鄒 峰，楊文舉，張殿友，童衛(wèi)東

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

現(xiàn)代艦載雷達(dá)面臨著電子干擾、反輻射導(dǎo)彈攻擊、隱身空防、低空突防[1]四大威脅。未來我海軍編隊(duì)信息作戰(zhàn)在瀕海、遠(yuǎn)海環(huán)境進(jìn)行，往往要求實(shí)施嚴(yán)格的電磁靜默等反偵察控制，以免暴露自己，因此對(duì)目標(biāo)進(jìn)行無源定位和跟蹤是現(xiàn)代艦艇編隊(duì)一體化防空、對(duì)海、對(duì)陸攻擊以及對(duì)隱身目標(biāo)預(yù)警探測(cè)的重要手段。無源定位具有作用距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍大、隱蔽性好、生存能力強(qiáng)、先敵發(fā)現(xiàn)，先敵攻擊、不會(huì)遭到敵方電子干擾和反輻射攻擊等優(yōu)勢(shì)。

隨著無源定位技術(shù)的發(fā)展，多站無源定位系統(tǒng)科研實(shí)驗(yàn)和裝備試驗(yàn)需求不斷增多，一般都采用外場(chǎng)實(shí)裝試驗(yàn)的方式，需要花費(fèi)大量的試驗(yàn)保障、人力物力，試驗(yàn)效率較低。本文提出一種多站無源時(shí)差定位系統(tǒng)內(nèi)場(chǎng)半實(shí)物模擬測(cè)試方法，該測(cè)試方法有效解決了多站無源時(shí)差定位系統(tǒng)在內(nèi)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下開展定位功能測(cè)試和定位精度測(cè)量問題，節(jié)省了裝備試驗(yàn)成本，提高了試驗(yàn)效率。

1 三站無源時(shí)差定位系統(tǒng)原理[2]

三站無源時(shí)差定位系統(tǒng)一般包括1個(gè)主站和2個(gè)副站，按照三站時(shí)差定位原理，3個(gè)定位站點(diǎn)分別如圖1所示進(jìn)行布置。

圖1 三站時(shí)差定位原理圖

3個(gè)定位站同時(shí)偵收輻射源信號(hào)，分別測(cè)量輻射源E(xe,ye)的同一脈沖前沿到達(dá)主站O(x0,y0)、副站A(x1,y1)、副站B(x2,y2)的脈沖到達(dá)時(shí)間tO,tA,tB，然后各副站將含脈沖到達(dá)時(shí)間的脈沖描述字(PDW)傳送到主站Ο，經(jīng)脈沖配對(duì)后計(jì)算主站Ο與副站A的時(shí)差tOA=tO-tA，主站Ο與副站B的時(shí)差tOB=tO-tB，c為電磁波的傳播速度，代入公式(1)即可解算出輻射源E的位置坐標(biāo)：

(1)

同步式無源時(shí)差定位系統(tǒng)單站原理框圖如圖2所示，主站和副站配置基本相同，每個(gè)站由信號(hào)接收與處理、信息處理與顯控、時(shí)統(tǒng)和通信部分等組成。

圖2 時(shí)差定位各站的系統(tǒng)框圖

信號(hào)接收與處理由接收天線單元、接收處理單元、信號(hào)處理單元等組成，完成雷達(dá)輻射源頻率、到達(dá)時(shí)間、脈寬等參數(shù)測(cè)量。時(shí)統(tǒng)和通信由衛(wèi)星授時(shí)和定位模塊、通信天線、通信信號(hào)變頻和接收模塊組成，負(fù)責(zé)站點(diǎn)間高精度時(shí)間同步、數(shù)據(jù)傳輸以及本站定位，輸出時(shí)統(tǒng)信號(hào)、位置信息。

信息處理與顯控由計(jì)算機(jī)和顯示器組成，負(fù)責(zé)脈沖配對(duì)、定位解算以及場(chǎng)景、輻射源信息、定位結(jié)果顯示。

2 三站無源時(shí)差定位系統(tǒng)內(nèi)場(chǎng)半實(shí)物測(cè)試方法

三站無源時(shí)差定位系統(tǒng)內(nèi)場(chǎng)半實(shí)物測(cè)試參試設(shè)備為三站無源時(shí)差定位系統(tǒng)(不含各站點(diǎn)的雷達(dá)偵察天線)，配試設(shè)備為1套信號(hào)產(chǎn)生和場(chǎng)景模擬器，包括信號(hào)產(chǎn)生器和顯示控制計(jì)算機(jī)。三站無源時(shí)差定位測(cè)試場(chǎng)景由顯示控制計(jì)算機(jī)模擬，包括模擬時(shí)差定位偵察站和目標(biāo)平臺(tái)地理位置、運(yùn)動(dòng)軌跡。目標(biāo)輻射源信號(hào)由信號(hào)產(chǎn)生裝置產(chǎn)生。

