基于干擾信號的協(xié)同探測定位方法?

朱林，方勝良，楊?。?通信信息控制和安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江嘉興34033；.解放軍電子工程學(xué)院，合肥30037）

基于干擾信號的協(xié)同探測定位方法?

朱林1，2，??，方勝良2，楊健1
（1.通信信息控制和安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江嘉興314033；2.解放軍電子工程學(xué)院，合肥230037）

干擾探測一體化是發(fā)展精確電子戰(zhàn)的一項(xiàng)新技術(shù)。針對一體化信號的波形特點(diǎn)，以距離方位角測量和脈沖時間間隔測量為關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一體化信號的接收及處理。然后提出了基于干擾信號的3種協(xié)同探測定位模式，給出了定位算法及定位精度分析。最后，通過仿真分析給出了3種定位方法的定位精度，驗(yàn)證了算法的可行性和有效性。

電子戰(zhàn)；干擾探測一體化；協(xié)同探測定位；精確定位

1 引言

隨著以電子戰(zhàn)為主導(dǎo)的信息化戰(zhàn)爭的快速發(fā)展，電子戰(zhàn)已經(jīng)貫穿于現(xiàn)代戰(zhàn)爭的整個過程，而雷達(dá)與干擾機(jī)在電子戰(zhàn)的發(fā)展中始終保持著重要的地位，尤其是非常規(guī)或者局部區(qū)域作戰(zhàn)時，快速的作戰(zhàn)節(jié)奏對雷達(dá)與干擾機(jī)提出了越來越高的要求。2009年8月24日，美國防高級研究計(jì)劃局（DAPRA）啟動“精確電子戰(zhàn)”（PREW）項(xiàng)目［1］，旨在演示驗(yàn)證一種能定位敵方電子設(shè)備，阻止其通信并同時對己方干擾極小的外科手術(shù)式電子干擾系統(tǒng)。由此可見，探測定位與干擾手段相結(jié)合的電子對抗設(shè)備將成為未來電子戰(zhàn)研究的一個重要方向。

國內(nèi)外學(xué)者對干擾探測一體化也開展了廣泛的研究。美國空軍已將F-22機(jī)載雷達(dá)和干擾機(jī)在部分頻域?qū)崿F(xiàn)一體化；文獻(xiàn)［2］研究了幾種可用的一體化波形，并對其干擾性能和探測性能進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)［3］提出了P頻段噪聲干擾與雷達(dá)一體化系統(tǒng)設(shè)想，并評估了一體化系統(tǒng)對F-22的探測性能；文獻(xiàn)［4］提出了一種一體化信號的優(yōu)選策略。以上文獻(xiàn)均是對一體化信號的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)展開研究的，本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)之上，著重研究了一體化信號接收及處理，并提出了基于干擾信號的協(xié)同探測定位方法。

2 一體化信號接收及處理

一體化信號必須是同時具有干擾與探測功能，因此必須同時滿足兩個基本要求：一是能夠完成對雷達(dá)的有效干擾功能，可實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)的壓制性干擾和欺騙式干擾；二是能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)的探測功能，可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的測向和測距功能。一體化信號可以分為兩類：第一類是在干擾信號上疊加探測信號的一體化信號；第二類是同時具有探測性和干擾性的隨機(jī)信號。文獻(xiàn)［2］已對兩類一體化信號的基本性質(zhì)、探測性能和干擾性能進(jìn)行了深入的分析研究，這里不再贅述，本節(jié)主要研究對干擾探測一體化信號的接收及處理。

對干擾探測一體化波形的接收及信號處理分為兩類：一是對第一類疊加信號首先經(jīng)過濾波，屏蔽掉干擾成分保留回波中的探測信息，再對其進(jìn)行檢波、放大等處理，檢測目標(biāo)回波，判定目標(biāo)存在；二是對第二類干擾回波信號首先與經(jīng)過數(shù)字延時的一體化信號包絡(luò)進(jìn)行相關(guān)接收，然后對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行旁瓣壓制，檢測其相關(guān)峰，判定目標(biāo)存在。干擾回波接收及信號分析處理如圖1所示。

