海上动平台间测距测向误差分析.pdf

:./.收稿日期:修回日期:基金项目:装备预研基金项目(.)海上动平台间测距测向误差分析吕盼盼顾 苏王雪琦付 林(中国船舶集团有限公司第八研究院南京)摘 要:针对站间距在 范围内的无源测向交叉定位系统推导采用中继模式进行信号超视距传输时的测距测向误差计算模型利用射线追踪法推导在强波导环境下的测距误差计算模型 仿真结果表明在中继模式下测向误差和视距时双站相互测向误差基本一致测距误差受观测站与中继站的几何位置及站间距离影响当观测站与中继站处于同一直线时测距误差和视距传输时基本一致在强大气波导环境下测距测向误差和视距传输时基本一致为雷达、通信等无线电电子系统的使用提供了参考和依据关键词:超视距传输大气波导测距误差中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():().:引 言面对电子对抗、隐身技术的高速发展无源定位在未来战争中的作用愈加凸显 海上无源测向交叉定位系统的观测站点一般处于非静止状态为保证系统正常工作和定位性能要求观测站点之间具备稳定的信息传输和高精度的相互测距测向能力 当海上无源测向交叉定位系统工作在符合传输距离要求的功率时正常大气环境基本不影响视距范围内观测站点之间的电磁波传输质量其视距传播距离由雷达天线架高决定 当信号超视距传输时海上无源测向交叉定位系统观测站之间的工作模式受大气环境影响须评估海洋大气环境选择合适的模式完成信号超视距传输第 卷 第 期 年 月雷达与对抗 .信号超视距传输有中继和大气波导两种传播模式其中大气波导是在特定的海洋大气环境下形成的一种自然现象它能够使电磁波在海平面附近传播我国海域辽阔大气波导发生概率高、面积大可根据雷达回波图像予以确定 在无大气波导或弱大气波导环境下观测站点间需要通过中继站高质量完成信号超视距传输 在强大气波导环境下须评估电磁波波长、发射源与大气波导相对位置和发射仰角等参数判断信号超视距传输的质量虽然国内外对海上信号超视距传输开展了大量的研究工作但研究重点主要集中在超视距传播机理、雷达目标探测性能、通信距离等方面 对类似于二次雷达的海上平台间相互测向测距的误差研究较少本文研究信号超视距传输时在不同传输模式下的相互测距测向误差 选取典型的基线长度建立中继模式下的测距测向误差计算模型利用模型仿真计算的蒸发波导环境采用射线追踪算法研究信号超视距传输时的测距误差为后续无源测向交叉定位系统在不同大气环境下的应用提供理论基础有利于充分发挥现有电子装备的效能 中继模式误差模型海平面无大气波导或弱大气波导条件下超视距场景时须利用中继站进行电磁波超视距传输完成观测站点间的基线测距测向工作 在中继模式下基线的测量误差主要分为三部分:一是测量因素引起的误差如两站的距离测量误差和方位测量误差等在系统标校完成后特性参数是已知的一般假定修正后的误差数据服从均值为零的高斯分布二是受地球曲率影响在两点直线距离小于 时地球曲率对距离误差的影响小于 因此可以忽略地球曲率的影响三是参数误差主要受三站相对几何位置和站间距离大小影响 本节主要研究几何位置及站间距离对动平台间基线测距测向误差的影响中继传输模式如图 所示站 和站 为观测站站 为中继站站 与站 可相互获得测距测向结果站 与站 可相互获得测距测向结果 为站 至站 距离为站 至站 距离 为站 相对于站 方位 为站 相对于站 方位 站 与观测站之间夹角为 站 与站 的距离为 图 中继模式信号传输模式示意图.