1、第7章 通信对抗测向与定位原理第7章 通信对抗测向与定位原理7.1 测向与定位概述测向与定位概述7.2 测向天线测向天线7.3 振幅法测向振幅法测向7.4 相位法测向相位法测向7.5 时差法测向时差法测向7.6 新型阵列测向新型阵列测向7.7 通信辐射源定位通信辐射源定位思考题思考题第7章 通信对抗测向与定位原理7.1 测向与定位概述测向与定位概述7.1.1 通信测向与定位的基本含义通信测向与定位的基本含义 无线电通信测向是利用无线电测向设备确定正在工作的无线电通信发射台(辐射源)方 位的过程。利用无线电测向可以确定辐射源的位置,简称定位。无线电通信测向与定位是 通信对抗侦察的重要内容,是对通
2、信信号进行分选、识别的重要依据。第7章 通信对抗测向与定位原理无线电测向的物理基础是无线电波在均匀媒质中传播的匀速直线性及测向天线接收电 波的方向性。无线电测向实质上是测量电磁波波阵面的法线方向相对于某一参考方向(通 常规定为通过测量点的地球子午线指北方向)之间的夹角,能完成这一测向任务的无线电 设备称之为无线电测向机或无线电测向设备。无线电测向过程不辐射电磁波,就辐射源方 面来说,它对测向活动既无法检测,也无法阻止。第7章 通信对抗测向与定位原理被测电台的方向通常用方位角(即来波方位角)表示,它是通过观测点(测向站位置)的 子午线正北方位与被测电台到观测点连线按顺时针所形成的夹角,角度范围为
3、0360。如果在水平面0360范围内考察目标电台来波信号的方向,此时方位角为来波信号的水 平方位角(简称为方位角),用符号来表示。如果把目标电台与观测点连线叫做方位线(或 称为来波线),则水平方位角的数值大小实质上是:以观测点的子午线正北方位为起始基准 方位,按顺时针旋转到方位线所处平面形成的夹角。方位角表示目标辐射源的真实来波方位,是没有考虑误差的精确描述。常用水平方位角与仰角 来共同确定来波的真实方位。第7章 通信对抗测向与定位原理测向的过程就是在水平方位角未知的情况下,根据侦察接收信号,测定目标电台方 向的过程。当采用测向设备对某一目标电台的来波信号进行测向时,测向设备所测得的方 向是被
4、侦察信号到达观测点处电磁波波阵面的法线方向,我们把该法线方向进行反向延伸 得到的线叫做示向线。以观测点的子午线正北方位为起始基准方位,按顺时针旋转到示向 线形成的夹角,被称为来波示向度或示向度,用 表示。示向度和仰角是方位估计的两个 重要参数。第7章 通信对抗测向与定位原理方位角与示向度的关系如图7-1-1所示。如果所有情况都是理想的,电波在理想的 均匀媒质中传输且测向不存在测量误差,则测向站处的方位线与测得的示向线应该重合,示向度与方位角相同,即=。第7章 通信对抗测向与定位原理图7-1-1 方位角与示向度关系示意图第7章 通信对抗测向与定位原理在实际测向过程中,电波在非理想均匀的媒质中传输
5、将引起波阵面畸变,使得到达观 测点处电磁波波阵面的法线方向偏离方位线;测向的测量误差总是不可避免地存在,也给测向带来误差。此时测向站处的方位线与测得示向线不重合,示向度与方位角不相同,即,存在测向误差。测向误差是测向设备所测得的方向与目标辐射源的真实方向之间的 差值,通常用来表征。示向度 是测向设备所测得的方向,方位角是目标辐射源的真 实方向,测向误差=-,是衡量测向机测向准确程度的重要指标。第7章 通信对抗测向与定位原理7.1.2 测向系统组成测向系统组成 现代无线电测向技术的物理实现应该包含测向天线对目标来波信号的接收、测向信道 对测向天线接收信号的变换处理以及测向终端对来波方位信息的提取
6、与显示这三个环节,因此现代无线电测向设备由测向天线、测向信道接收机、测向终端处理机三大部分组成,如图7-1-2所示。第7章 通信对抗测向与定位原理图7-1-2 测向设备的基本组成第7章 通信对抗测向与定位原理1.测向天线测向天线 无线电测向所用的天线是一种能够反映目标信号来波方位信息的专用接收天线,也就 是说,测向天线接收信号的幅度或相位与目标信号来波方位角之间具有某一确定的关系,即测向天线的“方向特性”,因此测向的工作原理也是测向天线“方向特性”在测向过程中的 应用原理。第7章 通信对抗测向与定位原理测向天线通常包括定向天线单元和射频信号前置预处理单元两个部分。其分述如下:(1)定向天线单元