信號處理部分按照有源探測處理方式和無源偵察處理方式分別進(jìn)行信號處理。有源信號處理主要采用匹配濾波、窄帶數(shù)字波束形成、多普勒濾波、恒虛警檢測以及測角等工作輸出目標(biāo)信號的方位信息和距離信息，同時對由不同發(fā)射機(jī)所確定的目標(biāo)位置信息進(jìn)行融合處理；無源信號處理部分主要采用寬帶數(shù)字波束形成、基于盲時-頻分析方法的信號檢測和參數(shù)估計(jì)確定目標(biāo)輻射源的脈間參數(shù)；同時結(jié)合雷達(dá)脈內(nèi)細(xì)微特征參數(shù)，完成雷達(dá)個體識別。

2.1 距離方位角測量

（1）互相關(guān)距離測量方法

對距離的測量可以通過測量干擾站直達(dá)波與目標(biāo)干擾回波的時差Δt，再乘以光速c來計(jì)算：

通常情況下，目標(biāo)與中心站一般不被干擾站的發(fā)射天線主瓣同時覆蓋，直達(dá)波往往來自干擾站的旁瓣輻射，因此要求中心站能夠從干擾站旁瓣中連續(xù)截獲直達(dá)波信號。若直達(dá)波和目標(biāo)散射回波受雜波和噪聲的干擾較為嚴(yán)重，可以通過互相關(guān)處理技術(shù)來提高時差的測量精度。

（2）比幅單脈沖方位角測量方法

目標(biāo)方位角是中心站、目標(biāo)的連線與基線的夾角，記為θR。當(dāng)中心站采用定向搜索天線或陣列天線時，利用比幅單脈沖等技術(shù)可以同時確定直達(dá)波與目標(biāo)干擾回波的到達(dá)角，從而可以確定中心站目標(biāo)方位角θR。有時中心站為了設(shè)計(jì)簡單采用全向天線，此時無法直接測得θR，只能通過其他參數(shù)間接計(jì)算得到。

2.2 脈沖時間間隔高精度測量

本文研究一種基于銣原子鐘的高精度脈沖時間間隔測量方法，該方法使用高準(zhǔn)確度銣原子鐘作為量化時鐘，采用電子計(jì)數(shù)法完成脈沖時間間隔大周期的測量；采用雙通道ADC對高準(zhǔn)確度銣原子鐘產(chǎn)生的基準(zhǔn)正交信號進(jìn)行采樣，獲得采樣點(diǎn)的幅度值，進(jìn)而計(jì)算出對應(yīng)的相位信息，通過相位信息求取電子計(jì)數(shù)法的量化誤差，從而高精度測量出脈沖時間間隔，該方法的時間間隔測量精度能夠達(dá)到皮秒量級。具體實(shí)施方法流程圖如圖2所示。

具體算法流程如下：

（1）采用高準(zhǔn)確度銣原子鐘產(chǎn)生3路信號：一路信號為方波信號，作為量化時鐘；另外兩路信號為幅度相同的正交信號，一路為正弦信號，一路為余弦信號，相位相差90°；3路信號的頻率相同，均為f；

（2）對銣原子鐘產(chǎn)生的量化時鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)谝粋€待測脈沖到來時，輸出此時刻的計(jì)數(shù)值m，得到第一個待測脈沖TOA的高位值m·T0，其中T0＝1／f為時鐘頻率對應(yīng)的周期；同時，待測脈沖同步觸發(fā)雙通道ADC對頻率為f的正交兩路信號進(jìn)行采樣，獲得采樣點(diǎn)A1、A2的幅度值PA1、PA2；

（3）根據(jù)采樣點(diǎn)的幅度值PA1、PA2，求取其對應(yīng)的相位φA，計(jì)算公式為φA＝arctg［PA1／PA2］；

（4）當(dāng)下一個待測脈沖到來時，計(jì)數(shù)器輸出此時刻的計(jì)數(shù)值n，得到第二個待測脈沖到達(dá)時間的高位值n·T0，其中T0＝1／f為量化時鐘頻率對應(yīng)的周期；同時，待測脈沖同步觸發(fā)雙通道ADC對頻率為f的正交兩路信號進(jìn)行采樣，獲得采樣點(diǎn)C1、C2的幅度值PC1、PC2；

