基于短波机会照射的超视距隐身目标探测定位技术

周益明，刘跃平，蒋春山

(中国电子科技集团公司第36研究所，浙江 嘉兴 314033)

0 引 言

当今，国际战略形势和力量格局发生了深刻变化，各国战略竞争加剧，空中争夺成为战略竞争的重要方式。随着隐身飞机等作战装备的出现，其较强的生存能力、突防能力和全新的作战样式，打破了攻防战略平衡，对空情预警系统造成了前所未有的严峻挑战。传统技术侦察手段主要以被动的信号接收侦察为主，难以完整掌握隐形、无线电静默的空中目标。对这类目标的侦测存在着探测距离近、发现难、跟踪难等诸多问题，造成预警时间短、应对危机的可选手段有限，只能趋于被动应战地位。除了隐身目标的“隐形”问题以外，对空中目标的探测还存在着大覆盖范围的不间断连续监视、超低空目标探测及复杂电磁环境下的高精度定位等技术难题，这些问题都亟待解决。

提出了一种新的可针对隐身目标进行超视距探测和定位的方法，即利用非合作外辐射源无源定位原理，借助大型短波固定台站作为辐射源，通过接收隐身目标的散射波，实现对远程目标超视距发现、定位和跟踪。由于目前隐身目标的隐身特性主要针对的是微波雷达而设计的，而对于短波频段隐身能力差，使得基于短波外辐射源对隐身目标进行无源定位成为了可能。本方法融合了外辐射源无源定位、超视距雷达探测及无线电侦察的特点，但与他们又有所不同。外辐射源无源定位是指利用目标对已经在空间存在的非合作辐射源的反射，探测目标的存在，并以一定的精度给出目标空间坐标的探测系统。当前的外辐射源主要有电视和FM广播，例如美国洛克希德·马丁(Lockheed Martin)公司于1998年研制出的“沉默哨兵”(Silent Sentry)系统[1]，这类系统探测的是视距范围内的目标。本研究的基本原理与其一致，不同的是外辐射源是基于大型短波台站的，其辐射的短波信号机会照射到目标后产生散射波并经电离层折射形成回波，通过接收回波信号实现超视距目标发现与定位，而且可以选用多个不同频率同时工作的电台，可以通过优选设置多站同时对一定距离的目标进行探测和定位，形成多发一收的定位系统，这可以提高反隐身能力和定位精度，同时可以实现对超低空目标的探测。

虽然天波雷达也是基于短波信号的[2～4]，但是它通过自身辐射电磁波信号经过电离层折射、后向返回散射传播、回波检测实现对目标发现，因此容易被敌方发现和定位。本方法与之的区别是：a)利用非合作大型短波固定台站，因此相比较而言隐蔽性更好；b)由于此类短波台站分布广、数量多，因而可以选用多个电台不同频率同时工作，提高系统的定位精度以及探测覆盖范围，同时保证了时间可用性，能够进行连续探测；c)已知大型短波台站不仅作为外辐射源，还是系统修正定位误差的参考站。

1 定位原理

1.1 基本原理

本技术依赖于非合作大型短波固定台站。此类电台通信时将机会(按一定概率)照射到通信对象方向上一定距离区域内的其他目标并产生散射波，系统接收站就可以通过检测经电离层折射的目标回波方位角、仰角和时差等信息，并结合当前的电离层参数，利用几何关系实现对目标的探测和定位。该方法的关键难点是电离层结构参数估计、传播模式识别及经过延时和频率多普勒畸变后多径信号的分离与处理。前者可以通过设立参考站并借助电离层探测设备来实现，后者则通过直达波抑制与长时间能量累积技术来解决。

根据经目标散射后的回波信号对目标进行定位实际上就相当于对某短波辐射源进行定位，也就是将目标看成是一个短波台站的发射源，可以直接利用反射信号对目标实现单站定位[5,6]。而已知的短波台站事实上就相当于定位过程中的一个参考站，利用其精确位置等相关参数可以对电离层模型和回波的路径进行修正，从而提高目标的定位精度。系统示意图,如图1所示。

图1 定位方法原理示意图

由图1可见，大型民用短波固定站既是辐射源又是参考站。为简单起见，仅考虑目标回波信号只经电离层单跳反射。定位的基本原理是，系统首先定期估测当前电离层模型(如每隔半小时进行一次)，同时对民用大型短波固定台站进行侦察，发现其开始通信后检测该短波信号经隐身目标散射后的回波信号，对其进行测向，利用回波信号的方位角、仰角以及电离层反射高度计算目标与测向站的大圆距离，再利用接收站址坐标、测向方位角和大圆距离确定目标的经纬度位置，定位计算的几何示意图，如图2所示。