7、可以是单元定向天线,也可以是多元阵列全向或定向天线。天线接 收来波信号,并使得信号的幅度或相邻天线元(即天线阵元或阵元)接收信号的相位差中含 有来波方位信息。第7章 通信对抗测向与定位原理(2)射频信号前置预处理单元对定向天线单元中各天线元输出的射频信号进行预处理,预处理方式视测向方法的不同而不同,但归结到一点,都是保证定向天线单元输出的 电压与来波方位角或空间角度之间有稳定且确定的幅度或相位关系。一般说来,定向天线 单元是通过天线信号前置预处理单元实现各天线元接收电势(感应电动势)的矢量相加,由 此形成其幅度或相位特性。在现代测向设备中,射频信号前置预处理单元除实现上述功能 外,还包含了一些
8、新的内容,如天线控制、自动匹配、宽带低噪声放大等。第7章 通信对抗测向与定位原理2.测向信道接收机测向信道接收机 测向接收机的主要功能是对天线系统送来的信号进行选择和放大,为随后的测向处理 提供幅度特性和相位特性合适的中频信号。根据测向方法的不同,测向接收机可以采用单 信道和多信道的接收机。测向信道接收机用于对测向天线输出信号进行选择、放大、变换等,为随后的测向处 理提供幅度特性和相位特性合适的中频信号。根据测向方法的不同和特殊的需要,测向信 道接收机可选择单信道、双信道或多信道接收机,通常双信道和多信道接收机采用共用本 振的方式,以确保多信道之间相位特性的一致性。第7章 通信对抗测向与定位原
9、理3.测向终端处理机测向终端处理机 测向终端处理机的主要功能是对测向接收机送来的含有方位信息的测向信号进行模/数(A/D)转换、处理和运算,从信号中提取方位信息,并对测向结果进行存储、显示或打印输 出。它的另外一个功能是控制测向设备各组成部分协调工作。例如,测向天线的阵元转换、接收机本振及信道的控制、测向工作方式的选择、测向速度及其他工作参数的设置、测向 设备的校准以及测向结果的输出等均由测向终端处理机来控制。第7章 通信对抗测向与定位原理7.1.3 测向和定位技术分类测向和定位技术分类 无线电通信测向和定位系统的分类比较复杂,它可以按照工作频段、运载平台和工作 原理等进行分类。由于通信信号的
10、来波方位可以从信号的幅度、相位、多普勒频移、到达时 间等参数中获得,因此我们按照工作原理将测向方法分为振幅法、相位法、多普勒法、到达 时间差法、空间谱估计法等测向方法。第7章 通信对抗测向与定位原理(1)振幅法测向。根据测向天线阵列(简称天线阵)各阵元(单元天线)感应来波信号后 输出信号的幅度大小,即利用天线各阵元的直接幅度响应或者比较幅度响应,测得来波到 达方向的方法称为振幅法测向,也称为幅度法测向。(2)相位法测向。根据测向天线阵列各阵元之间的相位差,测定来波到达方向的方法 称为相位法测向。例如,相位干涉仪测向、多普勒和准多普勒测向等技术。第7章 通信对抗测向与定位原理(3)多普勒法测向。
11、利用测向天线自身以一定的速度旋转引起的接收信号附加多普勒 调制进行测向的方法,称为多普勒法测向。多普勒法测向本质上属于相位法测向。(4)到达时间差法测向。根据测得的来波信号到达测向天线阵列中两个或两个以上不 同位置的阵元的时间差来测定来波到达方向的方法称为到达时间差法测向,简称时差法 测向。(5)空间谱估计法测向。将测向天线阵列接收的信号分解为信号与噪声两个子空间,利用来波方位构成的矢量与噪声子空间正交的特性测向的方法称为空间谱估计法测向。第7章 通信对抗测向与定位原理无源定位是在无线电测向的基础上发展起来的,因而利用测向的结果进行定位计算或 估计是最经典和最成熟的定位技术,称为测向定位法。后
12、来,随着各种测向和定位技术的 开发及利用,时差定位、多普勒频移定位、测向和频差的联合定位,以及时差和频差的联合 定位逐步发展并进入了实用阶段。第7章 通信对抗测向与定位原理7.1.4 测向和定位设备的主要指标 测向和定位设备在电性能、物理性能、环境和使用要求及接口功能等多方面都有严格 的指标要求。这里主要讨论测向和定位设备在电性能方面的主要指标。(1)工作频率范围。工作频率范围是指测向和定位系统的工作频率范围。测向设备的工作频率范围主要取决于测向天线的频率响应特性和信道接收机的工作频 率范围。对于某一宽阔的频率范围或整个波段,单副测向天线的响应特性难以达到指标要 求,经常采用多种通信体制和类型
13、的测向天线来分别覆盖。第7章 通信对抗测向与定位原理(2)测向范围。测向范围是指测向和定位系统的可测向的空域范围,如方位全向测向、半向测向或部分方向测向等。(3)测向误差。测向误差是方位测量误差的简称,是指测向设备所测得的方向与目标 辐射源的真实方向之间的差值。反映侦察接收设备的测向准确程度。测向误差越小,测向 准确度越高。(4)定位误差。当采用测向法定位时,测向误差将直接影响定位误差;当采用时差定位 和其他定位方法时,时间及其他参数测量的准确度等原因直接影响定位误差。第7章 通信对抗测向与定位原理(5)测向灵敏度。测向灵敏度是指在规定条件下,测向设备能测定辐射源方向所需最 小信号的强度。该规