（5）根據(jù)采樣點(diǎn)的幅度值PC1、PC2，求取其對應(yīng)的相位φC＝arctg［PC1／PC2］；

（6）參照圖3，第一個待測脈沖與第二個待測脈沖之間的時間間隔Tx的值表示為

3 基于干擾信號的協(xié)同探測定位模式及算法

本方法是基于多干擾站、分布式、網(wǎng)絡(luò)化工作的原理，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的干擾、探測定位。因此，除了單部干擾機(jī)完成干擾、探測功能外，基于網(wǎng)絡(luò)連接的多部干擾機(jī)協(xié)同工作并完成對目標(biāo)的定位與跟蹤技術(shù)是其核心問題。本文主要討論有源工作模式下的協(xié)同定位技術(shù)。

3.1 多發(fā)一收模式下的協(xié)同探測定位算法

多發(fā)一收模式下，系統(tǒng)常規(guī)配站方法（以4個干擾站為例）如圖4所示。3個干擾站接收目標(biāo)直達(dá)波信號，通過無源定位方法對目標(biāo)進(jìn)行測向、識別，并將方位信息和目標(biāo)特征參數(shù)報送到中心干擾站，引導(dǎo)干擾站對其進(jìn)行干擾。

中心干擾站既可以接收3個干擾站輻射到目標(biāo)的干擾回波信號，又可以接收目標(biāo)的直達(dá)波信號。通過目標(biāo)回波信號可構(gòu)建橢圓方程組對目標(biāo)進(jìn)行定位；通過目標(biāo)直達(dá)波信號可以對目標(biāo)定位也可以識別目標(biāo)相關(guān)特征參數(shù)。通過關(guān)聯(lián)可以將有源的高精度定位和無源的平臺識別結(jié)合起來，高效地定位跟蹤目標(biāo)。

設(shè)T0為中心干擾站，其他3個干擾站Ti（i＝1，2，3）的探測信號經(jīng)目標(biāo)反射到達(dá)中心干擾站所需時間為ti，則系統(tǒng)的量測方程為

式中，c表示光速。對上式的方程組利用最小二乘法對目標(biāo)位置（x，y，z）進(jìn)行求解［4］，得到3個方程組成的非線性方程組

為了方便起見，將式（2）表示為AX＝F。欲求解這個方程組，首先將r0看作是已知量，從而解得x、y、z是r0的線性函數(shù)：X（r0）＝（ATA）－1ATF，然后再將x（r0）、y（r0）、z（r0）代入r0的求解方程求出r0，再將r0代回上式利用最小二乘法＾X＝（ATA）－1ATF求出目標(biāo)位置（x，y，z）。

下面對該定位系統(tǒng)的誤差進(jìn)行分析［5］，對式（1）的兩邊進(jìn)行微分：

各干擾站的時間測量是相互獨(dú)立的，測量誤差之間互不相關(guān)，又假定時間測量誤差經(jīng)過系統(tǒng)誤差修正后是零均值的，站址誤差各個分量d xi、d yi以及各站址間誤差互不相關(guān)，且E［（d ti）2］＝σ2t，E［（d xi）2］＝E［（d yi）2］＝σ2s（i＝0，1，2，3），則定位誤差協(xié)方差矩陣為

則中心干擾站的定位精度為

3.2 一發(fā)多收模式下的協(xié)同探測定位算法

一發(fā)多收模式下，系統(tǒng)中的干擾站只有一個處于有源干擾狀態(tài)，其他站均處于無源狀態(tài)。系統(tǒng)常規(guī)配站方法如圖5所示。處于有源狀態(tài)的干擾站發(fā)射干擾信號，并接收目標(biāo)輻射源的直達(dá)波信號，將位置信息和目標(biāo)特征參數(shù)報送到中心干擾站。處于無源狀態(tài)的干擾站既可以接收目標(biāo)的干擾回波信號，又可以接收目標(biāo)的直達(dá)波信號。通過目標(biāo)回波信號可構(gòu)建橢圓方程組對目標(biāo)進(jìn)行定位；通過目標(biāo)直達(dá)波信號可以對目標(biāo)定位也可以識別目標(biāo)相關(guān)特征參數(shù)。

設(shè)T0為處于有源狀態(tài)的干擾站，T0發(fā)射的干擾信號經(jīng)目標(biāo)反射至其他3個干擾站Ti（i＝1，2，3）所需時間為ti，則系統(tǒng)的量測方程為

式中，c表示光速。通過求解上面的聯(lián)立方程組，可對目標(biāo)（x，y，z）進(jìn)行定位。

可見一發(fā)多收模式的量測方程形式和多發(fā)一收模式的量測方程一致。由于量測方程與多發(fā)一收模式一致，故該模式的定位精度分析與多發(fā)一收模式也是一致的，這里不再贅述。

