A

文章編號：1001-893X(2016)06-0635-05

作者簡介：

曾斌(1974—)，男，重慶人，博士，工程師，主要研究方向為信號處理及信息獲取。

ZENG Bin was born in Chongqing,in 1974.He is now an engineer with the Ph.D. degree.His research concerns signal processing and information acquisition.

Email:zengbin0715@163.com

引用格式：曾斌.一種利用詢問-應答規(guī)律對應答機定位的方法[J].電訊技術(shù)，2016,56(6):635-639.[ZENG Bin.A locating method based on regulation of interrogate-response signal[J].Telecommunication Engineering,2016,56(6):635-639.]