14、定条件一般是指规定的测向误差范围,最小信号的强度一般是指接收 机输入端对信号场强或功率的最小要求。测向灵敏度是一个与测向误差、信噪比有关的指 标,所以在给出测向灵敏度指标时要同时注明对测向误差、信噪比的要求。(6)方位分辨率。方位分辨率是指能区分同时存在的特征参数相同但所处方位不同的 两个辐射源之间的最小夹角,也称为角度分辨力。第7章 通信对抗测向与定位原理(7)测向时间。测向时间是指测向设备完成一次测向任务的全过程需要的最短时间。包括测向命令的传输时间、接收机的调谐时间、测向处理时间和测向结果输出显示时间等。(8)抗干扰性。测向设备的抗干扰性是指在存在无线电干扰的情况下,测向设备能够 对信号
15、进行测向并满足测向误差指标要求时,可以允许的最大干扰场强,也称为测向抗 扰度。第7章 通信对抗测向与定位原理另外,测向设备还有很多技术指标,如测向信号类型、信道一致性等。测向信号类型是 指能够进行正常测向的信号种类,反映测向设备对信号的适应能力。信道一致性主要是针 对多信道接收机,对各信道允许的增益、相位最大差异而提出的要求。第7章 通信对抗测向与定位原理7.2 测测 向向 天天 线线7.2.1 概述概述 天线是辐射和接收无线电电波的设备。不同用途的天线具有不同的要求,无线电测向 所用的天线是一种接收天线,但又不是普通的接收天线,而是一种需要反映目标信号来波 方位信息的专用接收天线。要使得天线
16、接收的信号能够反映目标信号的来波方位信息,无 外乎天线接收信号的幅度或相位与目标信号来波方位角之间具有某一确定的关系,这种确 定的关系就是后面将要介绍的测向天线的“方向特性”。第7章 通信对抗测向与定位原理7.2.2 环天线环天线将金属导体制成以中央垂直轴线为对称轴的圆 环形、方框形(正方形或长方形)、三角形、菱形等,并在两端点馈电的结构形式,就构成了普通的单环 天线,如图7-2-1所示。不论其形状如何,它们都 有一个共同的特点,即天线以中心垂直轴线完全对 称,并且可以绕中心垂直轴自由旋转。普通单环天线具有体积小、重量轻、携带架设灵活方便等优点,因此在战术无线电测 向领域的应用非常广泛。但它也
17、存在着自身结构所带来的一些缺点,最突出的是“三大效 应”,即极化效应、天线效应和位移电流效应,其中极化效应是致命的缺点。第7章 通信对抗测向与定位原理图7-2-1 常见单环天线第7章 通信对抗测向与定位原理1.单环天线的方向特性单环天线的方向特性 为简化问题起见,我们先对方框形环天线进行分析,并假设满足如下条件:接收电波 为垂直极化地波;目标电台与测向天线之间的距离满足远场条件。根据这两个假设条件,对于如图7-2-2(a)所示的天线,其水平边AB和AB 在垂直电场作用下无感应电动势产 生;而垂直边AA和BB,在垂直交变电场的作用下将产生振幅相等的感应电动势e1(t)和 e2(t)。第7章 通信
18、对抗测向与定位原理图7-2-2 方框形天线接收来波信号示意图第7章 通信对抗测向与定位原理设来波P 与环平面之间的夹角为(如图7-2-2(b)所示),则电波到达垂直边 AA比到达垂直边BB多走了波程差r,由该波程差而引起的相位差为其中,=2,为电波的相移常数。第7章 通信对抗测向与定位原理由此可见,垂直边AA接收的感应电动势比BB接收的感应电动势在相位上滞后了,设接收点的信号场强为E,信号频率为,则第7章 通信对抗测向与定位原理由此得到方框形环天线的振幅方向特性为在d/远比于1(即近似于1)的条件下,此时式(7-2-2)和式(7-2-3)可分别化简为其中,S=hd,为方框形环天线的面积。第7章
19、 通信对抗测向与定位原理如果将式(7-2-5)的方向函数画成平面极坐标图形,并以正上方定义为0方向,则得 到一个标准的“8”字形方向特性图(简称方向图),所以这种天线通常被称为具有“8”字方向 特性的天线。第7章 通信对抗测向与定位原理2.单环天线的有效高度单环天线的有效高度 为了表征环天线接收空间电磁波而感应电动势的能力,我们用“天线有效高度”这个量 来描述。其定义为天线在最大接收方向上所产生的感应电动势与产生该电动势的电场强度 之比,记为he。根据式(7-2-4),在d/远小于1的情况下,环天线在接收正常极化地波时,输出感 应电动势的幅度近似为第7章 通信对抗测向与定位原理为了增大环天线输
