基于相位差变化率的无源定位技术研究

高 义，高元锋

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

目前，单站无源定位技术在电子战领域得到迅速发展。与有源定位技术相比，利用无源定位设备可在电磁静默的条件下工作，具有更好的隐蔽性，大大提高了定位跟踪系统在电子战环境下的生存能力;与多站无源定位系统相比，单站无源定位系统一般不需要多站同步工作和数据传输，具有高度的独立性和较大的灵活性，且成本相对较低。

在单站无源定位中，当辐射源目标和观测平台之间存在相对运动时，可以利用信号的到达方向和相位变化率来实现目标定位。这种基于相位差变化率的无源定位技术与传统测向交会定位技术相比，增加了相位差变化率观测量，解决了测向交会需要较大交会角、定位时间长等问题。

1 相位差变化率定位原理

相位差变化率定位基本工作原理是利用观测平台上携载的二单元天线阵(干涉仪)，接收目标辐射电磁波的相位差及其变化率信息对目标进行定位，通过观测到的相位差及其变化率，求出目标的方位角和俯仰角的时间变化率，进而解算出径向距离，从而实现对目标的无源定位。二阵元天线相位差变化率及定位几何模型如图1和图2所示。

图1中，设运动观测平台上的2个天线阵元Ea、Eb接收的来波信息相位差为φ(t)，则

式中，ωT为来波角频率;Δt为来波到达Ea、Eb两个阵元的时间差;d为阵元间距(即干涉仪基线长);c为光速;fT为来波频率;β(t)为来波方位角;α(t)为Ea、Eb连线垂直方向(称为天线方向)的方位角。

对式(1)进行推导，可以得出干涉仪相位差变化率的测距公式为:

依据图2，对式(2)可推导目标辐射源位置 (xT，yT)为:

图1 二阵元天线相位差变化率

图2 定位几何模型

2 相位差变化率定位算法设计及仿真

单站无源定位系统通常由测向天线阵单元、信号接收采集单元、测向定位处理单元和控制单元等组成，其中测向定位处理单元是该系统的核心部分。

基于相位差变化率定位原理设计的测向定位处理单元，在实现过程中主要包括测向参数预处理和定位滤波实现2个部分。

2.1 测向参数预处理

在实际应用中，相位差变化率定位计算需要由定位测量设备提供的信息包括:辐射源信号频率、观测平台位置、速度和辐射信号来波到达角等。

在进行测量参数预处理过程中，有几个关键点需要注意:

①干涉仪相位跳周处理。在单站定位中采用的干涉仪测向天线阵，由于要获得较大的基线波长比增益，一般会选择较大的基线距离，这样会造成相位模糊，测量的相位会出现一周期跳变现象，即相位的跳周，在进行相位差计算时首先需要进行跳周补偿处理。

②调制信号的频率分量处理。在相位差变化率定位计算中，用到的相位差变化率参数是同一个频点的相位数据差分得到，而在实际电磁环境中侦察到的通信信号多为调制信号，测量出的相位差是同一信号的不同频率分量的相位差，可以先将不同频率分量相位差转化为该调制信号的参考频点相位差，然后提取出参考频点相位差变化率，这样可以消除由于不同频率分量带来的冗余相位误差，得到准确的相位差变化率信息。

③相位差变化率高精度处理。为了进一步提高相位差变化率的计算精度，还可以采用α－β滤波器，对差分后的相位差数据进行平滑处理。经过滤波后可进一步提高相位差变化率精度，同时还可以将相位差变化率中的野值进行剔除。

相位差变化率测量参数提取、处理过程如图3所示。

图3 相位差变化率参数提取处理过程

2.2 定位滤波实现

在实际实现中，由于单次计算目标位置误差较大，通常采用一种修正增益的推广卡尔曼滤波(MGEKF)算法实现目标位置估计，MGEKF滤波方法与单次计算统计相比具有定位时间快、定位精度高等优点。

通过相位差变化率和测向参数滤波递推计算，可获得较高精度的目标位置结果，定位滤波处理过程如图4所示。

图4 定位滤波实现过程

2.3 定位算法仿真

针对相位差变化率定位算法模型，进行相应的模拟仿真。

2.3.1 仿真条件

仿真条件如下:

①测量平台:仿真运动平台，速度300～500 km/h，高度3～5 km;

② 目标信号:信噪比变化范围3～40 dB，工作频率200～1 300 MHz;

③误差仿真条件:测向误差5°，位置误差20 m，速度误差2 m/s，测频误差为500 kHz。

2.3.2 仿真结果分析

针对不同运行速度、不同频段进行相位差变化率定位仿真试验的结果如图5所示。

图5 不同运行速度、频段相位差变化率定位曲线

通过仿真结果对比，可以看出:

①随着测量频率升高，定位精度变优，定位收敛时间变短;

②随着平台运动速度加快，定位收敛时间变短;

③随着测向误差变大，定位收敛时间变长，有可能出现数据发散而无法定位。

由仿真可知，在定位过程中相位差变化率参数测量处理非常重要，只有保证定位参数的测量精度才能实现高精度定位;另外，定位测量时需选择合理的运动航迹，这样可以有效缩短定位时间、提高定位精度，例如:在定位过程中，应使平台运动方向与目标方向尽可能保持较大的夹角，并且与目标相向运动。

3 工程试验验证

3.1 外场试验条件

通过搭建实物试验环境进行外场专题试验，来验证实际空间电磁环境下相位差变化率定位算法可行性，并对实际定位精度进行测试。

由于外场条件限制，试验一般采用汽车平台搭载测量设备模拟运动平台，搭载试验设备包括:测向天线阵、测向接收机、处理计算机、导航定位设备及模拟信号源等。

试验过程中，信号源发射天线与测向接收天线阵列的距离应满足入射信号为远场条件;选取测试频率应涵盖整个工作频率范围，至少在频段高、中、低段选择3个频率点发射信号，测试频率点应避开外界环境干扰频率。

3.2 外场试验结果

外场试验中对不同的平台运动速度在不同工作频段下，进行了相位差变化率定位精度及收敛时间测试，具体测试结果如图6所示。

图6 不同频段、不同速度定位结果对比

从以上外场试验中不同条件下的相位差变化率定位数据的收敛曲线可以看出:随着频率升高、平台运动速度加快，定位结果的收敛时间越短、定位精度越高，在测向误差保证的前提下，其定位精度优于5%R。上述试验情况与仿真试验结果基本符合，说明采用相位差变化率定位方法在单站无源定位系统中可以获得较好的定位结果。

4 结束语

通过建立基于修正增益卡尔曼滤波的相位差变化率定位算法模型，设计了一套实用的单站无源定位处理单元，解决了其中相位差变化率参数提取、优化、解模糊处理及滤波平滑等关键技术，并针对系统中的核心处理单元进行了仿真以及外场试验，验证了相位差变化率定位方法可有效地应用于机载平台通信目标单站无源定位系统。

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