无源探测技术大作业二测向交叉定位方法

无源探测技术作业
主讲老师：成萍
作者
无源探测技术中测向交叉定位方法原理及应用
1、无源探测技术简介
现代化战争是高科技的战争。

为了在战争中彻底准确摧毁敌方有生力量，瓦解敌方的战斗体系，保障我方部属安全，就需要知道敌方的准确位置。

于是，定位技术成为现代战争体系中一项必不可少的关键技术，作为电子对抗的重要组成部分，一直受到人们的关注。

所谓定位是指，由单个或多个分布式的有源或无源探测器，通过探测目标（散射体或辐射体）反射或发射的信号，分析信号中的数据和有关参数，应用合适的数据处理方法，估计出目标在空间中的位置。

通常，按探测器种类划分，定位可分为有源和无源两大类。

有源定位指探测器自身要发射电磁波，通过接收目标的反射波和相关信息进行定位，其中最主要的就是雷达对抗技术。

从最近几次高科技局部战争来看，针对传统雷达的电子干扰和抗干扰斗争愈发激烈，参战单位更注重隐身，反辐射导弹成为新宠，同时低空突防技术也获得更大发展。

这些都使得传统雷达探测定位技术面临的障碍不断增加，使人们意识到必须发展新的定位技术。

无源定位因此深受青睐，其发展速度一直呈上升趋势。

所谓无源定位就是指，探测器自身不发射电磁波，仅利用目标本身辐射或散射第三方辐射波进行定位。

相对于有源定位，其具有隐蔽性和反电子侦察能力强的突出优点，从而成为现代战争中机载对敌、对海攻击以及对付隐身目标的远程预警系统的重要组成部分，大大提高了战斗系统在电子战环境下的生存能力和作战能力。

相对于传统的有源定位系统，无源定位系统有以下四大优点：
1、最大的优点在于工作时本身不发射电磁能量，具有良好的隐蔽性，能有效地抵抗反辐射导弹和反侦察定位系统，生命力强，适应环境快。

2、无源定位技术与收发分置的双基或多基雷达系统类似，且工作在甚高频和超高频，因此能更有效地对隐身目标进行探测定位。

3、无源雷达系统自身不发射信号，省去了昂贵的高功率发射机和收发开关及相关电子设备，使系统制造和维护成本大幅降低。

当前，世界上一些国家在新型功率器件方面对我国采取禁运的手段，因此此项优点对我国情况有很大吸引力。

4、外辐射源的天线都设置在贴近地面的高处，因此对低空飞行的飞机和巡航导弹有利，具有良好的抗低空突防性能。

2、测向交叉定位方法的原理
2.1测向交叉定位方法简介
用无源定位的方法获取辐射源的位置信息是现代雷达系统的一项重要任务，测向交叉定位方法是无源定位中应用最多的一种。

测向交叉定位方法又称三角定位法，在二维或三维空间上经过射线交叉测定目标位置，是无源定位中使用最多的一种定位方法。

通过移动机载或地面单站的移动，在不同位置多次测量方位，利用方位线的交会进行定位，或者通过空载或地面固定多站的测角系统所测得的指向线交会进行定位。

测向交叉定位系统具有全方位、快速、探测距离较远、在受到干扰的情况下仍能正常工作等优点，是目前无源定位方法中发展较早、研究较为成熟、应用较为广泛的一种无源定位技术。

