无人机载多站时差定位系统分析

张晓东

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所,江苏 扬州225101)

0 引 言

现代战争中,各军事强国越来越多地利用无人机的特点进行战场侦察监视,获取战场主动权。雷达侦察任务载荷作为一种安装于无人机上的常用侦察设备,能够实现无人机对雷达辐射源目标的侦察和定位[1-2]。利用无人机侦察载荷对目标进行无源定位,能为多项军事活动提供支持。机载侦察平台无源定位技术将成为决定今后战争中战场主动权的关键技术之一。

考虑到单架无人机执行无源定位任务存在一定的局限性,采用多架无人机进行协同无源定位成为一种趋势[3]。目前多架无人机进行协同无源定位一般采用时差定位法。

本文以3个机载平台为例,对机载多平台时差定位进行原理分析,并分析了对时差定位精度造成影响的因素,以及系统的平台构型对定位精度产生的影响,将机载多平台时差定位系统对海面目标进行定位的情况进行了仿真分析。

1 机载多平台时差定位法原理

时差定位法又称为双曲线定位法,是通过处理多架无人机接收到的目标辐射源信号到达时间差数据对目标进行无源定位的[4]。机载三平台时差无源定位的示意图如图1所示。

图1 机载多平台时差无源定位示意图

无人机载主侦察平台负责侦察以及组织全系统的电子侦察活动,同时控制各子平台的侦察策略同步。副平台无人机在主平台的指挥协调下,完成对所在区域信号的侦测,并将各自侦收到的信号特征参数转发至主平台无人机[5-6]。主平台无人机对各侦察平台上报的侦测数据进行综合分析、相关识别、定位[7]。各无人机载侦察平台间的实时数据传输通过加密的无线通信链路完成。

2 机载多平台时差定位法定位精度推导与分析

机载三平台时差定位法的各站分布示意图如图2所示,定位精度用几何精度因子(GDOP)来表示:

定位误差的圆概率误差可表示为:

式中:σx、σy表示x,y方向上的定位标准差。

图2 三站分布示意图

令(CTC)-1CT=B=(bij)2×2,由于各时间差测量中都包含有主站测量到达时间的误差,也即各时间差测量中都包含有共同的误差因素,因此各Δt的观测误差是时间相关的。设定时间测量误差系统误差修正后是零均值的,且站址误差各元素之间及各站址误差之间互不相关,则定位误差的协方差为:

时差定位系统定位误差主要由系统测量到达时间(TOA)误差、站址误差和各站与目标相对位置决定,在目标相对各站位置一定的条件下,定位误差主要取决于系统授时误差和系统测量辐射源信号TOA误差。同时,机载平台构型对定位精度也会产生一定的影响。

3 定位精度仿真分析

通过仿真对机载三平台时差定位系统对海面目标所能达到的精度以及其平台阵型对定位精度的影响进行分析。

对海侦察采用如图3所示阵型,此时2个副平台在距离海平面5 km高度巡航,主平台在距里海平面3 km高度巡航,3个平台呈倒挂的等腰三角形排布,三角形平面垂直海平面。

图3 对海侦察示意图

3架无人机平台协同侦察定位时,在时间同步误差为20 ns、无人机位置误差为10 m,无人机主副平台间基线为10 km、基线夹角为120°的情况下,对距离200 km的海面目标定位误差分布如图4。图中无人机平台距离目标200 km时的定位误差为10 km,当侦察距离减小到100 km时,定位误差为3.5 km。

在时间同步误差为20 ns、无人机位置误差为10 m、无人机主副平台间基线为30 km、基线夹角为120°的情况下,对距离200 km的海面目标的定位误差分布如图5所示。

图4 无人机主副平台间基线为10 km的情况下的定位误差分布

图5 无人机主副平台间基线为30 km的情况下的定位误差分布

由图4和图5可以看出,无人机主副平台间基线越长,定位精度越高。

当3架无人机以等边三角形在空中巡航,三角形边长为30 km,2架副机巡航高度5 km,主机巡航高度3 km,在时间同步误差为20 ns、无人机位置误差为10 m的情况下,对距离200 km的海面目标的定位误差分布如图6所示。

根据仿真图可以分析得出以下结论:当基线角为60°时,系统定位误差远高于基线角为120°时的定位误差。因此,基线角的增加可以提高定位精度。采用机载三平台时差定位系统对海面目标进行定位,当无人机主副平台间基线为30 km、基线角为120°时,对距离200 km的海面目标的定位误差可以达到1.2 km,定位精度很高。

4 结束语

图6 无人机主副平台间基线为30 km的情况下的定位误差分布

本文对无人机载多平台时差定位法的原理进行了阐述,对时差定位系统的定位误差进行了推导,分析了对时差定位精度造成影响的因素,分析了系统的平台构型对定位精度产生的影响,将机载多平台时差定位系统在不同条件下对海面目标进行定位的情况分别进行了仿真分析。通过仿真得出如下结论:在各机载平台时间同步误差及位置误差控制较好的前提下,选择优化的平台构型,对目标的定位精度可以达到很高的水平,能够满足现代作战的需要。