基于调频广播单站无源系统的定位方法

1 引 言

无源探测定位方法具有作用距离远、宽带工作、低截获概率等优点，对于提高系统在电子战环境下的生存能力和作战能力有重要作用，因此近年来无源雷达获得了很大发展。在工程中比较成熟的定位方法是利用固定单站对运动辐射源进行定位跟踪，他是通过测量到达时间差(TDOA)和到达方向(DOA)来实现的。

本雷达系统没有测仰角，所以是将对目标的定位问题简化到二维平面来考虑的。接收到的信号经过直达波干扰抑制、波束形成、无源相干定位技术处理后，送往终端的每批目标信息有距离时延信息、多普勒信息、波束号、幅度、帧号信息。利用波束号和目标的幅度信息，可以实现比幅测角，利用角度和距离时延信息，可以实现测距，从而实现对目标的定位。

2 比幅测角原理应用

工程中常采用比幅法测角，因为信号的相对幅度比较容易测量，多信道之间要求幅度一致性比较容易实现。并且一般情况下，幅度特性随频率变化不敏感，从而幅度比较的结果也就与频率基本无关。比幅体制主要采用等信号法测角。首先，通过DBF形成多个波束;然后，在各波束中进行目标匹配，寻找出属于同一目标的幅度值，并找出幅度最大值和次大值以及对应的波束号，正常情况下，波束号相邻才可以测角，如图1的波束1和波束2所示;最后，对幅度最大值和次大值取对数后做差，差值再乘上一个比例系数(通常预先设定为一个常数)，从而测算出目标偏离等信号轴的角度，并最终求得目标方位信息。

比幅法测向，是利用系统的幅度特性与方位角的一一对应的函数关系来进行信号方位的测量。为了消除信号本身到达接收机处的强度的影响，比幅法至少需要2个波束。波束可以采用天线方向性函数来表示，但方向性函数的准确表达式往往很复杂，为便于工程计算，常用一些简单函数来近似，方向图的主要技术指标是半功率波束宽度以及副瓣电平。这里采用高斯函数来近似波束方向性函数，来说明比幅法的基本原理。

一个峰值在0o的波束用高斯函数可以表示为：

由波束宽度定义为半功率点，即半功率点处幅度为峰值点处幅度的

联立式(1)，(2)得：

则式(3)即为波束的近似表达式。

两波束交点处设为零度，波束峰值在±ao。并对得到的两波束分别取对数后相减，得到差波束函数F(θ)，如图2所示。

其中：A=(2*a)，U=(2*u)，即A为两波束之间的夹角，U为波束宽度。

由此可以得出结论，幅度取完对数后的差值，与目标偏离等信号轴的角度成线性比例关系，且比值与两波束夹角以及波束宽度有关。

注意到在波束旁瓣区域里，F(θ)与θ不具有一一对应的线性关系，因此这些区域属于比幅测向的无效区域。因此实际工程中要求在用这种方法测向时对测向范围进行一定的限定，同时也说明如果要扩大测向的有效范围则需要采用多于2个通道的比幅方法。

3 测距原理

如图3所示，L为发射站和接收站R的距离，rT，rR分别为发射站和接收站距目标的距离。目标回波相对接收站的方位角为φR。设接收站接收的发射站T的直射信号和经过目标反射回来的反射信号的时间延迟为Δt，电磁波的传播速度为光速c，若已知Δt和φR，则可得到rR。

有以下三角函数关系：

所以，可以推知目标到雷达基站的距离，rR为：

4 计算机仿真及结果分析

为了分析算法的定位精度，绘出了不同观测条件下的GDOP等值线分布图(从内到外依次为0.5 km，1 km，1.5 km，2 km，2.5 km，3 km)。其中，"O"型是R站，"☆"型是T站图。图4(a)条件如下：测量噪声方差为σρR=200 m，σφR=15 mrad，坐标为T(-25，0)km，R(25，0)km，图4(b)，图4(c)分别为图4(a)改变了一项参数的结果(图4(b)：σφR=30 mrad，图4(c)σρR=400 m)，从中可以得到如下结论：

(1)R站近区(但不包括基线区)的定位较高，而且离R站越近，定位精度越高。

(2)角度测量误差方差增大，定位精度下降较大，说明角度误差对精度产生主要影响，如图4(a)，图4(b)所示。

(3)距离和测量误差方差增大，定位精度变化不明显，说明定位精度对他的变化不敏感，如图4(a)，图4(c)所示。

5 结 语

在电子战中，采用无源定位的方法对运动辐射源进行定位具有重要意义。本文介绍了一种基于外辐射源的固定单站无源定位系统中对目标定位的工程实现方法，利用比幅测角，能够实现瞬时测角。再结合时间延迟Δt，便可测得目标和雷达站之间的距离。最后通过对定位精度的分析，揭示了基于外辐射源雷达系统的定位特性。在实际的实验系统中，上述定位方法取得了良好的效果。