塔康系统单站无源侦测定位研究

2017-05-03贺杰,张斌,来磊

弹箭与制导学报 2017年5期

贺杰, 张斌, 来磊

(空军工程大学信息与导航学院, 西安 710077)

0 引言

塔康是战术空中导航(tactical air navigation)英文缩写TACAN的音译名称,是美国在50年代初研制成功的军用战术飞机专用近程无线电导航定位系统[1]。目前,有30多个国家的军航在使用塔康系统,在大部分军用飞机上都装备有塔康机载设备,应用十分广泛。因此开展对塔康机载设备的信号侦测,从而获取敌飞机位置信息,以完成对敌打击等任务,具有重要的军事意义。

传统对塔康机载设备的侦测定位可采用无源多站时差定位技术,但系统较为复杂,对各分站同步要求极高,且需各分站协调工作,分站之间的数据通信对其无源特性有较大影响[2];也可采用单站定位,但对动目标侦测时需要观测站运动,有较大局限性[3]。

文中采用侦测无人机搭载侦测设备,利用测距时,塔康机载询问和地面塔康信标应答机的工作原理和规律,提出了塔康机载设备单站无源侦测相关定位研究,在地面塔康信标和侦测无人机位置已知情况下,通过测量敌机机载询问和地面应答信号到达时间以及询问和应答信号的方位,实现对敌机的定位。该方法可增大侦测范围和机动性,避免了复杂的时间同步,减少系统复杂度。仿真结果表明该方法具有较高的定位精度,可实现对敌机的侦测定位。

1 塔康系统测距基本原理[1]

塔康系统测距采用询问应答式双程脉冲测距技术。系统工作时,机载设备发出测距询问信号,询问信号以光速c经过时间tR到达地面测距应答器,测距应答器经译码、固定延时tτ、编码、调制后发射测距应答信号,应答信号经过时间tR到达机载系统,测距原理如图1所示。

总的时间间隔为:T=2tR+tτ,距离为R=c(T-tτ)/2。

2 侦测原理

塔康是二维定位系统,对其机载设备侦测定位原理如图2所示。

图中以侦测飞机为坐标原点建立直角坐标系XOY,R1、R2、R3分别为三者两两之间的距离,(x,y)、(x2,y2)分别为被侦测飞机和地面信标的坐标。θ为被侦测飞机和地面信标相对于侦测飞机的夹角,β为地面信标与侦测飞机的连线与X轴的夹角,易知:

(1)

设被侦测飞机发出询问信号的时刻为t0,侦测飞机接收到询问信号和地面塔康信标的回答信号的时刻分别为t1、t2,根据电波传播规律、余弦定理和两点间距离公式可得:

c(t1-t0)=R1

(2)

c(t2-t0-tτ)=R2+R3

(3)

(4)

式中:c=3×108m/s,为电波的传播速度,tτ=50 μs,为应答机的固定处理延时[1]。由(2)、(3)两式相减可得:

R3-R1=c(t2-tτ-t1)-R2

(5)

由此可见,目标位置是到地面信标和侦测飞机距离差一定的点,这个点形成的轨迹是双曲线位置线,而侦测飞机和目标形成的是直线位置线,两者的交点即为目标位置,可以实现对目标的定位。

侦测飞机位置可通过GPS或北斗卫星导航定位系统获得,为已知量。针对地面塔康信标,由于塔康系统信号体制也是公开的,对塔康系统地面信标位置的获得可以利用其测角、测距原理实现,因此(x2,y2)也是已知的。侦测飞机可通过干涉仪测向技术[4]得到被侦测飞机相对于侦测飞机和地面信标的角度θ,t1、t2也可相应测得。

由式(1)～式(4)联立可解得目标位置为:

(6)

可见,通过询问-应答规律可以实现对被侦测飞机的定位。

3 定位误差

3.1 位置线定位误差描述

实际电磁环境复杂多样,系统及测量误差不可避免,必然导致得到的询问、回答信号到达时间和来波方向存在误差,两位置线的交汇点会在一个不确定区域,如图3所示。

由于测向及测时系统的误差引起的定位误差,导致定位点在真实位置周围散布,图中不确定区域的大小说明了定位的误差情况,不确定区域越大,定位误差越大,定位精度越低。在描述定位精度时,这里用圆概率误差(circular error probable,CEP)衡量,其定义为:以目标点为圆心,弹着概率为50%的圆域半径,记为CEP[5]。其反应了定位点系统误差和散布误差的总和,满足式(7)的R即为CEP。

(7)

其近似关系为[6]:

CEP=0.615σx+0.562σy

(8)

式中:σ1、σ2为横向、纵向定位点误差的标准差;ρ为横纵向定位误差的相关系数;f(x,y)为横、纵向定位误差的联合概率密度函数。