基于5G基站信號(hào)的被動(dòng)雷達(dá)無(wú)源定位方法分析?

戴文瑞 王 銳 魏 巍

（陸軍炮兵防空兵學(xué)院 合肥 230031）

1 引言

近年來(lái)圍繞著應(yīng)對(duì)低慢小飛行器帶來(lái)的安全隱患，基于民用信號(hào)的無(wú)源被動(dòng)雷達(dá)探測(cè)成為研究熱點(diǎn)，另一方面隨著5G通信技術(shù)的飛速發(fā)展，基于5G基站的外輻射源雷達(dá)的研究為探測(cè)低慢小目標(biāo)帶來(lái)了另一種可能，可以作為當(dāng)前防空雷達(dá)的一種有益補(bǔ)充手段。目前大多研究中對(duì)于外輻射源雷達(dá)采用的定位方法主要是時(shí)差定位法，即利用個(gè)接收站對(duì)單個(gè)外輻射源照射到目標(biāo)上的信號(hào)進(jìn)行定位，這種方法需要設(shè)置多個(gè)站點(diǎn)，并且要保證不同接收站之間嚴(yán)格的信號(hào)同步，且5G基站作為外輻射源，其分布密集，未最大化發(fā)揮多輻射源的優(yōu)勢(shì)，時(shí)差定位法對(duì)于基于5G基站的外輻射源雷達(dá)并不能完美適用。本文針對(duì)5G基站布站密集、架設(shè)便捷的特點(diǎn)，在多源分布式時(shí)差定位方法基礎(chǔ)上提出一種適用于基于5G基站信號(hào)的無(wú)源定位技術(shù)方法，該方法可適應(yīng)多基站發(fā)射單接收站接收的定位方法，也可適用于多基站發(fā)射多基站接收，實(shí)現(xiàn)方法更為簡(jiǎn)單，部署方式更加靈活。

2 低慢小目標(biāo)無(wú)源定位方法對(duì)比

無(wú)源定位方法按工作原理可分為兩類(lèi)，一類(lèi)通過(guò)偵收目標(biāo)本射輻射的信號(hào)進(jìn)行定位，另一類(lèi)是利用目標(biāo)受非合作的外輻射源照射產(chǎn)生的散射信號(hào)進(jìn)行定位［1］。而所謂低慢小目標(biāo)是指體型較小、飛行速度慢、飛行高度低的空中目標(biāo)，大多低慢小目標(biāo)本身除較弱的通信信號(hào)外，本身不輻射電磁波。對(duì)低慢小進(jìn)行無(wú)源定位只可采用外輻射源無(wú)源定位法。

外輻射源無(wú)源定位方法主要有DOA（測(cè)向定位）、時(shí)差定位（TDOA）、頻差定位（FDOA）、時(shí)頻差定位等。DOA（測(cè)向定位）通過(guò)多接收機(jī)測(cè)量目標(biāo)輻射的電磁波角度，經(jīng)多站交會(huì)進(jìn)行定位，定位精度受測(cè)角精度影響較大，定位精度不高，且必須多接收機(jī)同時(shí)對(duì)目標(biāo)輻射的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。時(shí)差定位（TDOA）是通過(guò)多個(gè)接收站測(cè)量的輻射源到達(dá)時(shí)間差數(shù)據(jù)對(duì)輻射源定位，該算法對(duì)接收機(jī)對(duì)目標(biāo)探測(cè)的方位信息要求不高，定位精度較高，但TDOA需要多站同時(shí)測(cè)量信號(hào)，并要求保證信號(hào)的同步傳輸。頻差定位（FDOA）與時(shí)差定位類(lèi)似，通過(guò)多個(gè)站測(cè)量目標(biāo)輻射源和接收站之間由相對(duì)運(yùn)動(dòng)的多普勒頻移差來(lái)定位，也需要多站保證信號(hào)的同步傳輸［3］。另外在TDOA和FDOA基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的時(shí)頻差定位法，定位精度更高，但也存在同樣問(wèn)題。

以上方法主要依靠多個(gè)接收站對(duì)單個(gè)外輻射源照射到目標(biāo)上的信號(hào)進(jìn)行定位，需要進(jìn)行輻射源測(cè)向或多接收站信號(hào)同步等任務(wù)，但5G基站作為外輻射源，其分布密集，未最大化發(fā)揮多輻射源的優(yōu)勢(shì)，以上方法較適用民用廣播外等站點(diǎn)較少的輻射源，對(duì)于5G基站外輻射源定位，可采用多源分布式定位法即T2R距離和橢圓定位法［2］，該方法利用單個(gè)接收站同時(shí)接收多個(gè)基站回波信號(hào)及直達(dá)波信號(hào)的相對(duì)時(shí)延差來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，有以下優(yōu)勢(shì)。