20、出感应电动势的幅度,在实际设备中常采用 N 匝线圈结构的环天 线,此时的环天线接收感应电动势近似等效于 N 个单匝环天线接收感应电动势相串联,因 而在d/远小于1的情况下,输出感应电动势的幅度近似为第7章 通信对抗测向与定位原理在天线的最大接收方向即=0和=180方向,其接收感应电动势的幅度为根据天线有效高度的定义,可得由式(7-2-8)可见,环天线的有效高度he,正比于匝数 N 和面积S,反比于波长。第7章 通信对抗测向与定位原理第7章 通信对抗测向与定位原理其中第7章 通信对抗测向与定位原理由式(7-2-10)可见,环天线在接收非正常极化天波时,其接收方向特性发生了畸变,它的方向特性不再是
21、仅与有关的标准“8”字形方向特性,而是与、0、这4个参数 均有关的复杂函数。当=0或180,即接收电波为正常极化天波时,根据式(7-2-9)和式(7-2-10)有方向特性没有发生变化。第7章 通信对抗测向与定位原理当=90或270,即接收电波为水平极化天波时,根据式(7-2-9)和式(7-2-10)有方向特性发生了变化。第7章 通信对抗测向与定位原理下面分别针对电波极化方式为线极化、圆极化、椭圆极化三种情况,分析环天线方向 特性变化特点。(1)线极化。线极化天波对应于0=0和0=180以及 固定不变的情形,根据式(7-2-10)的结论,此时环天线的接收方向函数为第7章 通信对抗测向与定位原理在
22、、一定的情况下,k=cos2+sin2sin2,也是固定不变的常数,令则第7章 通信对抗测向与定位原理由此可见,它比正常的“8”字形方向特性偏转了一个固定角度0 或-0,如图7-2-3所 示。由于此时环天线接收方向特性的零值接收点相对90270方位线偏离了0 或-0 角 度,因此通常称这种现象为“小音点偏转”。第7章 通信对抗测向与定位原理图7-2-3 环天线接收线极化天波引起方向特性图的偏转第7章 通信对抗测向与定位原理(2)圆极化。圆极化天波对应于0=90、0=270以及 在0360范围内变化的情 形,根据式(7-2-10)的结论,此时环天线的接收方向函数为由式(7-2-14)可见,不管在
23、任何来波方位上f()都恒大于0,或者说环天线对任何 来波方位都没有零值接收点,我们称这种现象为“小音点模糊”。第7章 通信对抗测向与定位原理为了得出环天线的最大与最小接收方向,令则可得cos=0或sin=0,即=90,270或=0,180。第7章 通信对抗测向与定位原理显然,=90、270和0、180分别为环天线的一对最大接收方向和一对最小接收方向,但到底是=90、270为最小接收方向还是=0、180为最小接收方向,则要依据 和 的取值而定。对于确定的目标来波信号,一定,因此随着在0360范围内变化,环 天线的接收方向特性按如图7-2-4所示的规律变化。第7章 通信对抗测向与定位原理图7-2-
24、4 环天线接收圆极化天波引起方向特性图的“小音点模糊”第7章 通信对抗测向与定位原理(3)椭圆极化。椭圆极化天波对应于0 为不等于0、90、180、270的某一个确定的 值以及 在0360范围内变化的情形。根据式(7-2-13)的结论,在 为确定值的情况 下,环天线的接收方向特性与标准的“8”字形相比,既有一定角度的偏转,又有“小音点模 糊”现象,随着 在0360范围内变化,方向图偏转角的大小和“小音点模糊”现象模糊程 度的深浅都在不断变化。图7-2-5所示的是其方向图变化过程中两个典型的状态,其中 偏转角随 按图7-2-6所示的曲线变化。第7章 通信对抗测向与定位原理图7-2-5 环天线接收
25、椭圆极化天波引起方向特性图的偏转与“小音点模糊”第7章 通信对抗测向与定位原理图7-2-6 环天线接收椭圆极化天波引起方向特性图的偏转角随 的变化曲线第7章 通信对抗测向与定位原理2)天线效应 在前面的分析过程中,我们隐含地假设环天线处于理想平衡对称状态。但由于不对称 性而引起环天线输出电压中包含附加电压(无方向性),这种现象被称为天线效应。假设定向电势eab(t)与附加电压uab(t)之间的相位差为0,则此时环天线的方向函 数为其中,a=Um/Em,通常比较小,环天线对应方向图的形状主要取决于不同的0 值。第7章 通信对抗测向与定位原理(1)当0 为0或180时,根据式(7-2-16)可得式
