基于干涉仪辅助测量的空中运动目标高度跟踪方法.pdf

2023,38(4)电子信息对抗技术Electronic Information Warfare Technology 中图分类号:TN953.7 文献标志码:A 文章编号:1674-2230(2023)04-0039-06 引用格式:张东,余昊,谢振杰,等.基于干涉仪辅助测量的空中运动目标高度跟踪方法J.电子信息对抗技术,2023,38(4):39-44.基基于于干干涉涉仪仪辅辅助助测测量量的的空空中中运运动动目目标标高高度度跟跟踪踪方方法法张 东,余 昊,谢振杰,王 欣,孟 涛(中国电子科技集团公司第二十九研究所,成都 610036)摘 要:对空中机动目标的三维无源定位,现多采用四站时差定位方法。由于受地形遮挡等条件限制,四站时差定位系统有时无法同时侦收到同一目标信号而退化为三站时差,无法实现高度测量。且由于四个侦察站的高程差限制,即使四站同时侦收到目标信号时也存在高度测量误差较大的问题。针对该问题,设计了一种基于时差定位和多通道相位干涉仪测向相结合的三维无源定位方法。该方法在三站情形下也可实现三维定位,在四站情形下通过统计信息网格(Statistical Information Grid,STING)聚类融合四站时差定位高度和干涉仪辅助测量高度,显著减小高度测量误差。关键词:空中目标;三维定位;相位干涉仪;STING 聚类DOI:10.3969/j.issn.1674-2230.2023.04.007Height Tracking Method of Aerial Moving Target Based on Interferometer Aided MeasurementZHANG Dong,YU Hao,XIE Zhenjie,WANG Xin,MENG Tao(Southwest China Research Institute of Electronic Equipment,Chengdu 610036,China)Abstract:Four-station time difference of arrival(TDOA)algorithm is widely used for 3D pas-sive location of airborne targets.Due to the limitation of terrain occlusion and other conditions,the four-station TDOA positioning system sometimes fails to detect the same target signal at the same time and degenerates into the three station TDOA,unable to achieve altitude measurement.Due to the limitation of the elevation difference of the four reconnaissance stations,even if the four stations detect the target signal at the same time,there is a problem of large height measure-ment error.An algorithm based on the combination of TDOA and interferometer direction finding is proposed.3D positioning in the case of three stations is realized.In four-station scenario,the height measurement error is significantly reduced by fusing the height measured by TDOA and the interferometer based on statistical information grid(STING)cluster.Key words:airborne target;3D location;interferometer;STING clustering1 引 言无源时差定位具有电磁静默特性,可以实现较高的定位精度,是现代电子侦察的重要手段。