船舶海上超視距無線自定位技術(shù)研究

李 強(qiáng)，王曉旺，梁西銘

船舶海上超視距無線自定位技術(shù)研究

李 強(qiáng)1，王曉旺2，梁西銘2

（1 海裝重大專項(xiàng)裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100161；2 中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

針對衛(wèi)星拒止環(huán)境下，海上船舶及其編隊(duì)對導(dǎo)航定位性能的最低保障需求，開展了一系列研究。首先分析了線陣綜合測角的基本理論，用遺傳算法對線陣進(jìn)行了綜合仿真，用譜估計(jì)對線陣測角進(jìn)行了研究；其次對圓陣綜合測角進(jìn)行了理論分析，對圓陣、圓柱陣進(jìn)行了綜合計(jì)算和譜估計(jì)測角仿真，分析了不同陣元數(shù)、信噪比等情況下的測向夾角情況，并對多信號同時(shí)測角情況進(jìn)行了仿真；最后闡述了夾角定位的基本思想，提出了船舶傳感器構(gòu)陣測角的可能形式，并對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析及濾波優(yōu)化。研究結(jié)果表明，相關(guān)技術(shù)對船舶海上導(dǎo)航定位有積極的參考意義。

船舶；拒止環(huán)境；傳感器；機(jī)會信號；超視距；自主定位

0 引言

在衛(wèi)星拒止環(huán)境下，海上船舶及其編隊(duì)對導(dǎo)航定位性能的最低保障需求一直以來都十分迫切。部分國家的機(jī)構(gòu)、大學(xué)和企業(yè)在該領(lǐng)域開展了一些技術(shù)研究。

美國有機(jī)構(gòu)研究了GPS信號拒止環(huán)境下的部分無線電導(dǎo)航替代方法[1]，有大學(xué)研究了GPS信號拒止環(huán)境下的自主測距導(dǎo)航方法[2]，美國國防高級研究計(jì)劃局在拒止環(huán)境中的協(xié)同作戰(zhàn)項(xiàng)目中構(gòu)建了GPS拒止環(huán)境，用來進(jìn)行藍(lán)白軍的對抗[3]。學(xué)者李冀研究了國外提升衛(wèi)星信號在拒止環(huán)境下導(dǎo)航新技術(shù)，其中微慣、無線電、隨機(jī)信號等技術(shù)仍是主要方向，可以降低平臺對衛(wèi)星信號的依賴[4]。

船舶在中遠(yuǎn)海航行時(shí)，若衛(wèi)星導(dǎo)航信號長時(shí)間受到干擾，平臺慣導(dǎo)的定位誤差將逐漸增大，反介入∕抗拒止成為技術(shù)研究的熱點(diǎn)。胡堯[5]、張耀[6]等專家分別對美國的反介入/區(qū)域拒止情況進(jìn)行了分析。D.P.Koch[7]等專家對GPS信號拒止環(huán)境下的濾波方法和自動測距導(dǎo)航做了深入研究。田俊曦[8]、劉莉[9]等專家對衛(wèi)星拒止環(huán)境下無人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究。也有專家對全源定位與導(dǎo)航理論框架[10]、SINS/GNSS[11]等技術(shù)進(jìn)行了研究。事實(shí)上在中遠(yuǎn)海區(qū)衛(wèi)星拒止環(huán)境下，利用已知位置區(qū)域的無線電發(fā)射臺信號（短波、中波、長波、甚長波等），進(jìn)行超視距地波、天波或波導(dǎo)波的信號接收，利用角度信息開展導(dǎo)航定位技術(shù)研究將變得十分有意義。

已有的文獻(xiàn)中關(guān)于角度信息定位的技術(shù)多為近距離或城市地域，且頻率較高。文獻(xiàn)材料中尚未有針對海上船舶的集成傳感器進(jìn)行衛(wèi)星拒止下的超視距自定位技術(shù)研究，亦未見有相關(guān)報(bào)道。對于遠(yuǎn)海船舶而言，在復(fù)雜拒止條件下，急需有新的定位技術(shù)輔助慣導(dǎo)，形成集成備份系統(tǒng)。

本文采用短波、中波、長波等頻段的遠(yuǎn)距離超視距信號，利用已知臺站位置信息，進(jìn)行測角定位研究。以船舶上的桅桿傳感器、通信高頻陣列、抱圍圓環(huán)陣為基礎(chǔ)，配合海面無人平臺，靈活性構(gòu)建出船舶海上接收陣形，打破傳統(tǒng)格局，實(shí)現(xiàn)超視距協(xié)同定位的同時(shí)，完成通、導(dǎo)、偵的一體化信息融合。分析了基于遺傳算法線的線陣和圓陣綜合情況；對譜估計(jì)測向進(jìn)行了研究，分析了不同陣元數(shù)、信噪比等情況下的測向夾角情況。闡述了夾角定位的基本思想，提出了船舶上的傳感器集成構(gòu)建復(fù)合測角的可能形式，并對可能的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 線陣綜合測角

