一种超短波超视距无源探测设备

杭州电子科技大学通信工程学院 汪立新 刘潇依

1.引言

利用测向信息定位依据的基本原理是三角测量法，即利用运动的单个观测站在不同位置测得的目标方向角信息（每一个方向角对应于一条定位直线），运用交叉定位原理通过一定的定位算法确定出目标辐射源的位置。当目标运动时，“交叉”无法实现，定位过程实际上是对目标运动状态的估计或拟合，测向定位的几何关系如图1所示。

假设观测站沿着VO方向运动，而目标沿VT方向运动，定义运动目标的状态向量，xT、yT是目标在X、Y轴方向的位置坐标， 、 是目标在X、Y轴方向的速度。再定义观测站的状态向量，xO、yO是单观测站在X、Y轴方向的位置坐标， 、 是观测站在X、Y轴方向的速度。r是目标与观测站的距离，β是r与Y轴方向的夹角。目标在k+1时刻的状态可由k时刻的状态通过下式（1）递推得到：

其中，T为观测时间间隔，WK分别为由于各种因素引起的偏差， 表示目标运动模型。从图1的几何关系可以得到下面的观测方程：

考虑到观测误差噪声，写成向量形式，得到下式：

式（1）、（3）构成了测向跟踪定位方法的数学模型。无源跟踪定位本质上是一个非线性最优估计问题，首先在坐标系下建立系统状态方程和观测方程，然后在包含噪声成分的观测信息上进行非线性动态滤波，实时地估计目标的位置信息以及相应的运动状态。

上面阐述了目标跟踪定位的数学原理，其利用的基本信息只有一种，那就是目标信号的到达方向，该观测信息直接决定了系统的作用距离和范围。例如，对于海上的某些目标信号进行探测，由于出海船只到达某一海域后，与目标真实位置往往距离甚远，因此要求搜索设备具有极高的探测灵敏度，以满足尽可能远的作用距离。而通常对于测向信息的获取，传统体制的超短波测向灵敏度较低，通常为数v/m，只能进行视距内的信号接收，而这往往不能满足许多实际场合的应用要求。为此我们开展了相关的课题研究，通过详细设计和实验验证，研制的样机设备探测灵敏度高达-20～-15dBv/m（工作带宽8kHz），在海上的多次实际作业中，船载探测设备接收天线架设高度为离海面10m，此时的理论视距小于15Km。通过实际试验，结果表明新研设备具有很好的超视距超短波信号接收能力，良好海况下可以探测60Km外的目标信号，最终跟踪定位误差不大于5米，且测向天线阵具有环境不敏感性，可安装架设于恶劣的接收环境下，样机设备实物照片见图2。

2.探测设备主要特点

（1）低互耦小型化天线。由于船载平台的安装特殊性，天线阵附近有较多的金属塔架，包括尺寸长度各异的众多金属管、面等组成的反射、折射环境。如果天线单元长度尺寸较大，一方面，则这些单元间会形成互耦，另一方面与附近金属物也会产生互耦，甚至可能在某些方向形成谐振，使各单元天线的方向图发生严重畸变。为了减小天线与近处金属物之间的互耦，通过介质缩短天线尺寸和合理设计金属导电面的尺寸，并在金属导电面上开各类直径不等的圆孔等措施，减小附近金属物与天线之间的互耦，经过计算、测试和改进，最终选定天线单元的尺寸长度0.12m，园阵孔径0.67m，可有效降低附近金属物带来的影响。

图1 直角坐标下的测向定位跟踪原理

图2 样机设备实物照片

表1 若干频率点上的抽样测试结果

图3 主机设备后面板图

图4 陆地试验时的天线架设环境

图5 海上航行探测实例数据记录

（2）改进测向信号处理方法。从软件上进一步改进处理算法，在五单元圆阵变为六单元阵情况下，增加了测向基线数量，即使其中出现1～2个天线单元接收信号不佳时，仍将有足够的基线数量维持改进算法的有效性。同时可对接收机中频输出的负信噪比信号进行DOA估计，大幅度提高了测向灵敏度，并在进行多次DOA估计结果的基础上，进一步的完成统计滤波功能，提高示向数据的可信度。

（3）舱内设备一体化。为了提高可靠性和架设方便性，我们对研制设备进行了一体化设计，把接收机、馈电单元、电源模块、电机驱动模块等集成于一个机箱内，机箱前面板只需一个电源开关，后面板各类插座连接操控计算机、天线阵、电机、交流220V等，方便在船上条件下的架设。图3为一体化机箱后面板实物图。

（4）人机操作平台。采用普通便携式计算机，装载软件包后具有功能如下：

·与本地测向接收机的指令和数据交互

·全景显示

·电子地（海）图

·队列测向信息记录文件

·基于队列测向信息的目标位置滤波算法

3.恶劣接收环境下的性能测试

为了模拟复杂恶劣的天线安装环境，项目组在陆地试验时把测向天线阵置于若干金属障碍物附近，这些设施将对信号产生众多反射/折射，并对接收天线阵产生一定互耦效应，图4为实际的架设环境。

在上述天线安装环境下，我们进行了实际性能指标测试，使用仪器包括：EB-200接收机，HE200标准天线，HP8657A射频信号源，SMIQ04B射频信号源。发射点与接收点相距200余米，下表为在一些频率点上的抽样测试结果，其中测向结果稳定准确是指误差在1.5º（r.m.s）以内，基本稳定准确是指误差在2～3º（r.m.s）以内。

4.海上航行探测实例

在某广域数据采集通信系统中，远端海上数据采集平台（PTT）可以随海流在海面上快速漂移，PTT收集到数据后将数据进行调制，然后采用对同一数据进行多次发送的方式发送给接收中心，一次数据的发送时间为数百ms，数据的发送重复周期根据应用的不同被设置在几十~几百秒不等。当PTT漂移出预定海域时，需要进行打捞回收，因此对PTT发射的信号进行无源定位和跟踪探测成为对新研设备的一场实战检验。

探测船于2011年4月中旬出发，前往某预定海域，航行2天后到达东经111.164º、北纬18.118º的参考位置。在经过航行搜索一段时间后，配备新研设备的打捞船行驶到东经110.493927º、北纬17.901087º时，在12时09分探测到目标信号，测定信号方位为220º左右，信号重复发送间隔周期为30s，打捞船随即调整航向，对PTT信号全速跟踪航行，见下图5所示。持续到约13时29分，信号消失，表明PTT已开始下沉入海面，终因距离过远未能赶到打捞。为了确定新研设备的最大探测距离，根据事后23日得到的接收中心资料，测得到目标和探测船之间的初始距离约60公里（32.6海里）。几天后探测船再次返回第一预定海域并到达预定参考位置，在经过航行搜索一段时间后，配备新研设备的打捞船行驶到东经109.6557º、北纬17.4448º时，在9时03分探测到目标信号，测得信号方位为88º左右，打捞船随即调整航向进行全速跟踪航行，最终在距离探测船初始发现信号时所处位置约36.5公里（约20海里）处找到PTT并打捞上船。