偵察設(shè)備單站脈幅定位研究*

汪海銳　邵　偉　林明勝

(海軍蚌埠士官學(xué)?！“霾骸?33012)

WANG Hairui　SHAO Wei　LIN Mingsheng

(Bengbu Navy Petty Officer Academy, Bengbu　233012)

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偵察設(shè)備單站脈幅定位研究*

汪海銳邵偉林明勝

(海軍蚌埠士官學(xué)校蚌埠233012)

針對雷達(dá)設(shè)備探測定位所具有的不足之處，說明無源雷達(dá)所具有的優(yōu)點，并通過雷達(dá)方程、偵察方程建模過程的分析，以偵察設(shè)備對非合作輻射信號偵察、接收、測量的過程，說明以脈幅來測定輻射源與偵察設(shè)備距離的依據(jù)。

技術(shù)偵察; 定位; 脈幅; 無源雷達(dá)

WANG HairuiSHAO WeiLIN Mingsheng

(Bengbu Navy Petty Officer Academy, Bengbu233012)

Class NumberTN971.1

1　引言

輻射源定位是電子戰(zhàn)系統(tǒng)的一個基本功能與要求，明確目標(biāo)的具體位置具有極大的意義，首先，確定目標(biāo)的位置，有助于了解敵方的軍事部署；其次，在精確定位目標(biāo)之后，就可以使用帶有定位系統(tǒng)的精確制導(dǎo)武器進(jìn)行攻擊；最后，同一區(qū)域中集中的不同類型的輻射源的相關(guān)信息可以用來分析該區(qū)域中敵方的部隊的類型[1]。

常用的對輻射源定位的方法主要可以分為雷達(dá)探測定位、偵察設(shè)備定位。

對于雷達(dá)探測定位來說，在對目標(biāo)進(jìn)行搜索定位的同時，會主動輻射出電磁波，從而使得在對目標(biāo)進(jìn)行搜索、探測的同時，也將自己的位置、電磁特性暴露無遺，被其他的目標(biāo)偵察、截獲。雷達(dá)的使用，使得己方被敵方發(fā)現(xiàn)的概率增大，也容易造成被敵方攻擊，同時，雷達(dá)探測定位也存在角度欺騙、距離欺騙等問題，而且雷達(dá)極易被無源假目標(biāo)干擾，造成探測定位中的失誤。

相對于雷達(dá)探測定位來說，偵察設(shè)備的探測定位則更具有優(yōu)勢，偵察設(shè)備只接收被偵測方輻射出的電磁波，不主動發(fā)射，因此，被發(fā)現(xiàn)的概率大大的降低，具有極大的隱蔽性。由偵察設(shè)備構(gòu)成的無源探測和定位系統(tǒng)，其工作機理、定位方法和系統(tǒng)配置使它具有優(yōu)越的反隱身性能，作用距離遠(yuǎn)、隱蔽性強、不易被對方發(fā)覺，可免遭反輻射導(dǎo)彈、低空飛機、巡航導(dǎo)彈等襲擊，在軍事行動中，生存能力相對較強。

因此，采用偵察設(shè)備定位的方法較雷達(dá)探測定位更具有優(yōu)勢。

2　偵察設(shè)備測向與定位技術(shù)

2.1傳統(tǒng)偵察定位方法

在傳統(tǒng)的偵察設(shè)備的定位中，一般以測向為主，主要的測向方式有：搜索式測向、比幅法測向、比相法測向、時差法測向等[2～3]。在偵察設(shè)備進(jìn)行測向之后，通過三角定位法、角度與距離法、多距離測量法、雙角度與已知距離差分法、單部移動式截獲接收機的多角度測量法五種基本定位方法之一實現(xiàn)其定位[4]。在具體的裝備中，一般采用飛越目標(biāo)法、方位/仰角定位法、測向交叉定位法、測時差無源定位法、多站無源定位法、單站機動定位法等方法進(jìn)行測向定位[5]。