特别是四站时差定位能够获得目标的三维位置信93收稿日期:2022-05-02;修回日期:2022-10-26通信作者:张东作者简介:张东(1990),男,硕士,工程师;余昊(1992),男,硕士,工程师;谢振杰(1983),男,硕士,高级工程师;王欣(1985),男,博士,高级工程师;孟涛(1986),男,硕士,工程师。张 东,余 昊,谢振杰,王 欣,孟 涛基于干涉仪辅助测量的空中运动目标高度跟踪方法网址:邮箱:eiwt 息,主要用在地面固定或车载基站对空中机动目标的跟踪定位方面。现四站时差定位系统对于空中运动目标三维定位具有以下问题:一是目标多采用窄波束天线发射和扫描模式,四站一般不能同时截获目标主瓣信号而只能基于副瓣侦收定位,三维时差定位需要四站同时获取目标高信噪比的信号,这一苛刻要求使得系统输出空中运动目标有效三维定位信息的数据率较低1;二是受地形遮挡等条件限制,可能导致各侦察站与目标之间不通视,系统四站不能同时截获目标辐射信号,此时,四站系统可能退化为三站系统,只能对目标进行二维定位;三是在地球表面布站,受地形条件限制,四个侦察站的位置很难同时获得较大的高程差和站间距,导致测高误差较大2。针对时差定位系统降维和高度定位误差大的问题,文献3提出了利用测向辅助,实现三星三维无源定位。文献4则证明引入测向角,能有效改善低空目标高度测量精度,但将系统分为三子系统,采用三站时差+测角的方式实现三维定位,目标高度信息仅来源于子系统的测角信息,未对四站时差定位结果和干涉仪辅助测高结果进行融合。在此研究基础上,本文提出将干涉仪高精度测向(俯仰角)结合四站时差定位应用到对空中运动目标的三维定位方面。通过相位干涉仪测量俯仰角辅助测高,使系统在退化为三站的情形下,仍具备三维定位能力,显著提高目标高度信息的数据率。通过融合四站时差定位高度和干涉仪辅助测量高度,显著减小高度测量误差。2 系统设计2.1 工作原理四站无源定位系统由一个侦察主站和三个侦察副站组成,如图 1 所示。其中三个副站转发接收到的目标信号到主站,副站在主站的协同控制下完成信号接收和转发功能。在主站完成时差提取、定位计算等工作,获得目标的三维坐标信息。同时主站配备的干涉仪接收处理机对机载雷达信号进行俯仰测量,结合时差定位的目标距离辅助测量目标高度。图 1 四站无源定位系统系统采用长基线转发时差定位体制。在主站检测到信号后,通过相关处理等数字信号处理方法增加信号处理增益,实现微弱信号的检测和时差提取,有效改善时差定位宽空域覆盖和高灵敏度之间的矛盾。利用主站的多通道相位干涉仪,测量目标的俯仰角度。利用主站时差支路获取的目标高信噪比信号引导提取主站的干涉仪信号相位差。时差与干涉仪在中频信号检测后进行融合处理,实现脉冲描述字(Pulse Description Word,PDW)级的数据融合,确保时差与干涉仪信号的准确匹配,同时也有助于完成复杂电磁环境下的多脉冲信号分选。在主站和任意两个副站收到目标信号时,就能对目标实现三维定位,提高了目标三维定位信息的数据率。同时,干涉仪测量目标俯仰角度的精度只与干涉仪基线长度、目标信号频率、相位测量精度有关,与系统的布站形式无关,这样受地形条件限制小,从而提高了目标的高度测量精度。2.2 时差提取由于噪声具有随机性,则噪声和信号不相关。采用基于时域信号相关进行信号检测,能够在噪声中检测出淹没的微弱信号。同一目标到达各站的信号具有纯延时特性,利用互相关后的峰值,可提取副站转发信号与主站信号的到达时差。04电子信息对抗技术第 38 卷2023 年 7 月第 4 期张 东,余 昊,谢振杰,王 欣,孟 涛基于干涉仪辅助测量的空中运动目标高度跟踪方法对于同一目标辐射的信号,设主站收到的信号为 x1(t)=s1(t)+n1(t),三个副站收到的信号为xi(t)=si(t)+ni(t)(i=2,3,4),si(t)为信号,ni(t)为叠加在信号上的噪声,i=1,2,3,4。对于同一目标辐射的信号,各站收到的信号具有纯延时特性,主站收到的信号为 s1(t),则三个副站收到的信号为 si(t)=s1(t-ti),其中 ti表示各副站收到信号相对于主站收到信号的时间差,i=2,3,4。则主站与副站信号互相关函数为:Rx1xi()=Ex1(t)xi(t-)=E(s1(t)+n1(t)(si(t)+ni(t)Es1(t)s1(t-ti-)=Rs1s1(-ti),i=2,3,4(1)根据自相关特性 Rss(0)Rss(),则 Rss()在=ti时出现峰值。因此主站信号自相关函数峰值出现时间和副站信号与主站信号互相关函数峰值出现时间的时间差就是信号到达副站与主站的时间差。