3.3 多發(fā)多收模式下的協(xié)同探測定位算法

系統(tǒng)常規(guī)配站方法如圖6所示，系統(tǒng)采取區(qū)域部署的方法，多個干擾站交錯配置，以覆蓋整個防御區(qū)域。

設(shè)系統(tǒng)中有多個干擾站，在多發(fā)多收模式下，其中處于有源狀態(tài)發(fā)射干擾信號的干擾站有m個，分別設(shè)為T1i（x1i，y1i，z1i）（i＝1，2，…，m），處于無源狀態(tài)的干擾站有n個，分別設(shè)為T2j（x2j，y2j，z2j）（j＝1，2，…，n），干擾站T1i發(fā)射的干擾信號經(jīng)目標(biāo)反射至干擾站T2j所需時間設(shè)為tij，則系統(tǒng)的測量方程為

如果m≥3，則可將上述量測方程劃分為n個子系統(tǒng)Sj（j＝1，2，…，n），即

對子系統(tǒng)Sj（j＝1，2，…，n）量測方程求解，得到m個方程組成的非線性方程組

其中：

n個子系統(tǒng)可得到n個目標(biāo)估計(jì)值，每個子系統(tǒng)的定位精度分析類似于多發(fā)一收模式。對這n個子系統(tǒng)進(jìn)行馬爾可夫組合估計(jì)，即可得到最終的目標(biāo)估計(jì)值和定位精度。

4 仿真分析

根據(jù)以上3種算法研究結(jié)果，可以得到系統(tǒng)在不同干擾站數(shù)目及不同布站條件下的定位精度。針對某一作戰(zhàn)行動設(shè)置3種布站方案：方案一采用3發(fā)1收模式（4個干擾站）組網(wǎng)布站，干擾站呈圓周上星形布站，中心站部署在圓周中心；方案二采用1發(fā)3收模式（4個干擾站）組網(wǎng)布站，干擾站呈圓周上星形布站，處于有源狀態(tài)的干擾站部署在圓周中心；方案三采用3發(fā)3收模式（6個干擾站）組網(wǎng)布站，處于有源狀態(tài)的干擾站呈正三角形布站，處于無源狀態(tài)的干擾站呈倒三角形布站。各干擾站與中心站之間的基線長度設(shè)置為1 000m，測時精度為0.5 ns，站址誤差為0.3m，目標(biāo)高度為5 000m，目標(biāo)距系統(tǒng)不同距離下的系統(tǒng)平面定位精度如圖7所示。

從仿真結(jié)果可以看出，基于干擾信號的協(xié)同定位技術(shù)的3種定位模式均保持了較好的定位精度。其中3發(fā)1收模式與1發(fā)3收模式由于采用一致的測量方程及定位算法，故具有相同的定位精度；但1發(fā)3收模式只有中心干擾站處于有源狀態(tài)，從安全的角度考慮，1發(fā)3收模式比3發(fā)1收模式具有更好的隱蔽性，安全可靠性更高。3發(fā)3收模式可以看作是多系統(tǒng)的多發(fā)一收模式，通過對每個系統(tǒng)進(jìn)行馬爾可夫組合估計(jì)，所以其定位精度要優(yōu)于其他兩種模式。當(dāng)然，該模式對系統(tǒng)布站配置要求較高，隱蔽性相對較差。

5 結(jié)束語

本文在實(shí)現(xiàn)了一體化信號接收及處理的基礎(chǔ)之上，提出了基于干擾信號的協(xié)同探測定位模式及算法，仿真結(jié)果顯示其具有較好的可行性和有效性，對雷達(dá)與干擾機(jī)一體化的發(fā)展具有重要參考價值。由于受到測時精度和站址誤差的影響，基于干擾信號的定位算法的目標(biāo)定位精度還有待進(jìn)一步的提高，主要原因來自于一體化信號的設(shè)計(jì)以及一體化信號接收及處理方法。在下一步的工作中可以對這方面進(jìn)行相關(guān)研究，從而進(jìn)一步提高目標(biāo)的定位精度。