1）多源分布式定位能充分利用基站數(shù)量多的優(yōu)勢(shì)，提高定位精度；

2）接收站對(duì)輻射源方向不敏感，不需要進(jìn)行輻射源方位測(cè)量，減小了測(cè)角設(shè)備消耗；

3）單個(gè)接收站即可完成以低慢小目標(biāo)進(jìn)行定位，無(wú)需多站信號(hào)同步；也可多個(gè)接收站協(xié)同定位，僅需保證通信暢通，無(wú)需多站信號(hào)同步；

4）利用5G基站外輻射信號(hào)，隱蔽性好，且無(wú)需目標(biāo)自身輻射電磁波，可靠性高。

3 T2R多源分布式定位法

3.1 目標(biāo)相對(duì)時(shí)延提取

5G基站作為外輻射源，輻射源和接收站之間無(wú)法建立同步鏈路，無(wú)法實(shí)現(xiàn)者間的時(shí)間頻率同步，而是在接收端設(shè)計(jì)一個(gè)（或多個(gè)）參考接收通道，如圖1紅色箭頭所示，截獲輻射源的直達(dá)波信號(hào)sref(t)，另一通道接收經(jīng)目標(biāo)散射后的回波信號(hào)，如圖1藍(lán)色箭頭所示，將直達(dá)波信號(hào)與目標(biāo)的回波通道信號(hào)secho(t)進(jìn)行相關(guān)處理，從而提取目標(biāo)回波與直達(dá)波的相對(duì)時(shí)延差τ［1］。

圖1 外輻射源雷達(dá)相對(duì)時(shí)延差示意圖

5G基站采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)布站，每個(gè)基站天線為隨機(jī)定向天線，不考慮基站天線發(fā)射波角度，接收站采用同時(shí)多波束技術(shù)，可同時(shí)接收和處理多個(gè)基站的回波信號(hào)與直達(dá)波信號(hào)，從而可得到多個(gè)基站對(duì)于目標(biāo)回波與直達(dá)波的相對(duì)時(shí)延差τi。

因5G基站位置已知，可設(shè)基站與接收機(jī)距離為L(zhǎng)，目標(biāo)與基站距離為Rt，目標(biāo)與接收站距離為Rr，又因低慢小目標(biāo)一般飛行高度較低，為簡(jiǎn)化分析，下面以?xún)蓚€(gè)不同位置分析的基站輻射源為例，且目標(biāo)、基站和接收站簡(jiǎn)化在一個(gè)雙基礎(chǔ)平面內(nèi)進(jìn)行分析，如圖2所示，由距離關(guān)系可得：

圖2 相對(duì)時(shí)延差距離關(guān)系圖

即通過(guò)提取目標(biāo)回波與直達(dá)波的相對(duì)時(shí)延差τ，可得目標(biāo)與基站和接收站的距離和RSi。

3.2 T2R距離和橢圓定位法

設(shè)目標(biāo)位置為[x , y]，接收站位置為[x0,y0]，兩個(gè)基站位置分別為，則目標(biāo)到接收站的位置距離為

目標(biāo)到輻射源i(i=1,2)的距離ri為

可得目標(biāo)與輻射源和接收站的距離和Rsi為

根據(jù)式（1）可知，Rsi可由相對(duì)時(shí)延差計(jì)算得出，由此可以確定一個(gè)等距離和的橢圓，兩個(gè)基站與接收站確定兩個(gè)橢圓即可定位目標(biāo)位置，如圖3所示。

圖3 相對(duì)時(shí)延差距離關(guān)系圖

建立直角坐標(biāo)系，由于接收站為已方站，可設(shè)接收站位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，即x0=y0=0，代入式（4）簡(jiǎn)化可得：

即解得r0可能有兩個(gè)值r01，r02，如果這兩個(gè)值都小于0，則取正值為r0，如兩個(gè)值都大于0，還存在定位模糊問(wèn)題。

3.3 解決定位模糊問(wèn)題

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)基于5G信號(hào)的被動(dòng)雷達(dá)所面對(duì)的無(wú)源定位問(wèn)題，比較分析多種常用的無(wú)源定位方法，針對(duì)低慢小目標(biāo)特點(diǎn)，結(jié)合基于5G基站信號(hào)的被動(dòng)雷達(dá)目標(biāo)時(shí)差提取實(shí)現(xiàn)方法，在綜合分析對(duì)比多種無(wú)源定位方法的基礎(chǔ)上，提出采用T2R距離和橢圓定位法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，并對(duì)該方法的基本原理和定位實(shí)現(xiàn)步驟進(jìn)行了研究，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的無(wú)源定位。本文基于T2R距離和橢圓定位法的定位模糊問(wèn)題進(jìn)行了討論，提出了解決定位模糊的幾種方法，下一步在解決定位模糊、分析定位精度和目標(biāo)跟蹤算法上，還可以做進(jìn)一步研究。