26、(7-2-17)是一个帕斯卡蜗线方程,或者说环天线具有帕斯卡蜗线形方向图,如图7-2-7(a)所示。令cosa=0,可得第7章 通信对抗测向与定位原理(2)当0 为90或270时,根据式(7-2-16)可得显然,此时f()恒大于0,由于a=Um/Em 远小于1,因此环天线的最小接收天线方 向仍然在90270方位线上,但它们是非零值最小接收点。这种现象被称为环天线的接收 方向特性出现“小音点模糊”现象,模糊程度的深浅随a 值而定,如图7-2-7(b)所示。第7章 通信对抗测向与定位原理(3)当0 为不等于0、180、90、270的其他相角时,根据式(7-2-16)有显然,当0 0和0 180时,
27、(1-cos20)恒大于0,因此f()恒大于0,即环天线 只有非零值最小接收点,环天线的接收方向特性出现“小音点模糊”现象。第7章 通信对抗测向与定位原理图7-2-7 天线效应引起环天线接收方向特性图变化示意图第7章 通信对抗测向与定位原理环天线的最小接收方向应该满足:即由此可见,环天线的最小接收方向不在一条方位线上,而是在=arccos(acos0)这 样一对对称角位置上,或者说环天线的接收方向特性出现“小音点轴曲”现象。综合上面的分析结论,当0 为不等于0、180、90、270的其他相角值,环天线的接收 方向特性出现“小音点既模糊又轴曲”的现象,如图7-2-7(c)所示。第7章 通信对抗测
28、向与定位原理3)位移电流效应 我们在前面分析环天线有效高度时曾提到,为了提高he,可以采用多匝环天线结构,但这种结构在使有效高度得到提高的同时,也带来了“位移电流效应”这个副作用。第7章 通信对抗测向与定位原理大家知道,线圈的匝与匝之间总不可避免地存在分布电容,匝数越多,总的分布电容 也越大。由于分布电容的存在,引起位移电流的产生,可以等效为环天线的两个侧面即环 平面bdch 和环平面afeg 也接收来波信号而产生附加电压,相当于存在一个与原来环平面 S 垂直的等效环平面S1。这样在天线输出端口除了正常的定向接收电势eabN(t)外,还伴随 了一个附加的接收电势eabS1(t),总的输出电压是
29、二者的合成。显然eabS1(t)的存在会引起 环天线的接收方向特性发生变化。第7章 通信对抗测向与定位原理第7章 通信对抗测向与定位原理下面我们分析位移电流效应引起的环天线的接收方向特性随eabN(t)与eabS1(t)之间相 位差的变化特点。(1)当为0和180时,式(7-2-21)可简化为环天线的接收方向特性与标准“8”字形相比,偏转了一个0 角度,方向图的变化与如 图7-2-3所示的类似,只是由于 K 比较小,其偏转角0 也比较小。第7章 通信对抗测向与定位原理(2)当为90和270时,式(7-2-21)可简化为由此可见,不管在任何来波方位上f()都恒大于0,环天线的接收方向特性出现“小
30、音 点模糊”现象。由于 K0,RE 为KK 的满秩阵,有K 个正实特征值k(k=1,2,K),分别对应 K 个特征向量vk(k=1,2,K);又由于RE 是 Hermite矩阵,所以各特征向量相互正交,即vivj=0(ij)。如果i 和vi 分别为RE 的第i个特征值和第i个特征向量,则RE vi=ivi。在K 个特征值k(k=1,2,K)中,与信号有关的特征值应为ARSAH 特征值与2 之 和;与噪声有关的特征值应为2,由此可见,与信号有关的特征值大于与噪声有关的特 征值。第7章 通信对抗测向与定位原理3)估计目标信号数目 N 并构造噪声矩阵EN第7章 通信对抗测向与定位原理4)利用空间谱的
31、波峰来估计到达信号的方位角 定义空间谱为第7章 通信对抗测向与定位原理3.ESPRIT算法算法 ESPRIT 是一种以与 MUSIC算法不同的方式对波达方位进行估计的算法,适用于等 距线阵。定义观测向量x(n)的平移向量y(n)=x(n+1),则由式R=APAH+2I,观测向 量x(n)的协方差矩阵为第7章 通信对抗测向与定位原理第7章 通信对抗测向与定位原理第7章 通信对抗测向与定位原理ESPRIT 算法的基本思想是:向量x(n)经过旋转后变为y(n),但是这种空间旋转却 保持了x 和y 对应的信号子空间的不变性。即 定义 是与矩阵束Cxx,Cyy相对应的广义特征值矩阵,其中Cxx=Rxx-
