TNR型調(diào)頻廣播外輻射源雷達(dá)探測實(shí)驗(yàn)

，江勝利，皇甫流成，田明輝

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088；2.中國人民解放軍駐三十八所軍事代表室， 安徽合肥 230088)

0 引言

外輻射源雷達(dá)利用第三方的非合作信號，比如FM廣播信號、模擬電視信號、數(shù)字電視信號、GPS信號等，作為其照射源進(jìn)行探測，具有綠色環(huán)保、生存能力強(qiáng)、抗干擾性能好等優(yōu)勢。其中，調(diào)頻波段(FM，88～108 MHz)廣播發(fā)射功率大、覆蓋范圍廣、反隱身，是一種被外輻射源雷達(dá)廣泛利用的信號。洛克希德·馬丁公司的“靜默哨兵”和泰利斯公司研制的Home Alerter 100均利用調(diào)頻廣播信號作為主要照射源[1-2]。

實(shí)際使用中，利用單個調(diào)頻廣播信號進(jìn)行探測非常容易受到信號帶寬變化、目標(biāo)RCS閃爍、甚至電波傳播等因素制約，導(dǎo)致系統(tǒng)探測性能不穩(wěn)定[3]。此外，受調(diào)頻廣播信號帶寬和頻段的限制，系統(tǒng)的定位精度差，也直接制約著調(diào)頻廣播外輻射源雷達(dá)的軍事應(yīng)用。

所以，充分利用不同發(fā)射塔的多個調(diào)頻廣播信號，構(gòu)建一種TNR(多發(fā)一收)的系統(tǒng)，可以克服利用一個調(diào)頻廣播信號時發(fā)現(xiàn)概率低、定位精度差等缺點(diǎn)，對基于調(diào)頻廣播外輻射源雷達(dá)的發(fā)展具有重要的實(shí)用價值和研究意義。本文給出了一種TNR型系統(tǒng)探測實(shí)驗(yàn)方案，并構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了外場試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該方案可以有效提升基于調(diào)頻廣播外輻射源雷達(dá)的性能。

1 工作原理

當(dāng)只利用一個調(diào)頻廣播信號時，通過測量回波信號與參考信號間的時間差τ、目標(biāo)相對于接收站的方位φr、發(fā)射站和系統(tǒng)間的基線距離L，就可以解算出目標(biāo)距離接收站的距離Rr，單源定位原理如圖1所示[4]。

圖1 單源定位工作原理圖

時差估計τ=(S-L)/c，距離和S=Rt+Rr，L為收發(fā)站間距，即S=τ×c+L。因此得到Rr：

(1)

如式(1)所示，在只利用一個調(diào)頻廣播信號時，目標(biāo)距離接收站的距離Rr與距離和測量誤差、基線誤差和測角誤差相關(guān)。受到天線有效孔徑的限制，在米波波段測角誤差較大，因此造成測距誤差也較大，即測角誤差較大時目標(biāo)的距離精度也會惡化。

當(dāng)系統(tǒng)利用兩個以上不同位置的發(fā)射臺進(jìn)行目標(biāo)定位時，由于目標(biāo)相對不同發(fā)射臺的位置不同，系統(tǒng)得到兩組距離和參數(shù)S1(S1=τ1×c+L1)和S2(S2=τ2×c+L2)，對應(yīng)兩個空間橢圓。通過解算，獲得兩個距離和橢圓的交叉點(diǎn)，再結(jié)合單站測量獲得的目標(biāo)方位，就可以解決多值問題，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的定位。這種方法擺脫了米波雷達(dá)測角誤差大對系統(tǒng)的影響，能夠得到更高的定位精度。

該定位技術(shù)是基于信號的到達(dá)時間之和(TSOA)與到達(dá)角(AOA)的定位技術(shù)，所以又稱為TSOA/AOA定位[5]，如圖2所示。

圖2 兩個輻射源交叉定位原理示意圖

如圖2所示，R1為接收站(坐標(biāo)[x1,y1,z1])，T2(坐標(biāo)[x2,y2,z2])和T3(坐標(biāo)[x3,y3,z3])為廣播發(fā)射站，目標(biāo)在橢圓交匯處，θ為目標(biāo)相對接收站的夾角。L1,2和L1,3為接收站到兩個發(fā)射站的基線，r1為目標(biāo)到接收站的距離，r2和r3為目標(biāo)到兩個發(fā)射站的距離。兩個輻射源交叉定位時，獲得基礎(chǔ)方程如式(2)所示：

(2)

式中，

(3)

式中，r1,2,r1,3和θ可以測量獲得。通過采用改進(jìn)的線性最小二乘算法，可以較好地求解上述方程。算法先利用距離和方程組估計目標(biāo)位置的初始估計值(初始值可通過單站定位獲得)，然后利用初始值和最小二乘算法可以獲得目標(biāo)位置的修正量，進(jìn)而得到目標(biāo)位置的新估計值。如此迭代，可以得到目標(biāo)距離接收站的距離和方位[5]。