测距误差模型根据余弦定理由图 可知站 与站 的距离为 ()()()假设视距范围两站相互测向测距误差均服从零均值的高斯分布且相互独立对应、测量误差标准差分别为、则站 对站 的测距误差标准差为()利用式()计算各个变量的一阶偏导其结果分别为()()()()()()()()()()()()采用蒙特卡洛方法对基线的计算过程进行误差特性分析以确定在基线距离解算过程中各参数误差对最终转换误差的影响程度基线测距误差传递函数为 ()()().测向误差模型由图 可知站 相对于站 的方位为吕盼盼 等 海上动平台间测距测向误差分析 ()()()则站 对站 测向误差的标准差为()利用式()计算各个变量的一阶偏导其结果分别为 ()()()()()()()()()()()()根据式()基线测向误差为 ()()()波导内传输模型射线追踪法是研究电磁波在大气波导内传播的常用方法相较于其他建模方法该模型能够给出特征射线到达接收天线的相对时延差 射线追踪法基于斯奈尔定律和修正折射率公式在给定发射源位置和电磁波初始发射仰角时可通过泰勒二阶近似算法得到波导环境中的射线轨迹 为便于分析及射线轨迹描述本文采用大气修正折射指数将地球弯曲表面处理成平面模型 轨迹计算公式如下:()()()(/)()()()式中、分别对应高度为、地面距离为、处的仰角、为对应的几何光学路径长度 为当前高度处的修正折射率梯度 ()为、高度处的修正折射率之差则由大气波导传播导致的基线距离测量误差为 ()在计算过程中高度步长设定为固定值 根据 判断射线是否被波导捕获 若其值为负则该射线在当前位置被波导捕获射线方向发生反转反之则未被捕获 当 时射线经地面全反射后继续向上传播 当大气剖面均匀、反射面为平面时被波导捕获的射线在波导内做周期性跳跃大气波导模式的测距误差为 ()式中 为其他误差包括信噪比、码元宽度和平台时间同步精度等导致的误差由式()()和式()可知当各平台系统误差相同时采用中继传输模式测距误差主要受平台间距离、几何态势影响利用大气波导传输时测距误差主要受电磁波传播轨迹影响 仿真试验.中继模式仿真试验中继站设置在站 和站 的中垂线上 与 距离一致研究中继站与观测站之间夹角 变化导致的误差变化情况 假设观测站与中继站相互测距误差均服从均值为、标准差为 的高斯分布分别对测向误差均服从均值为、标准差为.和均值为、标准差为.的高斯分布作 次蒙特卡洛试验则中继模式下基线测量误差如图 和图 所示由图 和图 可知当观测站与中继站距离一定时观测站与中继站夹角 越大测距误差越小当观测站与中继站处于同一直线时测距误差最小和视距时双站相互测距误差基本一致不受站间距离影响当 一定时观测站与中继站距离越远测距误差越大测向误差受站间距离、相对位置影响较小和视距时双站相互测向误差基本一致雷达与对抗 年 第 期()基线测距均方根误差()基线测向均方根误差图 测向误差标准差为.时基线测量误差()基线测距均方根误差()基线测向均方根误差图 测向误差标准差为.时基线测量误差.大气波导传输仿真试验根据大气波导传播理论只有满足电磁波发射仰角小于临界发射角、电磁波频率大于最低陷获频率和发射源位于波导层内条件时电磁波才可以在大气波导内传播 零度角是最易被波导俘获的发射仰角在发射高度附近会因强折射效应反射回地面 信号在海平面传输时一般在 仰角发射信号假设波导高度为 电磁波发射仰角为 图、图 分别给出了雷达天线在不同架高时的电磁波在大气波导内的传播轨迹和测距误差 可以看出发射天线高度越高测距误差越大 大气波导射线轨迹导致的误差和双站间的测量误差相比可以忽略不计图 雷达天线不同架高时电磁波传播轨迹图 雷达天线不同架高时大气波段传输距离误差表 给出了信号超视距传输时不同模式下动平台间测距误差 值在满足信噪比要求条件下大气波导测距精度优于中继模式测距精度受链路距离影响较小表 不同模式下动平台间测距误差 值链路距离/中继模式测距误差/波导传输误差/.