［1］李德智，楊繼何，孟宏濤.探析美軍“精確電子戰(zhàn)”項(xiàng)目計(jì)劃［J］.外軍信息戰(zhàn)，2010（1）：18－20. LIDe-zhi，YANG Ji-he，MENG Hong-tao.Analysis on U.S. Military PREW Project Plan［J］.Foreign Military Information Warfare，2010（1）：18－20.（in Chinese）

［2］鐘王番.雷達(dá)探測與干擾一體化信號的研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2010. ZHONG Fan.Research of Radar Detection and Jamming Integration signal［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2010.（in Chinese）

［3］唐曉東.干擾與雷達(dá)一體化系統(tǒng)及信號共享［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2012，34（7）：5－11. TANG Xiao-dong.The Integrated Jammer and Radar SysteMand Their Signal Sharing［J］.Modern Radar，2012，34（7）：5－11.（in Chinese）

［4］邵春平，唐霜天.雷達(dá)干擾機(jī)一體化共享信號的優(yōu)選設(shè)計(jì)研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010，26（10）：208－210. SHAOChun-ping，TANG Shuang-tian.Optimization Research of Radar and Jammer Integration Share Signal Design［J］.Microcomputer Information，2010，26（10）：208－210.（in Chinese）

［5］何東林，吳宏剛，王洪，等.目標(biāo)高度對廣域多點(diǎn)定位系統(tǒng)精度的影響［J］.電訊技術(shù)，2012，52（10）：1619－1623. HEDong-lin，WU Hong-gang，WANG Hong，et al.Influence of TargetHeighton Location Accuracy inWide Area Multilateration［J］.Telecommunication Engineering，2012，52（10）：1619－1623.（in Chinese）

［6］Poisel R A.電子戰(zhàn)目標(biāo)定位法［M］.屈小旭，羅勇，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2008：104－115. Poisel R A.Electronic Warfare Target Location Methods［M］. Translated by QUXiao-xu，LUOYong.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2008：104－115.（in Chinese）

ZHU Lin was born in Zhoukou，Henan Province，in 1989.He received the B.S.degree froMElectronic Engineering Institute in 2011.He is now a graduate student.His research concernselectronic countermeasure effectiveness evaluation.

Email：0709035＠163.com

方勝良（1968—），男，安徽黃山人，2004年于解放軍電子工程學(xué)院獲博士學(xué)位，現(xiàn)為教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娮訉剐芊治?、系統(tǒng)建模仿真；

FANG Sheng-liang was born in Huangshan，Anhui Province，in 1968.He received the Ph.D.degree froMElectronic Engineering Institute in 2004.He is now a professor and also a Ph.D.supervisor.His research concerns electronic countermeasure effectiveness evaluation and systeMmodeling and simulation.

楊?。?971—），男，江西南昌人，2007年于解放軍電子工程學(xué)院獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娮訉箲?zhàn)術(shù)。

YANG Jian was born in Nanchang，Jiangxi Province，in 1971.He received the Ph.D.degree froMElectronic Engineering Institute in 2007.He isnow an associate professorand also the instructor ofgraduate students.His research concerns electronic countermeasure tactics.

Cooperative Detection and Location Based on JamMing Signal

ZHU Lin1，2，F(xiàn)ANG Sheng-liang2，YANG Jian1
（1.Science and Technology on Communication Information Security Control Laboratory，Jiaxing 314033，China；2.Electronic Engineering Institute，Hefei230037，China）

Jamming and detection integration is a new technique for developing precise electronic warfare（EW）. According to the characteristics of integration signal，themethod of receiving and processing integration signal is achieved，based on the technology of distance and azimuthmeasurement and pulse time intervalmeasurement. Then，three kinds of cooperative detection and location mode based on jamming signal are proposed.The location algorithms and precision analysis are discussed.Finally，the location precision of location algorithms is given based on simulation，and the feasibility and validity of algorithms are verified.

electronic warfare；integrative jamming and detection；cooperative detection and location；precise location

The Fund of Science and Technology on Commuication Information Security Control Laboratory（9140C13050112DZ46）

date：2012－11－28；Revised date：2013－03－14

通信信息控制和安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（9140C13050112DZ46）

??通訊作者：0709035＠163.coMCorresponding author：0709035＠163.com

TN95；TN97

A

1001－893X（2013）06－0739－06

朱林（1989—），男，河南周口人，2011年于解放軍電子工程學(xué)院獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娮訉剐芊治觯?/p>

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.06.013

2012－11－28；

2013－03－14