2 廣播信號優(yōu)選

每個發(fā)射臺的節(jié)目數(shù)根據(jù)全國廣播電視覆蓋網(wǎng)總體規(guī)劃要求，一般情況省市級主要發(fā)射塔：電視為1～4套節(jié)目，調(diào)頻廣播為1～5套節(jié)目；而且，雷達(dá)系統(tǒng)接收機(jī)靈敏度高。尤其當(dāng)實(shí)驗(yàn)場地位于高山時，系統(tǒng)可以接收到大量的廣播電臺信號(如圖3所示，系統(tǒng)可接收電臺超過40個)。但是，這些電臺信號并不是都適合于進(jìn)行目標(biāo)探測，因此外輻射源雷達(dá)工作時首先要進(jìn)行輻射源篩選。系統(tǒng)在進(jìn)行輻射源篩選時，要綜合考慮輻射源的發(fā)射功率、發(fā)射天線層數(shù)、發(fā)射天線方向性、調(diào)制形式、是否受到干擾和干擾抑制效果等多個方面，然后根據(jù)綜合評定結(jié)果，完成單個輻射源的優(yōu)選。

圖3 空間頻譜圖

本文在進(jìn)行多源探測優(yōu)選時主要考慮以下因素：

1) 探測威力

利用民用廣播的外輻射源探測系統(tǒng)實(shí)際是一種特殊的雙基地系統(tǒng)。當(dāng)廣播發(fā)射站、接收站以及涉及系統(tǒng)威力的功率、天線增益等因素確定后，系統(tǒng)的收發(fā)距離積為一常數(shù)，系統(tǒng)的等信噪比探測范圍按卡西尼卵形線分布，如圖2所示。

(4)

雖然無論選擇何處的電臺，系統(tǒng)的距離積都是一樣的，不影響系統(tǒng)的技術(shù)性能；但是，從作戰(zhàn)性能角度分析，目標(biāo)距離接收站的距離Rr更為重要。因此，在距離積一定的情況下，為了保證作戰(zhàn)性能，應(yīng)當(dāng)盡量選擇距離探測任務(wù)區(qū)域較近的電臺。

2) 基線夾角

基線距離定義為輻射源到外輻射源雷達(dá)的距離?；€夾角定義為不同輻射源和雷達(dá)站間的夾角，如圖4所示。

圖4 基線和基線夾角

如圖5所示，為了保證探測范圍和精度，選擇的電臺要分布在陣地的兩側(cè)，基線夾角180°為最佳。

(a) 基線夾角和距離精度關(guān)系圖

(b) 基線夾角和方位精度關(guān)系圖圖5 距離精度和方位精度的基線夾角變化圖

3) 信號帶寬

FM信號由于播送的節(jié)目內(nèi)容不同，頻譜上存在較大差異。節(jié)目停頓時瞬時頻率的變化較大，帶寬較低。一般情況下，音樂節(jié)目的FM信號的瞬時帶寬在100 kHz以內(nèi)，而靜音時系統(tǒng)頻譜只剩下主載波。

廣播信號的帶寬直接影響著系統(tǒng)的探測威力、分辨率和探測精度。廣播信號隨著不同節(jié)目的變化，帶寬會發(fā)生較大變化。如音樂節(jié)目的有效帶寬較寬而且相對比較穩(wěn)定、其模糊函數(shù)為圖釘形，如圖6所示；評書和新聞節(jié)目的帶寬較窄而且變化快，其模糊函數(shù)不再為圖釘形，如圖7所示。

(a) 音樂節(jié)目頻譜

(b) 音樂節(jié)目模糊函數(shù)圖6 音樂節(jié)目的頻譜和模糊函數(shù)圖

(a) 談話節(jié)目頻譜

(b) 談話節(jié)目模糊函數(shù)圖7 談話節(jié)目的頻譜和模糊函數(shù)圖

因此，利用民用調(diào)頻廣播探測系統(tǒng)盡量避開連續(xù)長時間的單聲道語音節(jié)目，選擇以音樂進(jìn)行調(diào)制的立體聲節(jié)目為佳。

4) 多頻點(diǎn)高低組合和發(fā)射塔高低搭配

選擇的頻點(diǎn)盡量高低頻點(diǎn)搭配，同時盡量利用不同位置、不同高度的發(fā)射塔，等效增大垂直發(fā)射天線發(fā)射孔徑，共同改善空域覆蓋情況[6]。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)調(diào)頻廣播信號的特性和外部調(diào)頻廣播輻射源的實(shí)際分布情況，構(gòu)建了一種可以同時利用多個發(fā)射塔的不同調(diào)頻廣播信號的TNR型試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作在調(diào)頻廣播頻段(87～108 MHz)，可同時利用4個不同的廣播頻點(diǎn)，周邊主要發(fā)射塔和試驗(yàn)系統(tǒng)的位置關(guān)系如圖8所示。為了保證能接收到不同方向的電臺信號，系統(tǒng)設(shè)有4套參考天線。

圖8 系統(tǒng)組成框圖

在試驗(yàn)過程中，首先根據(jù)周邊的電臺分布情況，在每個發(fā)射塔篩選出1～2個頻點(diǎn)，在工作時可根據(jù)電臺節(jié)目、是否受到干擾等情況靈活進(jìn)行配置。

