一種基于相位差的短基線無源定位技術

周 宇,王 宏,何洋炎

(上海微波設備研究所，上海 201802)

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一種基于相位差的短基線無源定位技術

周 宇,王 宏,何洋炎

(上海微波設備研究所，上海 201802)

由于當前的長基線無源定位系統在布站選址、目標共視等問題上存在著缺陷，提出了一種基于相位差測量的短基線無源定位技術。該方法通過設置多組相鄰等長的基線，模擬運動觀測平臺模型，推導給出了固定單站對不限定運動條件目標的定位表達式。仿真結果表明, 該方法是一種極具發展前途的單站無源定位方法。

相位差；短基線；單站；無源定位

0 引 言

目前較為成熟的地對空無源定位系統，一般都是多站系統。多站系統具有以下缺點[1-2]：

(1) 選址要求較高

多站系統通常需要2～3個接收站，定位體制為測向交叉定位或時差定位。此類型的定位體制對布站分布方式有較多限制，且為了達到戰術指標要求，站間基線通常在20 km以上，不易選取合適的站點。即便站址能達到戰略布局的要求，仍需要考慮通視、站間通訊的條件，能滿足這一系列條件的站址更是寥寥無幾。

(2) 目標共視問題

如果采用的是時差定位體制，則需要實現對目標的共視。當目標為窄波束天線目標時，長基線時差定位很困難。

(3) 陣地建設、維護昂貴

多站系統時間基準嚴格，需要花費較多財力物力維護站間時間同步設備；通常各站間無法直接通訊，需要花費較多經費對站間通訊設備進行建設和維護；且由于各站址間分布較遠，技術人員在對各站進行早期調試或后期保障時也不便利。

若能將多站設備的基線縮短至百米量級，則可實現在單站內進行陣地建設，使系統由多站系統變成單站系統。單站系統可以合理地規避上述缺點。當前成熟的單站地對空無源探測設備功能多以測向探測為主，通常不具備獨立定位能力或定位精度較差，戰略目的僅為告警。因此，探索和研究高精度的短基線定位設備變得尤為重要。

本技術擬將站間基線的長度縮短至百米量級，實現了單站布置。通過計算短基線相位差，實現了對輻射源目標的無源定位，且解決了常用的固定單站相位差結合多普勒頻偏定位技術對于徑向運動的盲區，適用性更強。

1 定位算法

短基線相位差定位示意圖如圖1 所示。

圖1 短基線相位差定位示意圖

以單基線的二元天線陣為例，二天線0、1之間的基線長度為d，若有一工作波長為λ的輻射源平面波由夾角為β的方向傳播而來，它到達二天線的相位差φ為：

(1)

當目標距離遠大于基線長度時，R0與R1可視作平行，r1≈R0-R1。因此可推導出：

(2)

對時間t進行求導，得：

(3)

當觀測平臺為運動平臺時，設天線平臺沿基線方向運動，速度為v，則有：

(4)

推得[3]：

(5)

若觀測平臺為固定平臺，由于缺少相位差變化率的信息，無法直接定位。此時需要補充新的信息，常用的方法是利用多普勒頻偏。但如果目標是固定(或慢速)目標或者目標與觀測平臺之間的運動趨勢為切向運動，則無法測得有用的多普勒頻偏，無法定位。

通過設置相鄰等長的基線，可模擬運動觀測平臺，建立固定平臺相位差定位模型如圖2 所示。

圖2 固定平臺相位差定位原理圖

圖2中目標為T，觀測點為O、A、B，觀測點O、A與O、B間距(基線長度)均為d，目標與觀測點的夾角∠TOB為β，∠TAB為β1，入射波波長為λ。

令觀測點A、O間相位差為φ1，觀測點O、B間在d/v時刻后的相位差為φ2t，此時有：

(6)

由于目標T距離觀測點O的距離R遠大于基線d的長度，可認為β1等同于β。將公式(6)代入距離公式(5)，有：

(7)

當v足夠大時，d/v趨近于零，令當前時刻觀測點0、2間相位差為φ2，則可推導出目標T距離0點的距離R的近似公式為：

(8)

2 限制條件

以基線法線上的目標為例，設目標頻率為10 GHz(即β=90°，λ=0.03 m)，由公式(2)可得:

φ≈66.67πd

(9)

當基線d的測量誤差為1 mm時，將導致相位差φ的偏差為12°?？梢姸袒€無源定位體制對天線的基線精度具有非常嚴格的要求，對于較高頻段，系統要求天線的安裝誤差小于1 mm。目前較高級的激光跟蹤儀，其標稱絕對距離的測量精度為10 μm，按其測量最大不確定度為10 μm的10倍計為0.1 mm,則最終標校最大隨機誤差可能值為：

則可推算出：

滿足所需的1 mm的基線精度要求。

3 仿真驗證

短基線無源定位系統定位精度取決于天線陣的基線長度、相位差測量精度及目標信號的頻段等。假設天線陣為200 m基線陣列，單天線相位誤差8°，觀測站位置誤差0.2 mm，目標頻率為9.3 GHz，推算出定位的GDOP圖如圖3和圖4所示。圖中f0=9.3 GHz,d=200 m,σφ=8°,σp=0.2 mm。

基線長度為200 m時，短基線系統對法線方向上不同距離的目標進行定位的相對精度如表1所示；基線長度為150 m時，短基線系統對法線方向上不同距離的目標進行定位的相對精度如表2所示；基線長度為300 m時，短基線系統對法線方向上不同距離的目標進行定位的相對精度如表3所示。

表1 基線長度200 m時的定位精度

表2 基線長度150 m時的定位精度

表3 基線長度300 m時的定位精度

可見，在滿足一定定位精度要求下，頻段越高所需的天線基線長度越短?；€長度達到300 m左右時，基本可實現全頻段上的高精度定位。

4 結束語

基于長基線無源定位系統在布站選址、目標共視等問題上的缺陷，本文提出了一種基于相位差測量的短基線無源定位技術。首先推導了短基線相位差定位算法，然后對該算法的定位精度進行了仿真分析。仿真結果證明了該技術的有效性, 該技術是一種極具發展前途的單站無源定位方法。

[1] 趙國慶．雷達對抗原理[M]．西安：西安電子科技大學出版社，1999.

[2] 孫仲康，周一宇，何黎星．單多基地有源無源定位技術[M]．北京：國防工業出版社，1996.

[3] 郭福成，賈興江，皇甫堪．僅用相位差變化率的機載單站無源定位方法及其誤差分析[J].航空學報，2009，30(6)：1090-1095.

A Short-baseline Passive Location Technology Based on Phase Difference

ZHOU Yu,WANG Hong,HE Yang-yan

(Shanghai Research Institute of Microwave Equipment,Shanghai 201802,China)

Because there are still some problems in long-baseline passive location systems,such as station selection,target co-vision and so on,this paper presents a short-baseline passive location technology based on phase difference measurement.This method sets many adjacent groups of baseline with same length at a station,simulates moving observation platform model,deduces the locating expression for fixed mono-station to the target under unlimited moving condition.Simulation result indicates that the method is a very promising mono-station passive locating method.

phase difference;short-baseline;mono-station;passive location

2016-04-07

TN971.1

A

CN32-1413(2016)03-0023-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.006