1.1 理論分析

對應(yīng)的輸出平均功率為：

展開為：

信源數(shù)為：

1.2 仿真分析

圖1 二分之一波長間距陣增益

圖2 四分之一波長間距陣增益

圖3 S/N=5時(shí)三路信號的測向二維圖

圖4 S/N=5時(shí)三路信號測向夾角極坐標(biāo)圖

圖4中三路信號分別為-70.11°、26.51°、60.21°方位面的來波信號。這三路信號測向角精度優(yōu)于0.01°，曲線反映在極坐標(biāo)圖上呈現(xiàn)出了良好的方位面夾角特性。

2 圓陣綜合測角

2.1 理論分析

圓陣測角在各個(gè)任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，多采用均勻圓陣和均勻圓柱陣等形式。對于海上船舶而言桅桿上的圓環(huán)陣，集成艦島上的抱圍圓陣均可以用于導(dǎo)航的信號增強(qiáng)和譜估計(jì)測向定位。

均勻圓陣如圖5所示，波達(dá)方向矢量如式（12）所示：

陣的方向圖函數(shù)可直接由陣因子表示為：

圖5 均勻圓陣示意圖

依此利用無測量誤差時(shí)來波方向與圓陣多條基線的相位差矢量一對一關(guān)系，反演得到來波方向，即最小二乘法測向。該方法在預(yù)設(shè)特定參數(shù)時(shí)，測向精度可實(shí)現(xiàn)0.1～1°。

則方位角誤差的克拉美—羅界為：

當(dāng)幅度加權(quán)系數(shù)為1時(shí)，滿足均勻分布，方向圖簡化為：

2.2 仿真分析

依據(jù)上述分析進(jìn)行仿真計(jì)算，圓環(huán)陣單元數(shù)為8，半徑波長比0.8，信噪比為10 dB，方位角掃描范圍1～360°。針對海上不同方向的四路超視距信號進(jìn)行方向和夾角估計(jì)，這些被測臺站的已知指紋信息可以反向確定船舶的精確位置。對應(yīng)結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 四路信號測向二維圖

圖7 四路信號測向夾角極坐標(biāo)圖

在陣元數(shù)增加，半徑波長比調(diào)整優(yōu)化的基礎(chǔ)上，該種方式的測向精度可達(dá)到0.01°。

對于船舶上大抱圍集成圓環(huán)陣，陣元數(shù)較多、陣元半徑大于波長時(shí)，陣主波束指向明顯。對通、導(dǎo)、偵、探信號的方位拾取性明顯。仿真設(shè)定數(shù)據(jù)為單層圓柱、陣元數(shù)20、陣元半徑與波長之比2時(shí)，對應(yīng)結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 方位面二維方向圖

圖9 三維方向圖

3 海上超視距自定位

3.1 夾角定位基本思想

假定某海區(qū)內(nèi)1、2、3、4為已知位置的遠(yuǎn)程發(fā)射臺站，為某船舶編隊(duì)的一個(gè)任務(wù)位置點(diǎn)。在離線地圖上，位置點(diǎn)和發(fā)射臺1、2、3、4的方位面互夾角為固定值。即發(fā)射臺1、2、3、4中任意三個(gè)臺在位置點(diǎn)處的夾角值，可反向確定出該點(diǎn)的坐標(biāo)位置。在任務(wù)海區(qū)衛(wèi)星信號拒止時(shí)，船舶平臺自身相對發(fā)射臺1、2、3、4的方位面夾角信息能夠采取前面所述方法拾取。船舶編隊(duì)能夠通過已知位置的發(fā)射臺實(shí)現(xiàn)自身定位和導(dǎo)航，機(jī)理如圖10所示。

圖10 已知發(fā)射臺夾角定位示意圖

一般有有三個(gè)發(fā)射臺站1、2、3時(shí)，對于位置可推出唯一位置點(diǎn)，更多的發(fā)射臺信號將有利于提高位置點(diǎn)的定位精度。圖10中的藍(lán)色區(qū)域示意為任務(wù)海區(qū)（其中1-2-3-4構(gòu)成的長方形區(qū)域?yàn)槿蝿?wù)規(guī)劃區(qū)，可在接收端庫文件中實(shí)現(xiàn)快速角度查表定位），紅色線為實(shí)際航跡線。

3.2 船舶傳感器測角構(gòu)陣

現(xiàn)代船舶上已逐步實(shí)現(xiàn)了通信、探測、導(dǎo)航、對抗、偵查等多種傳感器的綜合集成應(yīng)用。船舶導(dǎo)航系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了慣性、衛(wèi)星、長波、船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）[12-14]等多種方式的復(fù)合，對應(yīng)的桅桿技術(shù)和專利也多有報(bào)道。