通過測向后采用相關(guān)方法進(jìn)行定位時，都存在著輻射源信號的甄別問題，一般的定位方法中，因為需要對被測信號進(jìn)行確認(rèn)，保證偵察接收機接收到的信號來自同一被偵察目標(biāo)，甚至需要確認(rèn)被測試的電磁波信號來自同一目標(biāo)的同一波束。如：在三角定位法中，需要確保兩部不同的接收機接收到的是同一個信號源輻射出的信號，這個給信號的識別、分選工作提出了較高的要求。而采用時差法進(jìn)行定位時，在平面上至少需要三個站，在立體空間至少需要四個站，才有可能對目標(biāo)進(jìn)行定位，而且在定位過程中，需要保證幾個接收站接收到的信號是同一輻射源發(fā)射出的同一信號，在測頻和測時時均需要較高精度的頻率基準(zhǔn)，使得測向定位的難度增大[6]。在整個測向定位過程中，定位精度受到目標(biāo)和該系統(tǒng)的相對幾何關(guān)系制約，尤其受到各接收站之間的構(gòu)形的制約，存在著是站址誤差、時差測量誤差標(biāo)準(zhǔn)差等問題[7]。采用單站脈幅定位法，則只需要對接收的電磁波信號進(jìn)行簡單的分選，不需要對電磁波信號進(jìn)行同一波束的確認(rèn)。

較之其他的定位方法，使用偵察設(shè)備進(jìn)行單站測向、脈幅定位具有很明顯的優(yōu)勢。

2.2偵察設(shè)備的構(gòu)成

當(dāng)前的偵察設(shè)備大多具有較高的測向精度，但僅限于測向；對于測距還得借助其他相關(guān)設(shè)備配合進(jìn)行。典型雷達(dá)偵察設(shè)備的基本組成如下[8]：

由圖1可知，在測向天線陣進(jìn)行測向的同時，測頻天線也在進(jìn)行信號的處理，測頻天線主要針對信號的fRF,tTOA,Ap,τpw,F參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理。其中，可以判定非合作輻射源與當(dāng)前偵察設(shè)備距離的信號參數(shù)為信號脈沖幅度Ap。在實際的工作中，通過對偵察裝備長期使用發(fā)現(xiàn)，非合作輻射源的脈沖幅度Ap與偵察設(shè)備之間的距離有一種內(nèi)在的聯(lián)系。

通過對雷達(dá)方程、偵察方程模型的理解，可以得出偵察設(shè)備測距的公式。

圖1　典型雷達(dá)偵察設(shè)備的基本組成

2.3雷達(dá)方程與偵察方程

脈沖雷達(dá)的作用距離，一般按以下模型建立，進(jìn)行定性分析、定量計算[9～10]。

當(dāng)天線按最大接收方向標(biāo)定，即：天線方向圖的最大值對準(zhǔn)輻射源時，有效接收面積就可以達(dá)到最大值A(chǔ)max，天線在其它位置時，A=Amaxρ2(θ,φ)，式中ρ(θ,φ)表示天線電場方向圖單位標(biāo)稱值。

在雷達(dá)測距進(jìn)行定量分析時，充分考慮到了各種可能影響測距的因素，但相對而言，雷達(dá)接收機，在接收信號時，進(jìn)行的是反射回波的接收與處理，而采用偵察設(shè)備，則可以直接對非合作輻射源進(jìn)行信號處理。

利用雷達(dá)偵察設(shè)備進(jìn)行測距的有多種方法[11]，利用偵察方程測距、功率測量法，在偵察設(shè)備上最直觀的顯示是偵察設(shè)備接收到信號的脈沖幅度。

利用偵察方程的建模及公式推導(dǎo)過程如下：

綜合考慮傳輸損耗、大氣衰減以及地面或海面反射等因素的影響，得到修正后的偵察方程，修正偵察方程主要考慮有關(guān)饋線和裝置損耗等情況。其中，輻射信號在傳輸、接收、處理過程中，主要損耗如下：

