基于5G基站信号的被动雷达无源定位方法分析∗

戴文瑞 王 锐 魏 巍

（陆军炮兵防空兵学院 合肥 230031）

1 引言

近年来围绕着应对低慢小飞行器带来的安全隐患，基于民用信号的无源被动雷达探测成为研究热点，另一方面随着5G通信技术的飞速发展，基于5G基站的外辐射源雷达的研究为探测低慢小目标带来了另一种可能，可以作为当前防空雷达的一种有益补充手段。目前大多研究中对于外辐射源雷达采用的定位方法主要是时差定位法，即利用个接收站对单个外辐射源照射到目标上的信号进行定位，这种方法需要设置多个站点，并且要保证不同接收站之间严格的信号同步，且5G基站作为外辐射源，其分布密集，未最大化发挥多辐射源的优势，时差定位法对于基于5G基站的外辐射源雷达并不能完美适用。本文针对5G基站布站密集、架设便捷的特点，在多源分布式时差定位方法基础上提出一种适用于基于5G基站信号的无源定位技术方法，该方法可适应多基站发射单接收站接收的定位方法，也可适用于多基站发射多基站接收，实现方法更为简单，部署方式更加灵活。

2 低慢小目标无源定位方法对比

无源定位方法按工作原理可分为两类，一类通过侦收目标本射辐射的信号进行定位，另一类是利用目标受非合作的外辐射源照射产生的散射信号进行定位［1］。而所谓低慢小目标是指体型较小、飞行速度慢、飞行高度低的空中目标，大多低慢小目标本身除较弱的通信信号外，本身不辐射电磁波。对低慢小进行无源定位只可采用外辐射源无源定位法。

外辐射源无源定位方法主要有DOA（测向定位）、时差定位（TDOA）、频差定位（FDOA）、时频差定位等。DOA（测向定位）通过多接收机测量目标辐射的电磁波角度，经多站交会进行定位，定位精度受测角精度影响较大，定位精度不高，且必须多接收机同时对目标辐射的信号进行测量。时差定位（TDOA）是通过多个接收站测量的辐射源到达时间差数据对辐射源定位，该算法对接收机对目标探测的方位信息要求不高，定位精度较高，但TDOA需要多站同时测量信号，并要求保证信号的同步传输。频差定位（FDOA）与时差定位类似，通过多个站测量目标辐射源和接收站之间由相对运动的多普勒频移差来定位，也需要多站保证信号的同步传输［3］。另外在TDOA和FDOA基础上发展起来的时频差定位法，定位精度更高，但也存在同样问题。

以上方法主要依靠多个接收站对单个外辐射源照射到目标上的信号进行定位，需要进行辐射源测向或多接收站信号同步等任务，但5G基站作为外辐射源，其分布密集，未最大化发挥多辐射源的优势，以上方法较适用民用广播外等站点较少的辐射源，对于5G基站外辐射源定位，可采用多源分布式定位法即T2R距离和椭圆定位法［2］，该方法利用单个接收站同时接收多个基站回波信号及直达波信号的相对时延差来对目标进行定位，有以下优势。

1）多源分布式定位能充分利用基站数量多的优势，提高定位精度；

2）接收站对辐射源方向不敏感，不需要进行辐射源方位测量，减小了测角设备消耗；

3）单个接收站即可完成以低慢小目标进行定位，无需多站信号同步；也可多个接收站协同定位，仅需保证通信畅通，无需多站信号同步；

4）利用5G基站外辐射信号，隐蔽性好，且无需目标自身辐射电磁波，可靠性高。

3 T2R多源分布式定位法

3.1 目标相对时延提取

5G基站作为外辐射源，辐射源和接收站之间无法建立同步链路，无法实现者间的时间频率同步，而是在接收端设计一个（或多个）参考接收通道，如图1红色箭头所示，截获辐射源的直达波信号sref(t)，另一通道接收经目标散射后的回波信号，如图1蓝色箭头所示，将直达波信号与目标的回波通道信号secho(t)进行相关处理，从而提取目标回波与直达波的相对时延差τ［1］。

图1 外辐射源雷达相对时延差示意图

5G基站采用蜂窝网络布站，每个基站天线为随机定向天线，不考虑基站天线发射波角度，接收站采用同时多波束技术，可同时接收和处理多个基站的回波信号与直达波信号，从而可得到多个基站对于目标回波与直达波的相对时延差τi。

因5G基站位置已知，可设基站与接收机距离为L，目标与基站距离为Rt，目标与接收站距离为Rr，又因低慢小目标一般飞行高度较低，为简化分析，下面以两个不同位置分析的基站辐射源为例，且目标、基站和接收站简化在一个双基础平面内进行分析，如图2所示，由距离关系可得：

图2 相对时延差距离关系图

即通过提取目标回波与直达波的相对时延差τ，可得目标与基站和接收站的距离和RSi。

3.2 T2R距离和椭圆定位法

设目标位置为[x , y]，接收站位置为[x0,y0]，两个基站位置分别为，则目标到接收站的位置距离为

目标到辐射源i(i=1,2)的距离ri为

可得目标与辐射源和接收站的距离和Rsi为

根据式（1）可知，Rsi可由相对时延差计算得出，由此可以确定一个等距离和的椭圆，两个基站与接收站确定两个椭圆即可定位目标位置，如图3所示。

图3 相对时延差距离关系图

建立直角坐标系，由于接收站为已方站，可设接收站位置为坐标原点，即x0=y0=0，代入式（4）简化可得：

即解得r0可能有两个值r01，r02，如果这两个值都小于0，则取正值为r0，如两个值都大于0，还存在定位模糊问题。

3.3 解决定位模糊问题

4 结语

本文针对基于5G信号的被动雷达所面对的无源定位问题，比较分析多种常用的无源定位方法，针对低慢小目标特点，结合基于5G基站信号的被动雷达目标时差提取实现方法，在综合分析对比多种无源定位方法的基础上，提出采用T2R距离和椭圆定位法对目标进行定位，并对该方法的基本原理和定位实现步骤进行了研究，最终实现对目标的无源定位。本文基于T2R距离和椭圆定位法的定位模糊问题进行了讨论，提出了解决定位模糊的几种方法，下一步在解决定位模糊、分析定位精度和目标跟踪算法上，还可以做进一步研究。