俄罗斯、以色列、美国和捷克等国都已有相应军事应用。

2.2二维交叉定位算法原理及误差分析
无源定位显然不限定于平面问题。

即使侦察点和目标辐射源都在地面，如果问题所涉及的地域达到几百公里，那么地球的曲率也将成为必须考虑的因素。

但是，当目标辐射源以超低空飞行，或者目标飞行高度只有探测距离的百分之一以下时，可以把这种情况近似为平面问题，引入二维定位算法，这时误差比人们想象的要小。

在二维交叉定位中，各雷达站通过高精度的测向设备获得辐射源的方位角。

根据两个雷达站之间的相对位置和目标辐射源的方位角就可用二线交叉定位演算出目标的二维方位坐标。

为了提高定位的精度，可采用多站布局，在此文中以二站布局说明二维交叉定位方法的原理。

两条射线的交叉定位，使用两部雷达建立一条测量基线，如图1所示。

设主基地雷达站O的坐标（0，0），可测量雷达站A（，）到O的距离L，以及A相对于O的方位角。

M为目标辐射源位置，M（，Y）为其坐标。

其中和为雷达测向所探测的目标方位角。

由简单的数学推导和三角关系可得出A（，）和M（，Y）的关系。

（1）
（2）其中，
（3）
图1 二维测向交叉定位原理图
测向交叉定位的基础是各观测站实现对目标辐射源的精确测向。

受天线接收波束宽度的限制，传统雷达测向精度为，所以当目标距离较远时，定位精度较差。

如图2所示。

图2中、为O，A两观测站对目标M的无源探测方向，虚线为测向精度。

当目标在四边形EFGH中任意一点分布时，都会被定位在M点。

如果测角精度较大或目标较远，四边形EFGH范围较大，目标定位误差较大。

图2 测向精度对定位的影响
定位误差与参数、、、的测量误差、、、有关。

对式（2）求微分可得：
（4）
（5）假设各项测量误差相互独立且服从零均值的高斯分布，即。

记，。

当测量误差较小时，可以近似地用代替式（4）、式（5）中的d，有
（6）
（7）
（8）
所以定位精度GDOP（Geometric Dilution of Precision）为
（9）2.3双基地三维空间定位算法及误差分析
假定条件如下：
（1）目标距离侦察站较远，暂不考虑地球曲率的影响；
（2）每个测量站的测量结果都相互独立，互不相关；
（3）各测量误差均是0均值、不相关的高斯白噪声；
（4）站址各分量的测量误差之间以及与其他测量误差之间都是相互独立的，并且具有相同的方差值。

设一个双基地系统，对辐射源进行三维测向交叉定位的示意图如图3所示。

图3 三维测向交叉定位方法原理图
分析图3中的几何关系，根据三角关系可得如下方程：
（10）
= （11）
（12）其中，
（13）根据式（11）、（12）、（13）、（14）可以得到方程组：
（14）可简记为：
（15）
求解方程组即可得目标的坐标：
（16）下面进行三维交叉定位算法的误差分析。

首先，得到目标与布站位置相关的系数矩阵：
（17）定位误差协方差矩阵：
（18）则得到定位精度的几何稀释为：
（19）3、测向交叉定位方法的军事应用
测向交叉定位系统具有全方位、快速、探测距离较远、在受到干扰的情况下仍能正常工作等优点，是目前无源定位方法中发展较早、研究较为成熟、应用较为广泛的一种无源定位技术，国外已有多种无源探测系统，下面列举几例典型的采用交叉定位体制的无缘探测系统：
（1）塔马拉-B（TAMARA-B)无源探测系统。

由前华约集团和捷克研制，主要用于对空中、海上及陆地目标定位和目标信号特性检测，可作为预警探测系统和侦察系统。

塔马拉系统由3个测量站：中心站、左站及右站组成，通过测量到达时间差对目标进行二维定位。

下一代为维拉无源雷达系统。

（2）EL/L8300G电子支援系统。

以色列研制的地基被动式电子支援系统，用于对空监视和空中侦察。

系统采用三站测向交叉定位体制。

（3）洛克希德.马丁公司最近研制的“静默哨兵”无源定位系统。

它利用FM广播信号作为照射源探测跟踪飞机和导弹，可在125mile~136mile的距离上观测到10m2的目标。

（4）俄罗斯的BETA85 B2-A三坐标电子情报站，采用三站测向交叉定位体制。

（5）维拉（VERA-E）无源雷达系统。

由捷克ERA公司研制，是捷克上一代无源监视系统“塔玛拉”的后继产品，而在“塔玛拉”系统之前，捷克在上个世纪60年代和70年代还分别研制过“科帕奇”和“拉莫那”系统。

维拉无源雷达系统是一种可移动的用于对空中、地面和海上目标进行定位、识别和跟踪的电子情报和无源监视系统。

它可以提供迄今为止只有有源雷达才能提供的功能。

维拉无源雷达系统是一种可探测隐
身飞机之系统，曾在科索沃战争击落美国F-117隐身攻击机过程中发挥了作用。

F-117于2008年退役，取而代之的是F-22。

4、测向交叉定位方法展望
与有源定位相比，无源定位具有较突出的优点，是未来探测定位的发展方向。

测向交叉定位接收机及信号处理相对比较简单，传统有源雷达的接收机及信号处理设备经改造可以完成无缘探测任务，便于对传统雷达进行组网。

测向交叉定位采用窄波束搜索式测向，天线增益高，探测距离远。

而且多站信号的相互匹配比其他无源定位方法容易实现。

对测向交叉定位精度进行研究，使交叉定位在实现时能尽可能避免误差，提高定位精度。

无源测向交叉定位在最近几次战争中发挥的作用使我国开始重视无源雷达系统的研究，并自主研发了DWL002被动探测雷达系统等系统。

伴随着攻击战机、反辐射导弹等进攻武器的不断发展，性能不断提高，无源测向交叉定位系统的性能也将不断提高，并将在未来战争的反隐身、反突防等领域发挥显著的作用。