试验验证海上动平台间的测距测向误差主要包括系统差和随机差属于系统固有误差在系统标校完成后特性参数是已知的测距测向精度主要受动平台间链路质量影响 根据动平台天气预报系统可完成对大气波导路径损耗、大气波导高度的评估预测选择合适的发射功率保证通信链路质量表 给出了海上两动平台在通信链路质量良好时平台间相互测距测向试验部分相关数据 在大气波导条件良好时动平台间超视距测距测向精度和视距传输时相当 在强大气波导条件下海上动平台间可(下转第 页)吕盼盼 等 海上动平台间测距测向误差分析即可组成完整网络 其中中心节点位于网络边缘、组网流程中各类定时器初始值设置等均可能导致组网时延过大表 多节点场景组网时延仿真结果序号组网时间/序号组网时间/.结束语网络仿真技术能为网络的规划设计和性能优化提供定量化的分析评估依据提高通信网络开发效率本文中针对某通信网络节点特性与通信协议建立网络仿真模型并进行仿真试验仿真结果表明多节点的通信网络单节点可在 概率下于 内与其他节点建立通信各节点在 内可组成完整通信网络仿真结果可为该项目中的网络通信协议开发与通信节点软硬件研制提供设计参考参 考 文 献陈敏.网络仿真.北京:清华大学出版社.陆莹.基于无线传感器网络的组网可靠性研究.天津:天津大学.蔡士鼎程安潮周伊荟.基于 的无线信道接入控制技术及协议建模仿真研究/第十届中国指挥控制大会论文集:.李海滨唐晓刚吴署光.基于 的移动自组网路由协议性能仿真分析.卫星与网络():.作者简介:李翰林 男 年生助理工程师硕士研究方向:雷达总体陈传良 男 年生助理工程师硕士研究方向:雷达总体裴 江 男 年生高级工程师硕士研究方向:雷达协同探测(上接第 页)以直接完成信号超视距传输和相互测距测向其测距测向误差主要受系统精度影响表 海上两动平台相互测距测向试验相关数据试验测距精度/测向精度/()视距超视距视距超视距.结束语海上基线长度在 范围内的基于两动平台的无源测向交叉定位系统可根据大气环境选择合适的传输模式 在无大气波导或弱大气波导条件下可采用中继模式完成信号超视距传输为降低测距误差和增加基线长度中继站位置应尽量与观测站保持在同一直线上 在强大气波导环境下可利用大气波导直接完成海上动平台间信号超视距传输实现高精度测距测向功能 通过理论分析本文为后续无源测向交叉定位系统在海洋作战环境下的应用提供理论基础为雷达、通信等无线电电子系统的使用提供参考对发挥现有电子装备的效能具有指导意义 由于仿真没有考虑码元传输速率、链路质量等其他因素的影响在下一步工作中将进行深入探究参 考 文 献 李伟张奥狄张建祺.大气波导对雷达测距和测高的影响.现代防御技术():.董翔慈颖盛午刚等.大气波导对无源定位差分时延精度的影响.电波科学学报():.赵楼杨坤德杨益新.海洋蒸发波导信道的多径时延.探测与控制学报():.关振红陈加清刘子孺.海洋蒸发波导条件下电磁波传播轨迹分析/第 届中国气象学会年会第三届气象综合探测技术研讨会分会场论文集:.朱磊向龙凤崔苇波等.单舰双基地声纳鱼雷定位技术及误差分析.电子信息对抗技术():.作者简介:吕盼盼 男 年生助理工程师硕士研究方向:雷达信号处理顾 苏 男 年生高级工程师硕士研究方向:雷达协同组网总体王雪琦 男 年生工程师硕士研究方向:雷达信号处理付 林 男 年生研究员博士研究方向:雷达总体雷达与对抗 年 第 期