32、minI,Cxy=Rxy-minZ,并且min是最小(重复的)特征值。若P 非奇异,则矩阵 与 有以下关系:即 只不过是 的各元素的一个排列。第7章 通信对抗测向与定位原理7.7 通信辐射源定位通信辐射源定位通过测向设备可以测得目标信号的来波方位角 和仰角,但不能确定电台的具体位 置。测向是定位的一个中间过程环节,定位是测向的目的,因此,通信对抗中运用无线电测 向的主要目的之一是确定目标电台的地理位置,简称为定位。对于机动目标的连续定位可 以达到对机动目标的跟踪。第7章 通信对抗测向与定位原理无源定位是指由一个或多个接收设备组成定位系统,测量被测辐射源信号到达的方向 和时间,利用相关技术和其他
33、办法来确定其位置的一种定位技术。测向法定位是研究最多、最经典,也是最为成熟的无源定位技术。在测向法定位中,基本的方法有单站定位、双站定 位和多站定位等。当然,也可以利用其他方法进行定位,如时差定位、频差定位等。第7章 通信对抗测向与定位原理7.7.1 单站测向定位技术单站测向定位技术 1.基于电离层高度测量的单站定位基于电离层高度测量的单站定位 单站定位是指由一台测向机测量经电离层反射的辐射源信号的方位和仰角,再根据电 离层的高度计算其位置的一种定位技术,其定位原理如图7-7-1所示。由此可见,基于电 离层高度测量的单站定位主要针对短波波段通过天波单跳传播的远距离目标信号。第7章 通信对抗测向
34、与定位原理假设来波方位角为,仰角为T,当时电离折射层的高度为 HT,则目标电台与测向站 的距离为目标电台的真实地理位置T(xT,yT)为第7章 通信对抗测向与定位原理实际上来波方位角、仰角T 和电离折射层的高度 HT 都是未知的,根据测向得到目 标信号的来波示向度 和仰角,通过探测得到电离折射层的高度 H,则测向站与目标电台的距离为第7章 通信对抗测向与定位原理第7章 通信对抗测向与定位原理目标电台地理位置估计的误差不仅与来波示向度、仰角测量的精确度有关,还与电波 通过电离层传播时对应折射层高度的测量误差等情况有关。在单站定位时,应实时或近似 实时地对电离层进行探测,以保证电离层折射高度符合电
35、波传播的实际情况。目标电台真实地理位置T(xT,yT)是未知的,电离层随时间变化并可能随时发生倾斜 和扰动,测量误差呈现一定的随机性,所以定位误差 r 也是一个随机变化的参量,其变化 规律与来波示向度、仰角、折射高度 H 有关。第7章 通信对抗测向与定位原理单站定位误差除涉及方位误差外,还涉及仰角的误差和电离层射线轨迹的误差。一般 说来,到达仰角的测量误差比较小,但电离层射线轨迹与电离层数据的测量精度、电离层 倾斜与行波扰动特性、电离层射线轨迹的算法等因素有关,可能存在比较大的测量误差,所以在一般情况下,单站定位对目标电台位置估计的误差较大。第7章 通信对抗测向与定位原理2.基于移动交汇定位的
36、单站定位基于移动交汇定位的单站定位 移动交汇定位是指利用移动一个侦察(测向)设备测量同一被测固定辐射源的方向变 化,由方向线变化角和移动测试点间直线距离来确定其空间位置的一种定位技术。假设:敌方通信电台处于固定状态,测向设备处于移动状态,并具有自定位功能。在t1 时刻测向设备的地理位置(x1,y1),对应来波方位角1(如图7-7-2所示),则第7章 通信对抗测向与定位原理第7章 通信对抗测向与定位原理图7-7-2 基于移动交汇的单站定位示意图第7章 通信对抗测向与定位原理第7章 通信对抗测向与定位原理第7章 通信对抗测向与定位原理7.7.2 双站及多站交叉定位双站及多站交叉定位 双站/多站定位
37、一般采用双站/多站交叉(交汇)定位,是一种常用的定位方式。1.双站交叉定位的基本方法双站交叉定位的基本方法 在某时刻,测向设备 DF1的地理位置(x1,y1),测向得到目标信号的来波示向度1;测向设备 DF2的地理位置(x2,y2),测向得到目标信号的来波示向度2。则两测向站与目 标电台的距离分别为第7章 通信对抗测向与定位原理第7章 通信对抗测向与定位原理第7章 通信对抗测向与定位原理图7-7-3 双站交叉定位误差示意图第7章 通信对抗测向与定位原理2.双站交叉定位的误差分析双站交叉定位的误差分析 1)定位模糊区面积 假设图7-7-3中的测向误差 1、2在max范围内随机变化并均匀分布,目标
38、辐射源的真实位置理论上位于两扇形区相交的四边形 ABCD 区域内,由于测向误差是 max范围内的任意值,因此目标辐射源的真实位置可能出现在四边形 ABCD 区域内的任 何点上,由于无法确定目标辐射源在四边形ABCD 区域中的真实具体位置,因此称四边形 ABCD 区域为定位模糊区,如图7-7-4所示。第7章 通信对抗测向与定位原理图7-7-4 双站交叉定位模糊区示意图第7章 通信对抗测向与定位原理第7章 通信对抗测向与定位原理定位模糊区ABCD 面积为第7章 通信对抗测向与定位原理由此可见,SABCD 的大小除了与H(或R)、max有关外,还与1 和2 有关。定位模糊 区面积的大小是决定定位精度
