关于站间距离对无源时差定位精度的影响

曹悦

（中国船舶重工集团公司第七二三研究所 江苏省扬州市 225011）

无源时差定位属于重要的无源定位方式，也被称作双曲线定位，基于该方法的定位需处理侦查站采集到的信号到达时间测量数据。结合实际调研可以发现，时差测量误差、站址误差、站间距离等因素均会直接影响无源时差定位精度。为尽可能提升无源时差定位，正是本文围绕该课题开展具体研究的原因所在。

1 无源时差定位精度研究

以采用机载观测平台三维定位运动目标的无源时差定位为例，可确定时差测量误差、站址误差、各机载观测平台与目标的几何位置均直接影响定位精度，本节将围绕三方面内容开展深入探讨。

1.1 时差测量误差

时差测量误差的来源可细分为六个方面，包括接收机热噪声、站间同步误差、多普勒测量误差、信道时延、大气影响、本地时钟误差。接收机会在接收机热噪声影响下出现随机误差，这与接收信号载噪比的关系较为紧密，热噪声引起的随机误差与信号带宽、信号积分时间、信号与噪声谱密度比也存在紧密关联，如在4*65kHz的信号带宽、50dBHz 的信号与噪声谱密度比、50ms 的信号积分时间下。存在约12ns 的热噪声时差测量误差，在信号与噪声谱密度比为40dBHz 时，该误差为40ns；分析GPS 单点时间传递可以发现，对流层及电离层延迟误差、卫星星历误差、卫星时钟误差均会直接影响时间同步精度，这类误差在两机载观测平台间开展时间对比时还会进一步放大，高精度时间比对要求无法满足，站间同步误差将随之出现，为减弱和消除相关误差影响，多采用GPS 同源共视技术。多个机载观测平台可基于GPS 同源共视法实现时间同步，观测同一颗卫星的同源共视法可消除卫星时钟钟差，两站的延迟之差等同于对流层及电离层延迟，对于相距不远的两机载观测平台，可近似认为两站的对流层及电离层延迟相等，这种延迟带来的影响基本消除，此时信号传播路径不存在误差。具体的同源共视时间传递需保证两机载观测平台存在相同的数据处理软件、天线长度和接收机类型，以此减小相关误差，此时仍存在接收机和卫星位置不准确引起的误差。对于相隔几十千米的两机载观测平台、20183km 的GPS 卫星轨道高度进行分析可以发现，时差测量误差受到的同源共视后卫星星历误差影响较小，但接收机位置误差带来的影响扩大2倍，可见同源共视时间对比精度直接受到接收机位置误差带来的深远影响，如GPS 接收机位置坐标无法精密测定，接收机位置误差带来的时差测量误差在30ns 左右[1]。

图1：常见的无源时差定位系统构成

由于机载观测平台与目标间存在相对运动，多普勒频率对时差测量带来的影响也需要得到重视。对于不断发生变化的目标飞行速度来说，机载观测平台与目标间的相对位置会随之变化，此时存在实时变化的多普勒频率及变化率，多普勒频差补偿在针对性选取相应措施完成后，多普勒频率残余量仍存在。如存在500Hz 的多普勒频差，多普勒频差补偿采用互相关法与自相关法相结合的多普勒频差估计方法，此时存在约0.0004Hz 的残余多普勒估计均值以及0.0021Hz 的均方差，时延差估计精度带来的影响在这种情况下可忽略；信道时延源于接收机滤波器群时延变化，群时延会随带宽变窄而变大，属于系统误差的绝对时延可基于标校修订，但随机的时延变化无法应对，一个接收机信道时延变化一般为5ns；围绕大气影响进行分析可以发现，对于属于不均匀介质的大气来说，大气中传播的电波会出现折射效应，此时电波存在小于光速的传播速度以及出现弯曲的传播路径。在较低目标飞行高度下，电离层延迟不存在，对流层延迟属于主要的大气延迟，由此开展的对流层大气折射分析需围绕海拔高度上的大气折射率、地面海拔高度、指定海拔高度、地面大气折射率、大气层大气层、近地面的折射率梯度等参数进行分析。假设目标相对于两机载观测平台的俯仰角分别为θ1、θ2，为计算大气对流层对两机载观测平台造成的时延值，需对目标到两机载观测平台的时延差进行观测，即两机载观测平台的大气折射误差之差为影响时差测量误差的因素，由此便可以开展具体计算；分析本地时钟误差可以发现，对于需要实现ns 级高精度时间测量的无源定位系统来说，秒以下的高精度的数字钟发挥着关键性作用，对于仅能提供秒以上时间信息的GPS 接收机来说，需基于本地时钟作为秒以下的数字钟，本地秒以下的时钟通过GPS 接收机送出的1PPS 脉冲信号同步，以此测量高精信号与信息处理度时间。对于采用200MHz 晶振的秒以下的时钟，存在5ns 的机载观测平台本地时钟量化误差。本地秒以下时钟的不稳定和不准确带来的误差同样属于本地时钟误差，这类误差的积累会持续到1PPS 信号到来，因此需要高稳定度和高准确度的晶振，如采用铷原子钟，稳定度、1s内造成的时差分别为1×10-12、1×10-12×1s，此时可忽略时差测量的影响，仅存在5ns 的本地时钟误差。开展总误差分析，结合接收机热噪声、站间同步误差、多普勒测量误差、信道时延、大气影响、本地时钟误差进行综合分析，可得到9m 的多站无源时差定位总时差测量误差，由此即可为无源时差定位精度研究提供依据[2]。