1)從雷達(dá)發(fā)射機到雷達(dá)發(fā)射天線之間的饋線損耗L1≈3.5dB；

2)雷達(dá)發(fā)射天線波束非矩形損失L2≈1.6dB～2dB；

3)偵察天線波束非矩形損失L3≈1.6dB～2dB；

4)偵察天線增益在寬頻帶內(nèi)變化所引起的損失L4≈2dB～3dB；

5)偵察天線與雷達(dá)信號極化失配損失L5≈3dB；

6)從偵察天線到接收機輸入端的饋線損耗L6≈3dB；

對于偵察設(shè)備而言，其主要過程是接收到非合作源的輻射信號，其接收過程與處理的實質(zhì)與無源雷達(dá)相同，因此，該偵察方程也可以作為無源雷達(dá)的距離方程。

在其他的建模過程中，基于同等的假設(shè)，也可以得到無源雷達(dá)距離方程的另一種表現(xiàn)形式，當(dāng)無源雷達(dá)探測信號來自目標(biāo)自身輻射電磁信號時，無源雷達(dá)的距離方程可以表示為：

式中：Pt為輻射源的脈沖功率；Gt為輻射源天線平均旁瓣增益；Gr為被動站接收天線增益，即偵察設(shè)備接收天線的增益；λ為工作波長；SPG為被動站信號處理增益；S/N為偵察設(shè)備工作信噪比；L為各種損耗之積；Pmin為被動站接收機極限靈敏度，Pmin=kTBrNr，k為波爾茲曼常數(shù)，T為接收機等效溫度，290K，Br為接收機帶寬；Nr為接收機噪聲系數(shù)[7]。

在實際的使用過程中，即使接收機的靈敏度略小于雷達(dá)接收機的靈敏度，也能保證作用距離大于被偵察雷達(dá)的作用距離，從而有助于偵察工作的隱蔽性，使得偵察設(shè)備的測距相對于雷達(dá)測距而言，具有明顯的優(yōu)勢。

3　脈幅定位研究

3.1偵察設(shè)備脈幅測距公式

在發(fā)送端與接收端的功率比值為：

對該式進(jìn)行分析可知，對于某型固定的非合作輻射信號源而言，其中發(fā)射信號的電平幅值A(chǔ)ut、等效內(nèi)阻rot、輻射源天線平均旁瓣增益Gt、信號波長λ均為固定值(該值對偵察設(shè)備而言，為已知值；若非合作輻射源為頻率捷變雷達(dá)，則該值相對于單個具體的脈沖，為固定值。)；偵察接收設(shè)備方面，偵察接收天線增益Gr、等效內(nèi)阻ror也為固定值。

由此得出結(jié)論：當(dāng)輻射信號的頻率為定值時，偵察設(shè)備偵測到目標(biāo)的距離與觀測到的信號幅度近似成簡單的反比關(guān)系。

3.2偵察設(shè)備脈幅定位

精確度需求不高的場合，可以認(rèn)為，非合作輻射源的信號幅度與距離成簡單的反比關(guān)系。

在偵察方程中，對測距精度影響比較大的因素主要是發(fā)散損耗，而如果發(fā)射功率電平和接收功率電平都是已知的，就可能計算出信號發(fā)射的距離，由于該技術(shù)只用于不需要高精度測距的一些電子戰(zhàn)系統(tǒng)中，通常忽略除發(fā)散(即空間)損耗外的所有因素。

發(fā)散損耗由下式計算：LS=32.4+10logF+20logR，其中：LS為發(fā)散損耗(dB)；F為發(fā)射頻率(MHz)；R為傳輸路徑長度(Km)。

在真實的偵察設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測過程中，可以通過大量的觀測數(shù)據(jù)得出距離和發(fā)散損耗之間的關(guān)系，從而得到在一定環(huán)境(如某種海況、某氣象)條件下的發(fā)散損耗之值，從而對偵察測距公式進(jìn)行修正，再聯(lián)合偵察方程，可以得到較為精確的脈幅與距離之間的關(guān)系。

3.3偵察設(shè)備脈幅測距中存在的問題

在實際的偵察設(shè)備中，為了保證對水平極化與垂直極化的電磁波信號的偵測與接收的問題，在真實的偵察裝備中，對非合作輻射源的信號進(jìn)行處理，使得不同極化的輻射信號在偵察接收機中，其功率被不同的衰減，這個也造成了脈幅測距的因不同類型的輻射源的信號而得到不同的幅度的問題。