图2 定位计算的几何示意图

设地球为球面模型且反射点关于接收站F和目标T对称，路径T-H-F为回波信号的传输路径，其距离为RP，对应的大圆距离RD为接收站与目标的大圆距离。地球半径为R，来波仰角为β，电离层反射虚高为h，可得RD为

(1)

再结合接收站测得的回波信号方位角φ,即可计算出目标的位置。目标距接收站的大圆距离与回波仰角和反射点虚高的关系，如图3所示。

图3 大圆距离与回波仰角和反射点虚高关系示意图

1.2 定位流程

通常，短波固定站需要通信时会根据其通信的对象位置、确定电离层参数和可用频率，确定发射仰角和方位，并对短波信号传输路径进行规划，然后实施远距离通信。探测定位系统接收站可设置两个接收通道：一个用来接收该民用台站信号A，作为参考信号；另一个用来接收目标回波信号B(见图1)。通过对回波信号的干扰抑制以及长时间积累等处理，实现对弱目标的检测。收到该民用台站信号A和目标反射信号B后对A、B进行识别，确认B是经目标反射的同一信号后对A进行定位，查询电台数据库，确定精确位置；对B进行测向，利用回波信号的方位角、仰角以及电离层反射高度计算目标与测向站的大圆距离，再利用接收系统站址坐标、测向方位角和大圆距离确定目标的位置。同时，提取与发射站信号的时差，用于解路径模糊，即根据时差并结合来波仰角和反射层虚高，估算回波信号的传输距离，从而作为判决传输路径和反射跳数的依据。电离层的反射高度等参数可以通过系统定期估测当前电离层模型、参考站计算及国际电离层预测指数等手段获取。定位基本流程图，如图4所示。

图4 定位基本流程图

1.3 定位传输计算

一般来讲，短波信道的传播损耗主要包括自由空间传播损耗，电离层吸收损耗、系统损耗、地面反射损耗等[7]，其中以自由空间传播损耗最大，电离层吸收损耗则与工作频率有关，通常高频率低于低频率。与普通无源定位系统的工作环境不同，信号从大型固定站到目标然后反射回接收站，经历了自由空间和电离层两种传输介质，具有很大的损耗，因此首先验证信号的传输距离。基于上述传输过程，参考天波雷达，可以得出计算系统探测距离(即电磁波在空中传输的射线距离)的方程为

(2)

式中，RP是目标定位时信号的射线距离，单位为m；Pav是短波台站发射平均功率，单位为W；Gt、Gr为短波电台发射天线与定位系统接收天线的增益；λ为发射信号波长；Tc为相干积累时间；σ为目标的散射截面积(RCS)。隐身目标在短波波段有明显的频率谐振特性、极化特性和较大的RCS[8]，其值约为10～30 dBm2；Pn=kT0Fa为每赫兹外噪声功率；S/N为检测目标所需的信噪比；Ls为系统损耗；Lp为电离层吸收损耗。

在短波通信系统，采用的天线型式主要取决于通信距离和电台开设的条件。对于中等距离2 000 km范围内，广泛采用弱方向性的水平对称振子，通常每副天线具有几个分贝的增益,且工作频率一般在2.3 MHz～20 MHz以内。在远距离、固定工作和高质量的短波通信系统，通常采用常见的菱形和对数周期等定向天线，通常每副天线具有10～20 dB的增益,同时为了减小在电离层传播损耗，通常采用高频段工作频率。

假设短波信号在中等距离和远距离传输时分别利用1E(反射点虚高约为100 km)和1F2(反射点虚高约为350 km)电离层单跳反射，且各频率点均能找到合适的仰角实现天波传输，并且接收机与短波电台位于同一位置区域或者辐射源到目标的大圆距离与接收站到目标的大圆距离接近。辐射源与接收机在同一区域的最大可定位距离,如图5所示。设在短波的低频段工作时电台天线增益Gt=5 dB,接收机天线增益Gr=20 dB,Pn=-170 dBW/Hz,Lp=10 dB,Ls=6 dB,S/N=10 dB,Tc=20 s,σ=20 m2，则可以得到目标可定位的最大距离与频率和发射功率的关系图，见图5(a)。短波台站在远距离通信时增加发射功率并采用定向天线，利用电离层的F2层进行反射实现天波传输。此时由于电台因采用定向天线，设Gt=18 dB，另外频率较高时电离层吸收损耗比低频率时小，令Lp=8 dB，得到如图5(b)的关系图。