39、高低的一个主要指标,四边形ABCD 的面积越小,则说明定 位精度越高。第7章 通信对抗测向与定位原理一般来说,max主要取决于测向设备的性能指标,当然也与测向场地环境有关。在测 向设备及场地环境确定的情况下,max的值也相对稳定。而 H(或R)的值主要取决于测向 任务所规定的区域(敌方目标辐射源可能覆盖的区域)及我方测向阵地所允许的配置条件 等。在 max一定的情况下,H(或R)越小,则SABCD 也越小。如果 H(或R)一定,则SABCD 的大小主要取决于1 和2,与测向站以及敌我双方阵地的配置有关。第7章 通信对抗测向与定位原理2)定位的位置误差分析 目标电台可能在定位模糊区ABCD 中的
40、任意位置,通常以四边形 ABCD 的中心即两 条示向线的交点位置作为真实电台位置的估计值。显然,当真实电台位于四边形的四个顶 点之一时,其位置误差达到最大值,有第7章 通信对抗测向与定位原理(1)如果目标电台的真实位置位于B 或D 点,则对应的位置误差为特别当1=2=时,有第7章 通信对抗测向与定位原理(2)如果目标电台的真实位置位于A 或C 点,则对应的位置误差为最大位置误差越小,说明定位精度越高。最大位置误差为第7章 通信对抗测向与定位原理3)定位模糊区面积与位置误差的极值分析第7章 通信对抗测向与定位原理第7章 通信对抗测向与定位原理第7章 通信对抗测向与定位原理 分析。双方阵地距离 H
41、 一定时测向站与辐射源位置变化示意图如图7-7-5所示。图7-7-5 双方阵地距离 H 一定时测向站与辐射源位置变化示意图第7章 通信对抗测向与定位原理第7章 通信对抗测向与定位原理(2)在两测向站距离R 一定情况下。由式(7-7-17)可得定位模糊区面积为第7章 通信对抗测向与定位原理第7章 通信对抗测向与定位原理第7章 通信对抗测向与定位原理 分析。测向站距离R 一定时测向站与辐射源位置变化示意图如图7-7-6所示。图7-7-6 测向站距离R 一定时测向站与辐射源位置变化示意图第7章 通信对抗测向与定位原理第7章 通信对抗测向与定位原理由此可以看出,随着目标电台与两测向站距离的增加,定位模
42、糊区与最大位置误差增 加;当目标电台位于两测向站中间并与两测向站构成锐角三角形时,定位模糊区与最大位 置误差都比较小;当1+2 比较大或者比较小,目标电台与两测向站构成钝角三角形时,两测向站所得到的扇形区相交的四边形ABCD 呈现狭长的形状,其中四边形锐角对应的对 角线迅速拉长,位置误差明显上升,定位可信度下降,即定位的估计精度会在四边形锐角 轴线方向逐渐下降,造成定位估计精度的几何弱化(GDOP)现象。第7章 通信对抗测向与定位原理测向站对不同位置的目标辐射源进行定位时,其定位模糊区形状、大小不同,如图 7-7-7所示。而敌我双方阵地的配置关系是存在一定范围的,综合测向距离的合理性与模 糊区
43、面积较小两个方面考虑,应该寻找1、2 在锐角范围内同步变化时模糊区面积与位置 误差都比较小的区域。特别当敌人目标辐射源在我方测向站中心轴线长,并且两条示向线 夹角在90左右时,能够保证比较小的模糊区和位置误差。事实上,在实际的测向过程中,模糊区和位置误差都是未知的,在进行测向站配置时,应考虑上述情况,保证测向结果的 可信度。第7章 通信对抗测向与定位原理图7-7-7 测向站对不同位置目标定位时定位模糊区示意图第7章 通信对抗测向与定位原理3.多站交叉定位多站交叉定位 由位于不同位置的三个或三个以上的测向站对目标辐射源进行测向,然后交会定位的 方法称为多站定位。以三站定位(如图7-7-8所示)为
44、例,如果三个测向站的测向结果都 没有误差,那么三条示向线肯定会交于一点,这个点就是目标的真实位置。但是,测向误差 总是不可避免的,所以三条示向线不能保证只相交于一点。第7章 通信对抗测向与定位原理在图7-7-8中,假设方位误差呈高斯分布,那么三个测向点方位的随机分布产生一 个椭圆形的不定区域。随机方位误差被定义为标准偏差或均方根误差。区域的大小、位置和椭圆概率由若干个因子确定,如测向方位、方位范围和标准偏差等。为简便起见,通常按 目标位于这个椭圆内的特定概率等级,通过换算,用等效误差圆半径来描述椭圆位置估算 值,这个描述被称为圆概率误差(CEP)。多站定位的准确程度比双站定位有明显提高。第7章