1.2 站址误差

在机载观测平台位置坐标已知前提下，定位误差会由机载观测平台位置坐标误差直接产生，而在最终的目标解算中，定位解算的算法与该误差影响大小也存在密切关联。对于直升机平台的无源时差定位系统机载观测平台来说，机载观测平台位置坐标误差会因机载观测平台的机动性而放大。如存在50ms 的观测信号长度和15m/s 的直升机平台运动速度，此时会产生0.75m 的站址误差。GPS 接收机能够给出米量级的站址信息定位误差，通过对2 个误差来源进行综合，在预留一定误差余量的前提下，可得带5m 左右的总站址误差，这一结果同样可服务于无源时差定位精度研究。

1.3 定位精度仿真分析

结合定位原理进行分析可以发现，站址布局方式、站址误差、时差测量误差均会影响目标的定位精度。在无源时差定位系统中，采用三角形布站的3 架直升机观测平台，在190km×110km 范围内应用matlab 软件仿真观测范围内3 个机载观测平台的位置，在10km 目标高度值时，基于5m 的站址误差、30ns 的时差测量误差进行仿真，由此可发现目标定位精度越靠近3 个机载观测平台布局中心位置，则存在越高的定位精度。基于上述分析，为提高无源时差定位精度，需考虑站间同步误差、多普勒效应、接收机热噪声带来的影响，如通过控制GPS 接收机的位置误差即可降低站间同步误差影响，高精度多普勒频差补偿可实现多普勒效应误差影响降低，优化布站方式并缩小机载观测平台站址误差也能够有效提升目标定位精度。考虑到定位精度受到的站址误差影响，目标定位精度改善可采用精密测定机载观测平台站址方法，这同样需要得到业内人士重视[3]。

2 站间距离对无源时差定位精度的影响分析

2.1 基本分析

对于本身不发射电磁波且依靠接收目标发射信号工作的无源时差定位系统来说，其本身具备隐身和反隐身特性，电子对抗环境下无源时差定位系统的生存能力较强，这使得其在现代电子战中能够发挥重要作用。时差定位需采用同时接收目标辐射源信号的多个接收机，由于辐射源的发射时间无法被接收机确定，因此需对信号到达不同接收机的时间差进行测量，图1为常见的无源时差定位系统构成。

结合图1进行分析可以发现，在主站同步信号和控制信号的控制下，存在同时接收辐射源信号的主站和副站，接收到信号的副站会基于微波转发系统向主站传送信号，结合主站接收到的信号，主站实时定位系统可实现时差提取，定位航迹也可通过数据融合形成。对于相同的站位置精度，主站与副站之间的距离直接影响信号传输时间，电磁波在主站与副站之间的距离确定的条件下是固定的，虽然无源时差定位系统的时差计算会将主站和副站间的信号传输时间扣除，但系统定位仍会受到主站与副站之间的距离影响，因此本节将重点围绕定位精度受到的主站与副站之间的距离影响进行研究，以此提升阵地选择科学性。站址误差、目标和各侦察站的几何位置会直接影响无源时差定位系统的定位精度，由此进行分析可以发现，辐射源到侦察站的相对位置与定位误差大小存在直接关联，侦察站自身位置误差与时差测量误差存在直接关联，同时两副站间距离的增大会导致侦察站与目标相对位置有关角度增大，而对于中垂线上固定某一点时的目标位置来说，为增大侦察站与目标相对位置角度，必须设法增加站间距离，由此开展针对性计算可确定其他同等条件下站间距离与无源时差定位误差存在直接关联。如目标在中垂线上，且目标距离、站间距离、站址误差、时差测量误差分别为250km、20km、1m、30ns，且两侦察站与目标相对位置有关角度均为30°，两侦察站与目标的距离相同，由此开展针对性仿真可以确定，在站间距离从30km 缩小至20km 时，无源时差定位系统的定位精度增大了1 倍，由此可直观了解站间距离对无源时差定位精度的影响，站间距离越大则无源时差定位系统的定位精度越高。

3 结论

综上所述，站间距离对无源时差定位精度的影响较为深远。在此基础上，本文涉及的时差测量误差、站址误差、定位精度仿真分析、站间距离对无源时差定位精度的影响分析等内容，则从多角度探讨了无源时差定位精度受到的各类因素影响。为设法提升无源时差定位精度，微波传输要求前提的满足、阵地的合理选择、机载观测平台的合理应用同样需要得到重视。