图5 辐射源与接收机在同一区域的最大可定位距离

由图5(a)可见，当短波电台采用低增益天线且低功率实现短距离通信时，可定位的最大距离有限，而采用定向天线并且增加发射功率实施远距离通信，也因为高频率的传播损耗也大大增加，使得在上述功率条件下可定位距离基本不超过2 000 km，见图5(b)。由此可以认为，在对远距离目标进行定位时，需要选择离目标较近区域内的短波台站作为辐射源，这样能大大提高可定位的距离。

1.4 参考站

由前文可知，电离层模型会对目标定位精度产生较大影响。利用已知距离和方位的参考站对电离层模型进行实时修正，可以提高定位精度[9]。由于各短波台站通常采用定向天线与各自不同距离的电台进行通信，但是由于民用短波台站的天线并不具有非常严格的方向性，因此通常会照射到一个较广的角度区域内，所以可以利用多个短波台站对某一区域上的目标进行协同定位，并同时作为参考站，也可以自建部分合作短波台站，并通过建立数据库搜集和存储大型短波台站的信息。

电离层参数通常可共用范围为500 km，可以递推到1 000 km，所以短波台站位置根据监视的区域来选定，不同区域用不同台站，确保A、B两路信号的反射点基本一致。利用辐射源同时充当参考站时(图1)，可通过接收站测量发射站的信号A，并依据其精确位置等相关参数对电离层标准模型和回波的路径进行修正，然后用修正后的电离层模型来确定回波信号B的目标位置，从而提高目标的定位精度。主要包括以下几个步骤。

①检测到短波固定台站的信号A后，由接收站对该发射台对应的频率进行测向，获得其方位角和仰角后进行初始定位；

②搜索数据库并比对实际方位角，获取该短波发射台的经纬度，计算出发射台相对于接收站的真实方位和精确位置；

③根据发射站和接收站的经纬度和所测的仰角估计对该频率的电离层反射虚高等参数；

④若同时存在多个短波固定站的通信信号，则重复上述过程；

⑤依照参考站的实时电离层参数对目标的回波信号进行定位。

2 定位精度分析

方法中定位误差主要包括方位角、回波仰角测量误差和电离层虚高估计误差[10]，设接收站与目标之间连线方向为x方向，垂直方向为y方向。假设方位角误差很小，当目标回波信号经电离层反射单跳到达接收站时，按照理想球面的地球表面上目标点处y方向的定位误差可得

Δy≈Δφ·R·sin(RD/R)

(3)

对式(1)求导，可得目标点处x方向上的定位误差为

Δx=ΔRD=

(4)

由式(4)可以看出，距离估计误差主要两部分组成，前半部分为回波仰角造成的误差，而后半部分为反射虚高引起的误差。

假设各项测量误差相互独立且服从零均值的高斯分布，当各误差都相对很小时，定位精度可以表示为

(5)

下面对定位精度进行仿真分析，设方位角估计误差为1°，回波仰角估计误差为1°，反射虚高估计误差为10 km，则定位精度分布,如图6所示。

图6 定位精度GDOP分布

由图3可知，若不考虑短波电台辐射源位置对目标定位距离的影响，在反射点虚高100 km～400 km、来波仰角5°～50°范围时，接收站可实现对3 000 km以内的目标进行定位。由图6可知，上述范围内定位误差基本不超过100 km，相对精度基本在3%以内。

3 结 语

通过已有的电离层短波信号传输的大量试验数据，能够证明文中所假设的电离层传输模型的正确性。在此基础上，通过对传输距离和定位精度等的分析，进一步论证了该系统在原理上具有对超视距目标实现探测与定位的可行性。

天波超视距雷达对远程目标进行探测，通常只针对运动目标，且无法较准确地识别目标属性。本系统除了能通过对目标运动状态、多普勒频域等检测手段粗略识别目标以外，还可以通过现有侦察手段和功能，对定位和跟踪到的目标自身辐射的无线电信号持续进行检测和识别，甚至对其内涵信息进行解调监听，由此进一步判断和识别目标属性。

利用本研究的技术形成装备后与其他无源定位手段和天波雷达、微波雷达配合使用可构成大纵深防御立体观察系统，并为岸基指挥所提供早期预警情报，为航空兵和海上舰艇机动编队提供区域引导数据，为岸基导弹提供目标指示。由于由此构成的探测系统具有远距离探测能力，因此能够提供更长的预警时间、反低空突防、反隐身功能以及抗反辐射导弹攻击等优良特性，使其在军事领域中具备了广泛的应用前景和巨大的发展潜力。

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