三站無源時(shí)差定位系統(tǒng)內(nèi)場(chǎng)半實(shí)物測(cè)試原理框圖如圖3所示。三站無源時(shí)差定位系統(tǒng)由1個(gè)主站、2個(gè)副站組成。

圖3 三站無源時(shí)差定位系統(tǒng)內(nèi)場(chǎng)半實(shí)物測(cè)試原理框圖

三站時(shí)差定位系統(tǒng)可放置于內(nèi)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，與配試設(shè)備信號(hào)產(chǎn)生和場(chǎng)景模擬器如圖3所示進(jìn)行連接。信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生目標(biāo)輻射源射頻信號(hào)分3路注入各站點(diǎn)的信號(hào)接收與處理模塊，各站點(diǎn)的位置信息周期性地向主站信息處理模塊發(fā)送，以達(dá)到場(chǎng)景同步。站點(diǎn)間通信采用射頻線直連，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。3個(gè)站點(diǎn)間以主站GPS授時(shí)為基準(zhǔn)通過微波通信進(jìn)行時(shí)間同步。如此三站無源時(shí)差定位系統(tǒng)從信號(hào)接收、處理、脈沖配對(duì)等過程均為在真實(shí)信號(hào)環(huán)境下運(yùn)行，模擬的場(chǎng)景和主站定位解算場(chǎng)景保持實(shí)時(shí)同步性。因此三站時(shí)差定位系統(tǒng)的內(nèi)場(chǎng)測(cè)試要達(dá)到外場(chǎng)測(cè)試的效果，核心是保證3個(gè)站點(diǎn)分別接收的3路信號(hào)為同一個(gè)輻射源發(fā)出的同一個(gè)脈沖信號(hào)，且3個(gè)站接收信號(hào)的時(shí)差要符合模擬的定位場(chǎng)景中輻射源到三站的真實(shí)傳輸時(shí)延差，即tO-tA=TA-TO，tO-tB=TB-TΟ。

利用“時(shí)間換空間”的方法，精確控制射頻信號(hào)向各個(gè)站發(fā)送的時(shí)間，來實(shí)現(xiàn)多站無源定位試驗(yàn)場(chǎng)景下信號(hào)的模擬。信號(hào)產(chǎn)生器采用將同一信號(hào)功分調(diào)制來實(shí)現(xiàn)到各定位站時(shí)延差，即先發(fā)射一個(gè)初始寬脈沖，然后依據(jù)計(jì)算機(jī)模擬時(shí)差定位場(chǎng)景精確計(jì)算輻射源脈沖到達(dá)各個(gè)站的空間傳輸時(shí)間，轉(zhuǎn)化成脈沖向各個(gè)站發(fā)送的相對(duì)延時(shí)，真實(shí)脈寬的輸出是由調(diào)制器根據(jù)相對(duì)延時(shí)進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生相對(duì)的時(shí)間延遲及真實(shí)脈寬，如圖4所示。

圖4 信號(hào)調(diào)制示意圖

試驗(yàn)開始后，顯示控制計(jì)算機(jī)根據(jù)三站時(shí)差定位試驗(yàn)場(chǎng)景按照周期計(jì)算3路脈沖信號(hào)時(shí)延控制值，并實(shí)時(shí)向信號(hào)產(chǎn)生器射頻控制模塊發(fā)送，信號(hào)產(chǎn)生器射頻控制模塊實(shí)時(shí)控制頻率源和射頻通道產(chǎn)生所需的射頻信號(hào)環(huán)境，按照時(shí)延要求精確控制3路相同的射頻脈沖信號(hào)發(fā)出。射頻脈沖信號(hào)通過等長的射頻線注入到各個(gè)站點(diǎn)的微波接收通道中，由接收處理模塊測(cè)量得到輻射源信號(hào)參數(shù)，形成帶時(shí)標(biāo)的PDW。副站通過通信系統(tǒng)將PDW實(shí)時(shí)傳輸?shù)街髡荆髡拘畔⑻幚韱卧獙?duì)3站的PDW進(jìn)行脈沖配對(duì)后輸出時(shí)差tOA、tOB，并結(jié)合場(chǎng)景模擬設(shè)備實(shí)時(shí)發(fā)送的三站位置進(jìn)行定位解算，最終得到定位解算結(jié)果。圖5為模擬器設(shè)置的三站時(shí)差定位試驗(yàn)場(chǎng)景，圖6為三站時(shí)差定位內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)主站定位結(jié)果場(chǎng)景。