圖9 試驗(yàn)系統(tǒng)周邊電臺分布情況圖

3.2 仿真分析

對于圖9所示的探測扇區(qū)，發(fā)射塔1和發(fā)射塔3近似構(gòu)成“一”字形布陣，通過系統(tǒng)采用TSOA/AOA定位方法，可以改善系統(tǒng)測角精度差、定位精度低的問題，提升系統(tǒng)的性能。仿真時單站距離精度取800 m，方位精度取2.0°時，基于式(2)和式(3)所給TSOA/AOA定位方法，利用發(fā)射塔1和發(fā)射塔3的信號進(jìn)行探測時，在200 km內(nèi)，系統(tǒng)的距離定位精度可以達(dá)到0.3 km以內(nèi)，測角精度可以達(dá)到0.3°以內(nèi)，如圖10所示。

(a) 利用發(fā)射塔1和3的距離精度分布

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)系統(tǒng)對探測扇區(qū)內(nèi)的多批民航飛機(jī)進(jìn)行了連續(xù)的跟蹤。選擇一批典型的民航目標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計分析。該目標(biāo)連續(xù)探測約28 min，向站飛行，最大探測距離336 km，最近探測距離116 km。對各個頻點(diǎn)的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，每段約6 km，對各段的發(fā)現(xiàn)概率進(jìn)行統(tǒng)計，如圖11～圖14所示。從圖11～圖14可以看出，各個頻點(diǎn)在不同距離段的發(fā)現(xiàn)概率呈明顯的波浪型，非常不穩(wěn)定。為了更加直觀地比較，以50%的發(fā)現(xiàn)概率作為門限，對各個距離段超過該門限的概率進(jìn)行統(tǒng)計，如表1所示。從表1可以看出，當(dāng)只用1個頻點(diǎn)進(jìn)行探測時，最高的為頻點(diǎn)1，發(fā)現(xiàn)概率超過50%的占67.4%；最低的為頻點(diǎn)2，發(fā)現(xiàn)概率超過50%僅占30.2%。

由此可見，單個調(diào)頻廣播信號進(jìn)行探測受到信號帶寬變化、目標(biāo)RCS閃爍，甚至電波傳播等因素制約，導(dǎo)致系統(tǒng)探測性能非常不穩(wěn)定。

表1 各頻點(diǎn)發(fā)現(xiàn)概率統(tǒng)計

但是當(dāng)同時利用4個頻點(diǎn)進(jìn)行探測時，發(fā)現(xiàn)概率大于50%的距離段占95.3%，發(fā)現(xiàn)概率大于90%的距離段占比也增至81.4%，如圖15所示。系統(tǒng)探測更為穩(wěn)定，較高的發(fā)現(xiàn)概率也為TSOA/AOA定位提供了保證，從而使得系統(tǒng)定位精度大幅度得到提升。

(a) 目標(biāo)距離-方位航跡圖

(b) 不同距離段的發(fā)現(xiàn)概率圖11 頻點(diǎn)1連續(xù)探測和發(fā)現(xiàn)概率統(tǒng)計

(a) 目標(biāo)距離-方位航跡圖

(b) 不同距離段的發(fā)現(xiàn)概率圖12 頻點(diǎn)2連續(xù)探測和發(fā)現(xiàn)概率統(tǒng)計

(a) 目標(biāo)距離-方位航跡圖

(b) 不同距離段的發(fā)現(xiàn)概率圖13 頻點(diǎn)3連續(xù)探測和發(fā)現(xiàn)概率統(tǒng)計

(a) 目標(biāo)距離-方位航跡圖

(b) 不同距離段的發(fā)現(xiàn)概率圖14 頻點(diǎn)4連續(xù)探測和發(fā)現(xiàn)概率統(tǒng)計

(a) 目標(biāo)距離-方位航跡圖

(b) 不同距離段的發(fā)現(xiàn)概率圖15 4個頻點(diǎn)連續(xù)探測和發(fā)現(xiàn)概率統(tǒng)計

在檢測到目標(biāo)后，利用TSOA/AOA技術(shù)進(jìn)行交叉定位，此時系統(tǒng)的定位精度得到明顯提升(200 km內(nèi)，距離精度優(yōu)于0.3 km，方位精度優(yōu)于0.3°)，經(jīng)過統(tǒng)計與理論分析基本一致，多頻融合后連續(xù)探測的航跡如圖16所示。

(a) 目標(biāo)距離-方位航跡圖

(b) 與ADS-B信息對比(批號大于1 000為ADS-B批號)圖16 多頻融合后連續(xù)探測航跡

4 結(jié)束語

本文根據(jù)調(diào)頻廣播外輻射源雷達(dá)的特點(diǎn)，提出了一種利用不同發(fā)射塔上的多個調(diào)頻廣播信號構(gòu)成TNR型系統(tǒng)的試驗(yàn)方案。該方案可以提升系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)概率，改善定位精度。后續(xù)的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的有效性。本文對于外輻射源雷達(dá)的工程應(yīng)用具有重要的參考價值。