位于工作海區(qū)的船舶及其編隊(duì)，其船舶上的抱圍圓陣、船舶桅桿圓柱陣、船舶左右舷線陣、新型的艦島測向圓陣，以及母船與無人船構(gòu)建的船舶海面編隊(duì)線陣，在海區(qū)衛(wèi)星信號長時(shí)間失效時(shí)，可以依據(jù)事先預(yù)設(shè)的程序，利用部分或全部船舶傳感器測角構(gòu)陣實(shí)現(xiàn)方位面超視距測角定位導(dǎo)航功能。在無人單體平臺上的定向傳感器陣列在安裝位置和布局方向上完全一致。各子平臺之間通過光信號保持編隊(duì)陣型，主控軟件可實(shí)時(shí)給出各個(gè)單元的加權(quán)因子。船舶海上超視距構(gòu)陣定位的基本概念如圖11所示。

圖11 船舶海上超視距構(gòu)陣定位示意圖

船舶通信、導(dǎo)航等系統(tǒng)的綜合集成設(shè)計(jì)已是大勢所趨，傳感器測角定位陣的軟硬件可與其它系統(tǒng)進(jìn)行集成一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)的長波導(dǎo)航采用圓圓定位或雙曲線定位，其多臺鏈的發(fā)射臺[15-17]可與其它已知節(jié)點(diǎn)的合作/非合作短波、中波、長波臺共同構(gòu)成遠(yuǎn)場定位輻射源。

3.3 定位數(shù)據(jù)分析及濾波優(yōu)化

在船舶任務(wù)海區(qū)構(gòu)建線陣測角，船舶左右舷的線陣可分別完成0～180°、180～360°的方位面譜估計(jì)測角。按照本文所述方法，衛(wèi)星拒止時(shí)在任務(wù)海區(qū)對海上可用的短波、中波、長波等超視距輻射源進(jìn)行甄別，按照已構(gòu)建的離線數(shù)據(jù)圖譜（內(nèi)嵌在芯片內(nèi)）進(jìn)行集群位置點(diǎn)的夾角測量和位置推算。

在海面300×300 km范圍內(nèi)，船舶及其編隊(duì)采用線陣時(shí)偵收到超視距外4個(gè)臺站的測向定位偏差約為十米級，在經(jīng)過卡爾曼濾波后偏差接近米級。船舶線陣實(shí)測偏差和濾波偏差比較圖如圖12所示。

圖12 船舶線陣實(shí)測偏差和濾波偏差比較圖

當(dāng)偵收次數(shù)加大，或接收到的臺站信號增加時(shí)，這一偏差降為米級并逼近真值。對海上船舶在超視距外的4個(gè)臺站（、、、）接收到的角度差（-、-、-）進(jìn)行分析比較，如表1所示。

表1 4臺站三夾角測試數(shù)據(jù)表

動態(tài)航行時(shí)，船舶在某衛(wèi)星拒止海區(qū)依此方法得到的定位軌跡如圖13所示。

圖13 船舶海上超視距定位軌跡圖

4 結(jié)論

本文研究了線陣綜合測角、圓陣綜合測角的理論和方法。分析了在衛(wèi)星拒止環(huán)境下，用已知站點(diǎn)的非同源海上超視距信號進(jìn)行測角定位。將傳統(tǒng)的陣列化技術(shù)分布在船舶及其編隊(duì)的抱圍圓陣、桅桿圓柱陣、船舶左右舷線陣、艦島測向圓陣、及船舶海面編隊(duì)線陣上，用船舶傳感器測角構(gòu)陣的方法來實(shí)現(xiàn)海上超視距自定位功能，實(shí)現(xiàn)了平臺在通、導(dǎo)、偵等領(lǐng)域的一體化復(fù)合應(yīng)用。相關(guān)的理論分析、仿真圖表、分析數(shù)據(jù)能夠證明文章主題的新穎性和實(shí)用性，其思想對相關(guān)技術(shù)的發(fā)展有積極的參考價(jià)值。

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Research on Maritime Over-the-Horizon Wireless Autonomous Positioning Technology for Ships

LI Qiang, WANG Xiaowang, LIANG Ximing

Series of studies have been carried out to meet the minimum requirements of navigation and positioning performance of marine ships and their formations in the satellite denial environment. Firstly, the basic theory of linear array comprehensive angle measurement is analyzed, the linear array is simulated by genetic algorithm, and the linear array angle measurement is studied by spectral estimation. Secondly, the comprehensive angle measurement of circular ring array is analyzed in theory, the comprehensive calculation of circular ring array and cylindrical array and the simulation of spectral estimation angle measurement are carried out, the angle measurement of direction under different array elements and signal-to-noise ratio are analyzed, and the simultaneous angle measurement of multiple signals is simulated. Finally, the basic idea of angle positioning is described, and the possible forms of angular measurement by ship sensor array are proposed. The positioning data are analyzed and filtered. The results show that the related technology has positive reference significance for the navigation and positioning of ships.

Ships; Denial Environment; Sensor; Signal of Opportunity; Over-the-Horizon; Autonomous Positioning

V279

A

1674-7976-(2022)-04-235-07

2022-07-06。

李強(qiáng)（1980.02—），黑龍江嫩江人，工程師，主要研究方向?yàn)橹笓]自動化。