一种多脉冲联合测向定位方法

一种多脉冲联合测向定位方法

1不同信号的探测信号与地面探测系统相比，无源跟踪技术具有较大的机法性、远距离测量距离等优点。考虑到世界上大多数国家的海空军作战飞机上基本配装了塔康(TacticalAirNavigationSystem,TACAN)机载设备,工作时需要对外收发塔康信号,对塔康辐射源信号的侦测也是获取空中目标位置的一个重要技术来源。作为一种近程极坐标式无线电导航系统,塔康机载设备是与地面信标配合工作的。机载设备发射高斯形调制脉冲对形式的询问信号,有X和Y两种工作模式,不同模式脉冲间隔时间有区别,X模式为12μs,Y模式为30μs。每个机载设备的询问脉冲都是自相关的,地面应答脉冲只与自己的询问脉冲同步。地面信标台发射的应答信号也是高斯形调制脉冲,与询问信号相对应也有X和Y两种工作模式。本文从塔康系统工作原理和塔康信号特征出发,利用机载侦察平台两个接收天线测量空中目标与地面信标之间的询问和应答信号方位,分析信标和目标的方位信息和时间关系,实现对目标的定位。该方法突破了对空中运动目标实时定位的瓶颈,系统实现难度较低,可应用于实际工程中,具有现实意义。2定位原理2.1桥梁平台测向从视距侦察角度考虑,为便于表述,忽略高度因素,本文以二维为例来讨论问题。机载侦测平台、目标飞机以及地面塔康信标台位置关系如图1所示,机载平台A和地面塔康台B以及目标飞机S形成夹角为θ的三角形。机载平台可直接接收目标飞机发出的塔康询问信号,另外地面塔康信标台收到同样的询问信号后发出的应答信号也能被机载平台收到。其中机载平台与地面塔康信标台之间的距离AB可通过查询塔康台位置得到,夹角θ通过干涉仪测向得到。通过接收到目标飞机的询问信号脉冲与地面塔康台发出对应的应答脉冲之间时间差τ,再扣除固定延迟τ定位的精度取决于角度θ和时差Δt的测量精度,尤其是θ的测量精度制约着最终定位精度。机载平台可以采用干涉仪或者和差波束体制等测向,受制于解模糊天线的数量限制,测向基线长度不能太长,限制了θ的理论测量精度,从而限制了定位精度。只需两个间距很大的阵元,组成基线较长两阵元干涉仪测向天线阵,单个脉冲信号虽无法进行测向解模糊,但可通过多个脉冲联合双曲线定位方程2.2确定协同中心点考虑相邻两个脉冲情况,根据收发脉冲扣除固定延迟的相关得到时间差构造目标距离和方位角方程。如图2所示考虑平台在A点接收到第一个从S发出脉冲的时刻为t根据平台惯导信息,可认为在每个接收到脉冲时刻,A和B的相对位置都已知。为了方便分析,以A点为坐标原点,以A和B的连线为极轴建立极坐标系,则接收到任意脉冲时刻的ABS几何关系图可以表示为图3的形式。以A为坐标原点,则接收到第一个从S发出脉冲的时刻为t式中:e式中:Δa=c·(t式中:d为两阵元间距,ue788式中:2.3两组角的计算利用公式(1)~(3)和公式(6)可解出粗略的方位角^β,再利用公式(5)可解出精确的方位角β。整个算法流程步骤如下:Step1通过接收询问/应答脉冲及机载平台与塔康台相对位置计算双曲线方程的离心率eStep2通过前后询问脉冲时差计算Δa。Step3通过干涉仪测量两次询问脉冲的相位差结合塔康台位置计算Δb。Step4联立方程(1)~(3)和方程(6),共有ρStep5将^β代入方程(5)~(6),通过干涉仪解模糊,得到精确的夹角β;通过精确的夹角,再代入方程(2),得到较为精确的目标飞机距离估计值ρ2.4干涉仪测向误差分析定位精度由目标飞机与机载平台及塔康台位置分布、夹角测量精度以及时差测量精度决定。设两阵元间距离为d,两阵元间相位差测量误差为Δd,信号波长为λ,则根据干涉仪测向原理,目标方位角表示为两边取微分,有测向误差与两阵元信号相位差测量误差以及方位角相关。根据平台与塔康台和目标飞机之间距离差得到双曲线测距方程式中:Δa=10(对应30ns的时差测量误差),Δue788=10°(对应10°的相位测量误差)。当信号波长λ=0.24m,干涉仪基线长度d=1m,平台到塔康台一半距离c=50km时,第二部分3利用多次方程求解公式设初始位置机载平台、塔康台以及目标飞机处于图4中A根据几何关系,两次脉冲询问/应答时差双曲线方程有式中:可测量参数分别为e通过消元变量后,可得到关于方位角cosβ的一元四次方程:式中:系数可表示为利用四次方程求解公式,得到cosβ实数解为0.9684、0.7102、-0.3095、0.1813。代入方程(1),ρ将a、Δa、Δb分别叠加均方根差为σ从图5结果来看,现有测量精度足够保证多脉冲联合测角精度满足两阵干涉仪测向解模糊的要求。而最终目标定位精度由双曲线测距方程得到,当4m长干涉仪两通道相位差测量误差为10°,询问和对应的应答脉冲测量时间误差为33ns,平台飞机位于坐标原点,塔康台位于X坐标上100km处时,前方不同位置的目标飞机对应的测距精度如图6所示,可见由于干涉仪阵长度的增加,使得测向精度的提高,因而最终测距精度有不错的表现。4传统单脉冲时差/方位测距方法本文根据塔康脉冲序列间隔时间的确定性,将同一接收站对不同时间的多脉冲位置关系等效为同一脉冲在不同位置接收的位置关系,联合