2.3 相位差提取干涉仪各通道接收到的同一目标辐射信号频率相同,幅度基本接近5。对于周期性的信号,主站干涉仪各通道收到的信号为 si(t)=Aicos(t+i)(i=1,2,3,4),其中 Ai为信号幅度,i为信号初相位。由于信号与噪声,噪声与噪声之间互不相关。根据相关函数定义,干涉仪通道 24 信号与通道1 信号之间进行互相关可得:Rx1xi(0)=1kTkT0 x1(t)xi(t)dt=A1Ai2cos(i-1),i=2,3,4(2)干涉仪各通道信号自相关可得:Rx1xi(0)=1kTkT0 xi(t)xi(t)dt=A2i2(3)式(2)和式(3)中,T 为信号周期,k 为正整数。则通道 24 与通道 1 信号的相位差可以表示为:i-1=arccosRx1xi(0)Rx1x1(0)Rxixi(0)(),i=2,3,4(4)由式(4)可得到干涉仪 24 通道与 1 通道信号之间的相位差。3 定位解算3.1 四站时差定位在主站地理坐标系中,目标 T 的位置为(x,y,z),主站的位置为(x0,y0,z0),左站、右站、后站的位置分别为(xi,yi,zi)(i=1,2,3)。如图 2 所示。图 2 时差定位原理则定位方程6为:r0=(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2ri=(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2ri=ri-r0=cti,i=1,2,3(5)式中:r0为目标到主站的距离,ri为目标到副站的距离,ri=ri-r0为距离差,ti为时间差,c 为电磁波传播速度速。由式(5)可得:AX=B(6)式中:A=x0-x1 y0-y1 z0-z1x0-x2 y0-y2 z0-z2x0-x3 y0-y3 z0-z3,B=k1+r0r1k2+r0r2k3+r0r3,X=xyzT,矩阵 A 表示主站与三个副站之间的位置关系。由 ki=12r2i+(x20+y20+z20)-(x2i+y2i+z2i)解得目标位置为:X=(ATA)-1ATB(7)由于 Chan 算法受测量误差影响大,Taylor 级数展开法对初始值选择敏感,因此,式(7)一般用14张 东,余 昊,谢振杰,王 欣,孟 涛基于干涉仪辅助测量的空中运动目标高度跟踪方法网址:邮箱:eiwt Chan 算法估计初值并用 Taylor 级数展开法递归求解7。3.2 干涉仪测角四通道干涉仪测向的基本工作原理如图 3 所示。图 3 四通道干涉仪测向原理垂直放置天线 14,间距为 d1,d2,d3。当空间来波的俯仰角为 时,天线 1 和天线 2 收到的信号分别为:PA=Pexp(j(t-2R-2dsin)(8)PB=Pexp(j(t-2R)(9)由式(8)和式(9)可得:ln(PB)-ln(PA)=ln(PB/PA)=j2d1sin(10)因此到达天线 1 和天线 2 的相位差为:1=2d1sin(11)由于基线长度 d1已知,为信号波长,可由测量信号频率后计算获得,1为通道 1 和通道 2信号间的相位差。由式(11)可得信号的入射俯仰角:=arcsin(12d1)(12)入射角 与频率有关,且是非线性的。当 d1较大时,得到的 1不是信号之间的真实相位差,而是真实相位差对于整周期 2 的一个余数。于是 1变为 1+2k,k 为任意正整数,对应于较高频率的解,k 的取值不确定,导致相位模糊,得到实际相位的过程就是消除模糊。消除模糊的办法,是在同一条基线方向上采用几个长度不同的基线,通过多基线和组合虚拟基线的方法消除模糊8。3.3 干涉仪辅助定位当主站和任意两个副站收到目标信号,系统退化为三站系统,定位方程为:r0=(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2ri=(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2ri=ri-r0=cti,i=1,2(13)对于式(13),无法直接解算目标的三维坐标(x,y,z)。一般假设目标位于主站地理坐标平面内,即 z=z0,解目标二维坐标(x,y)。在主站可精确测定目标仰角的情况下,可有以下关系:tanz-z0(x-x0)2+(y-y0)2(14)解方程式可获得目标的三维初值位置(x,y,z)。根据三维初值位置(x,y,z)更新 r0,并利用更新后的 r0迭代计算新的目标位置(x,y,z),直至前后两次 r0之间误差满足设定门限则停止迭代,得到目标位置(x,y,z)。