在實際的偵察設(shè)備采用脈幅進(jìn)行測距的過程中，由于非合作輻射源相對于偵察設(shè)備有著運動軌跡，在整個偵測過程中，綜合雷達(dá)設(shè)備的測距觀測，發(fā)現(xiàn)：

1) 某型非合作輻射源在與偵察設(shè)備進(jìn)行直線相對飛行時，脈沖幅度比較穩(wěn)定，在接近過程中，脈沖幅度由弱到強的變化極為明顯，距離測算較為準(zhǔn)確。

2) 某型非合作輻射源圍繞偵察設(shè)備做圓周運動時，在飛行至偵察設(shè)備左右舷某個角度區(qū)間時，脈沖幅度無明顯變化，距離測算較為準(zhǔn)確；在飛行至偵察設(shè)備另某個角度區(qū)間時，脈沖幅度由強忽然變?nèi)?，距離測算過程中，誤差明顯。

3) 某型非合作輻射源背對偵察設(shè)備遠(yuǎn)離時，脈沖幅度由強到弱變化明顯，距離測算較為準(zhǔn)確。

4) 由于艦載偵察設(shè)備的觀測方位角會有限制，因此，某型非合作輻射源的飛行高度對脈沖幅度也會影響，但相對而言，其脈幅與距離近似成反比關(guān)系。

在實際通過脈沖幅度測距定位過程中，也發(fā)現(xiàn)：

1) 當(dāng)固定頻率非合作輻射源與偵察設(shè)備相對行進(jìn)時，被偵測信號的脈沖幅度變化緩慢，距離如果由遠(yuǎn)及近，則脈沖幅度由弱及強。

2) 當(dāng)固定頻率非合作輻射源對偵察設(shè)備作圓周運動時，脈沖強度變化無明顯特征。在實際偵測過程中，由于偵察設(shè)備接收天線的限制，會出現(xiàn)在偵察設(shè)備的某一個角度區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)接收的脈沖幅度變化不明顯的情況。這時，需要通過偵察設(shè)備的測向裝置再次判定被偵測目標(biāo)的實際運動情況來進(jìn)行定位。

3) 當(dāng)頻率捷變型非合作輻射源相對偵察設(shè)備進(jìn)行運動時，脈沖幅度會隨時變化，其變化規(guī)律與頻率捷變型非合作輻射源頻率變化的規(guī)律相同。

4　結(jié)語

對于單站脈幅定位法具有其他定位方法所不具備的優(yōu)點，如：不需要對被偵測目標(biāo)進(jìn)行電磁波信號的同源確認(rèn)，不需要對接收到的信號進(jìn)行分選，但是，單站脈幅定位法需要前期長時間的信號偵測作為基礎(chǔ)，在偵察得到信號后，輔之先驗知識確認(rèn)，可以很清楚地判定其相對位置與距離。該方法已經(jīng)被美國研制并投放裝備中進(jìn)行使用[12]，在具體的裝備使用過程中，需要長期的經(jīng)驗積累。

而通過長期技術(shù)偵察觀測與數(shù)據(jù)的積累，能解決這個問題，如何利用長期積累的大量觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，得出具體某型非合作源輻射信號脈幅與距離更精準(zhǔn)的關(guān)系，是以后有待更一步細(xì)化研究的內(nèi)容。

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Location of Single Station Pulse in Reconnaissance Equipment*

Focused on the disadvantages of radar detection and location, this paper illustrated the advantages of the passive radar. Through the analysis of the radar equation, reconnaissance equation modeling process, the reconnaissance equipment on non cooperative emitter signal reconnaissance, receiving, measurement process, this paper illustrated the basis of the method by the pulse amplitude to measure radiation source and reconnaissance distance.

reconnaissance, orientation, plus amplitude, passive radar

2016年2月7日,

2016年3月26日

汪海銳,男,碩士研究生，助理講師，研究方向：電子對抗、數(shù)據(jù)挖掘。邵偉,男,副教授,研究方向：電子對抗、信息作戰(zhàn)研究。林明勝,男,副教授,研究方向：通信與信息系統(tǒng)。

TN971.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.018