45、 通信对抗测向与定位原理图7-7-8 三站定位示意图第7章 通信对抗测向与定位原理4.交叉定位的几何作图法及测向站配置交叉定位的几何作图法及测向站配置 1)交叉定位的几何作图法 在通信对抗中,通常要根据前方各测向站报来的示向度数据直接在地图上进行标绘定 位。由于实际测向中不可避免地存在误差,以各测向站为基点标绘的示向线将相交成一个 多边形,目标电台地理位置比较合理的估计应该是这个多边形的某个中心点。根据中心点 选取规则的不同,有不同的几何作图估计法(简称几何作图法)。对于三站定位的情况,三 条示向线相交的是一个三角形,对应的几何作图法有中线交点法、等角线交点法及斯坦纳(Steiner)交点法三
46、种,如图7-7-9所示。第7章 通信对抗测向与定位原理图7-7-9 估计目标电台地理位置的几何作图法第7章 通信对抗测向与定位原理中线交点法是将三角形三条边中线的交点作为目标电台位置的估计点的;等角线交点 法是将三角形三个角的角平分线相交的点作为目标电台位置的估计点的;斯坦纳交点法则 是通过寻找三条示向线相交三角形中的斯坦纳交点并将其作为目标电台位置的估计点的。在上述三种方法中,一般认为斯坦纳交点法较之另外两种方法要更精确。第7章 通信对抗测向与定位原理对于多于三个测向站的多站交会定位,其示向线相交的图形通常是一个四边形以上的 多边形,在这种情况下估计目标电台的地理位置,可以采用如下方法:(1
47、)以多边形各条边的中线交点或各个角的角平分线交点或多边形(偶数条边)对角线 的交点作为目标电台地理位置的估计点。(2)以多边形的近似中心及各个角为顶点分成多个三角形,在每个三角形中寻找对应的斯坦纳交点,再对由这些斯坦纳交点形成的多边形采用上面所示的办法估计目标电台的 地理位置。第7章 通信对抗测向与定位原理2)测向站配置 根据前面的分析,测向站场地是否“良好”对测向精度的影响很大。“良好”的场地环境 引起的测向误差小,是高精度定位的基本保障。但是在测向精度一定的情况下,测向站站 址的配置对定位精度也有着直接的影响。例如,根据前面分析,在双站交叉定位时,两个测 向站相对目标电台的位置对于定位模糊
48、区面积的大小、定位位置误差等方面的影响有如下 结论:第7章 通信对抗测向与定位原理(1)如果 H 一定,则当两个测向站相对目标电台满足1=2=60时,对应的定位模糊 区面积最小。(2)如果R 一定,则当两个测向站相对目标电台满足1=2=30时,对应的定位模糊 区面积最小。(3)如果R 一定,则当两个测向站相对目标电台满足1=2=90时,对应的定位位置 误差最小。第7章 通信对抗测向与定位原理在实际工作中,测向站站址的选择需要综合考虑防区的地形地物、兵力部署、后勤保 障等因素,所以一般难以按理论上推算的最佳位置进行配置,但需要遵循如下几个原则:(1)测向站站址尽可能拉开距离配置。(2)尽可能接近
49、目标电台所配置的区域。(3)选择尽可能“良好”的测向场地。(4)以目标电台配置区域的中心或侦测站需要覆盖的敌方战区中心为基准,尽可能使 测向站的配置接近理论上的最佳配置。第7章 通信对抗测向与定位原理(5)各测向站以阵列排列,并且彼此之间的所有基线避免平行。(6)尽量保证各测向站的示向线在目标区域两两交会的交角在30150范围,避免示 向线在目标区域的交会出现小锐角或大钝角现象。第7章 通信对抗测向与定位原理7.7.3 时差定位技术时差定位技术 时差定位是测量同一目标辐射的信号到达三个或多个已知位置的定位基站的时间差,由这些时间差可以绘制两组或多组可能的目标位置的双 曲 线,其 交 点 就 是
50、 目 标 的 位 置 坐标。第7章 通信对抗测向与定位原理时差定位实际上是反“罗兰”系统的应用。罗兰导航系统根据来自三个已知位置的发射 机信号来确定自身的位置,而时间差测量定位系统是利用三个(或多个)已知位置的接收机 接收某一个未知位置的辐射源的信号来确定波辐射源的位置。两个接收站采集到的信号到 达时间差确定了一对双曲线,多个双曲线相交就可以得到目标的位置,因此时差定位又被 称为双曲线定位。第7章 通信对抗测向与定位原理假设3个接收机的坐标分别为R1(x1,y1)、R2(x2,y2)和R3(x3,y3),目标信号到达 各接收站的时间分别为t1、t2和t3,目标位置为U(x,y),其时差定位示意