4 高度融合 根据不同情形,目标高度测量的处理方法不同:(1)当四站同时有效截获目标信号时,系统的时差定位高度和干涉仪辅助测量两种高度均有效,将融合后综合输出目标高度。(2)当某一副站不能截获目标信号时,退化为三站时差定位,纯时差定位无法测量高度,则采信干涉仪辅助测量值为目标高度。在时差定位高度和干涉仪辅助测量两种高度均有效时,测量目标的高度受到干涉仪测量精度、时差测量精度、布站方式等多种因素的影响,两种高度值存在差异。且由于高度定位误差较大,一般存在高度值飞点(高度值突然跳变)。高度融合将在没有先验知识的情况下,对两种高度数据进行分析处理,最终得到目标稳定的高度变化情况。由于系统获取的高度数据多源,且存在飞点,24电子信息对抗技术第 38 卷2023 年 7 月第 4 期张 东,余 昊,谢振杰,王 欣,孟 涛基于干涉仪辅助测量的空中运动目标高度跟踪方法可通过聚类方法将高度值融合后输出。目前聚类算法主要分为划分方法和分层方法。划分方法需要一定的先验知识作为划分标准。分层方法则是将所有的数据划分为不同的簇,通过自顶向下或者自底向上的方法对每一簇进行切割或合并9。当前常用的聚类算法包括 K-means 算法、统计信息网格(Statistical Information Grid,STING)算法、CURE(Clustering Using Representatives)算法、DB-SCAN(Density Based Spatial Clustering of Applica-tions with Noise)算法等。其中 K-means 算法要求给定 k 值,而 k 值难以确定,对初始聚类中心敏感,扰动的聚类初始中心严重影响聚类的准确性10。CURE 算法伸缩性强,但依赖于用户的干预11。DBSCAN 算法需要用户预先设置一些参数,且算法对参数大小非常敏感12。不同算法的特性如表 1 所示。表 1 聚类算法对比表方法可伸缩性 知识依赖 噪声敏感输入顺序敏感K-means较高大敏感敏感CURE较高大不敏感一般DBSCAN一般较大一般一般STING高小不敏感不敏感高度数据是以时间序列输入,且存在变化。因此采取改进的 STING 聚类算法,将获取的高度数据通过时间序列进行划分,形成不同的向量单元。单个向量单元的聚类输出仅依赖上一向量单元的结果,运算时间代价小,支持实时解算,保证系统的响应时间13。5 试验验证 试验条件如下:目标:X 频段,窄波束扫描模式,中低重频。各站部署位置如表 2 所示。表 2 各站与主站相对位置表站别距离/km方位/()高度/m主站-21左站35.792.7623右站25.3189.81 130后站16.1320.8361 (1)试验场景一:机动目标全程飞行高度为10 000 m,验证高度测量精度,试验结果如图 4 所示。图 4 等高飞行从实验结果看,在目标等高飞行时,时差定位高度值在较远处相对误差和跳变范围较大。干涉仪辅助测量高度值相对误差和跳变范围较小。干涉仪辅助测量高度值更容易聚类有效,融合后的高度值也更多采信了干涉仪辅助测量的高度。在四站时差无法测量目标高度情形下,通过三站+干涉仪辅助测高,能有效给出目标高度。融合输出的高度值更加平稳,且误差较时差定位更小。(2)试验场景二:机动目标变高飞行,验证跟踪目标高度变化的能力,试验结果如图 5 所示。图 5 变高飞行从实验结果可以看出,在目标变高飞行时,时差定位和干涉仪都能跟踪目标高度的变化趋势,但时差定位误差和跳变范围均较大,在四站时差无法测量目标高度情形下,通过三站+干涉仪辅助测高,能有效给出目标高度,干涉仪辅助测量高度值更容易聚类有效。通过 STING 聚类算法融合时差定位高度和干涉仪辅助测量高度后,综合34张 东,余 昊,谢振杰,王 欣,孟 涛基于干涉仪辅助测量的空中运动目标高度跟踪方法网址:邮箱:eiwt 输出的高度值相对平稳,能够全程稳定跟踪目标的高度变化,且误差更小。6 结束语 通过多通道干涉仪辅助四站时差定位系统测量高度,可在四站时差无法测量目标高度情形下,通过三站+干涉仪辅助测高实现三维定位,提升目标高度数据输出率。同时,利用聚类算法融合时差定位高度和干涉仪辅助测量高度,能显著减小四站定位系统的高度测量误差,对目标高度变化的跟踪能力更稳定。该方法对空中机动目标三维定位跟踪具有一定的参考意义。参考文献:1 陈彗,崔瑞.长基线时差无源定位系统现状分析及改进设想J.中国雷达,2014(1):13-25.2 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