返回散射单站定位技术应用研究

杨雷明　张曙光　黄晓静　田德元

摘要：传统的单站定位需要测向机同时提供天线阵接收信号的方位角和仰角，而仰角由于电离层的影响会产生剧烈变化，严重影响定位精度，给定位带来很多困难。为了降低电离层的影响，研究了单站定位中的方位-多普勒定位方法，并且根据在返回散射试验平台上获取的大量试验数据给出了数据分析结果。试验结果表明，此方法受电离层影响较小，具有较好的定位精度，符合工程应用要求，同时为后续的目标跟踪奠定基础。

关键词：单站定位;定位精度;方位-多普勒定位;返回散射

中图分类号：TN957      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）13-0273-03

Abstract： Traditional single station positioning requires direction finder to provide azimuth and elevation of received antenna array signal at the same time. Elevation will change dramatically due to the influence of ionosphere， which seriously affects the positioning accuracy and brings many difficulties to positioning.  In order to reduce the influence of ionosphere， the azimuth-Doppler positioning method in single station positioning is studied， and the data analysis results are given based on a large number of experimental data obtained on the backscatter test platform. The experimental results show that this method is less affected by the ionosphere， has better positioning accuracy， meets the requirements of engineering application， and lays the foundation for subsequent target tracking.

Key words： single station location; location accuracy; azimuth-Doppler; backscatter

1 背景

電波在电离层中的传播过程复杂，不同的电离层状态对无线电波的传播会产生不同程度的影响。由于电离层是有损的各向不均匀介质，因而无线电波在电离层中传播时会受到折射效应、色散效应、多径效应、多普勒效应、去极化效应等影响。此外，由于电离层的不均匀体结构会造成无线电波传播时产生相位、幅度、到达角以及极化特征的改变，从而出现电离层电波传播中常见的快衰落和慢衰落现象[1]，单站定位技术不仅能避免多站交会定位中需要多站协作而导致的如各站之间沟通不畅，时间不同步等一系列问题，而且有其独到的优势。它能够较为方便的与短波电子对抗，短波电台信号侦查等系统集成，从而完成短波信号的定位、侦查、识别，进而对其进行对抗、压制和打击。

目前，已有的单站定位方法多是采用利用电离层探测信息结合仰角和方位角来获得辐射源的位置。由于电离层的影响会导致接收仰角起伏不定，严重影响单站定位的定位精度。实际工作中，通过仰角进行单站定位的相对误差小于收发距离的10%是可以接受的[2]。而在天波超视距雷达中探测距离往往在1000km以上，10%的距离误差是不符合工程应用要求的。

为了降低电离层对单站定位精度的影响，对单站定位方法中的方位-多普勒定位方法进行了研究，首先介绍了返回散射探测试验平台，然后阐述了方位-多普勒定位方法原理，通过对该试验平台获取大量试验数据进行分析，给出了分析结果，试验结果表明，基于该试验平台的方位-多普勒定位方法受电离层影响较小，有较好的定位精度，符合工程应用要求，同时为后续目标跟踪奠定基础。

2 返回散射探测系统

返回散射探测是发射与接收装置位于同一地点，电波在被电离层反射后到达很远的地面，由于地面的不均匀性的散射作用，以致有一小部分能量再经由电离层反射返回到接收点而被接收的过程，如图1所示。由于返回探测覆盖范围比较广，能够得到沿探测方向上的大量电离层信息而得到广泛应用，在电离层探测中有着重要的作用[3-6]。

探测系统收发同站，采用的信号形式为线性调频脉冲，接收系统流程图如图2所示。

1） 模拟接收作为系统的前端接收设备，通过天线接收到射频信号后，采用超外差方式，对信号进行滤波放大，混频输出固定的中频信号。

2）数字接收采用A/D转换、数字下变频和滤波技术将中频信号转换至数字基带信号，实现了模拟中频信号的数字化，改善信号的信噪比。

3）通道校准对多个通道的基带数据进行标校处理，使各通道的基带数据满足幅相一致性要求。

4）脉冲压缩采用频率FFT方法，将校准后数据与线性调频信号进行匹配滤波，生成脉压数据。

5）多波束合成在指定区域内进行多方位的常规波束合成，生成多方位的波束合成数据。

6）相干积累将波束合成数据缓存指定的帧数，通过加窗和频率FFT方法最终生成返回散射探测电离层谱图。如图3所示。

图3为返回散射探测电离层谱图，横轴为多普勒信息，纵轴为群距离信息。由图3可以看出返回散射电离图有三条比较明显的竖线，中间为地杂波，两边为一阶海杂波Bragg峰，频率为[fbrag=0.102fob]，其中[fob]为目标探测工作频率，单位MHz，目标因移动速度产生的多普勒频率为[fd=2vcfob]，其中[v]为径向速度。图3中正负Bragg峰约为0.45 Hz，海杂波分别展宽到-0.6Hz和0.9Hz，对应最小径向速度分别为4.7m/s和7.1m/s。

3 方位-多普勒定位

方位-多普勒定位原理如下图所示。

如图4所示，电磁波信号从目标台发射，以仰角[β]在空中传播，在电离层高度为h处被反射回地面，到达测向站[7]。对地球采用球面模型，地球半径R，通过返回散射谱分析可以得到群距离P，利用电离层模型或者垂直探测仪可以获取的反射点电离层高度h，根据三角形余弦定理

4 试验结果分析

试验阵列为均匀线阵，阵元间距7米，阵元个数20个，频率19115kHz，采样率80k，脉冲重复周期100ms，积累次数1024。已知目标所在角度为102°。本文试验数据全部为夏季的试验数据。试验结果如下图所示，图6为全方向数字波束形成后得到的幅度值，由图中可以看出目标在102°附近时幅度最大，此时最大值所在的方位即为目标的估计方位。图7为多次测试形成的方位误差分布图，通过图7计算出的目标方位误差在[-0.5°，0.5°]之间，均方根误差为0.189°。

图8为通过多次计算分析得到的目标定位误差统计分布，通过图8可以看出目标的定位精度在30km以内，通过计算得出平均误差为16.2km，均方根误差为17.3km。图9为目标定位误差随时间变化曲线，由图9可以看出定位误差随时间变化而变化，总体趋势为早上和晚上定位误差较大，中午时分定位误差较小，主要是由于中午时分电离层电子浓度达到最高，电离层状态比较稳定，早晚电离层变化比较快，对电波产生不规则散射造成电波传播特征的变化，以及电离层高度产生变化的原因，导致定位误差增大。

5 结论

利用方位-多普勒定位方法在返回散射探測平台进行目标定位需要获取目标的方位、距离以及电离层高度信息。试验结果表明，目标的方位误差受电离层的影响起伏变化不大，距离误差和电离层高度误差由于电离层影响会在一定范围内起伏变化，但是基本在要求以内，没有出现较大的误差变化，可用度高。与传统的单站定位小于收发距离10%的定位精度相比，本文算法精度较高，受电离层变化影响较小，满足工程应用要求，同时也为后续的目标跟踪奠定了基础。

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【通联编辑：谢媛媛】