圖5 模擬器模擬三站時(shí)差定位試驗(yàn)場(chǎng)景

圖6 三站時(shí)差定位內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)主站定位結(jié)果場(chǎng)景

3 試驗(yàn)方法效果驗(yàn)證

利用三站時(shí)差定位系統(tǒng)在外場(chǎng)真實(shí)環(huán)境完成了短基線定位測(cè)試，三站時(shí)差定位系統(tǒng)測(cè)試場(chǎng)景如圖7所示，3個(gè)站呈三角形布置，目標(biāo)相對(duì)主站由遠(yuǎn)及近運(yùn)動(dòng)。3個(gè)站點(diǎn)和目標(biāo)均做慢速運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)距離6.7～4.6 km，定位結(jié)果數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 三站時(shí)差定位系統(tǒng)外場(chǎng)測(cè)試定位結(jié)果與真實(shí)位置數(shù)據(jù)比對(duì)表

圖7 三站時(shí)差定位系統(tǒng)外場(chǎng)測(cè)試定位結(jié)果圖

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境采用三站無源時(shí)差定位系統(tǒng)內(nèi)場(chǎng)半實(shí)物測(cè)試方法，由信號(hào)產(chǎn)生和場(chǎng)景模擬器設(shè)置相同的場(chǎng)景，進(jìn)行了半實(shí)物測(cè)試，定位場(chǎng)景如圖8所示，內(nèi)場(chǎng)測(cè)試定位結(jié)果數(shù)據(jù)與模擬的真實(shí)位置數(shù)據(jù)比對(duì)見表2。

表2 內(nèi)場(chǎng)測(cè)試定位結(jié)果數(shù)據(jù)與模擬的真實(shí)位置數(shù)據(jù)比對(duì)表

圖8 三站時(shí)差定位系統(tǒng)內(nèi)場(chǎng)測(cè)試定位結(jié)果圖

另外根據(jù)外場(chǎng)、內(nèi)場(chǎng)測(cè)試時(shí)三站相對(duì)位置和三站時(shí)差定位系統(tǒng)站址定位誤差、測(cè)時(shí)差誤差，對(duì)三站時(shí)差定位精度進(jìn)行了仿真分析[3]，如圖9所示。

圖9 三站時(shí)差定位精度分析仿真圖

對(duì)外場(chǎng)定位結(jié)果測(cè)試數(shù)據(jù)、定位精度仿真數(shù)據(jù)、內(nèi)場(chǎng)半實(shí)物測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，目標(biāo)從6.7～5 km范圍內(nèi)定位精度基本在3%～1%范圍內(nèi)，且隨目標(biāo)逐漸接近主站定位精度呈逐漸提高趨勢(shì)，數(shù)據(jù)表明內(nèi)場(chǎng)半實(shí)物測(cè)試結(jié)果與外場(chǎng)測(cè)試結(jié)果基本一致，且符合定位精度仿真分析結(jié)果。該三站無源時(shí)差定位系統(tǒng)內(nèi)場(chǎng)半實(shí)物測(cè)試方法可行，能夠滿足三站時(shí)差定位系統(tǒng)功能、性能的測(cè)試需求。

4 結(jié)束語

本文在介紹三站時(shí)差定位原理和三站時(shí)差定位系統(tǒng)組成、工作原理的基礎(chǔ)上，提出了一種三站無源時(shí)差定位系統(tǒng)內(nèi)場(chǎng)半實(shí)物測(cè)試方法，并利用三站無源時(shí)差定位系統(tǒng)測(cè)試場(chǎng)景開展了內(nèi)場(chǎng)半實(shí)物測(cè)試，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了印證，并與三站時(shí)差定位精度仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，最后得出三站無源時(shí)差定位系統(tǒng)內(nèi)場(chǎng)半實(shí)物測(cè)試方法是一種簡(jiǎn)單、有效的三站時(shí)差定位系統(tǒng)功能、性能測(cè)試方法，可有效節(jié)省三站時(shí)差定位功能調(diào)試、試驗(yàn)成本，提高效率。