基于频率变化率测量的无人机单站无源定位技术的研究

李洪斌，高宪军

(空军航空大学 a.研究生队; b.科研部， 长春 130022)

【信息科学与控制工程】

基于频率变化率测量的无人机单站无源定位技术的研究

李洪斌a，高宪军b

(空军航空大学 a.研究生队; b.科研部， 长春 130022)

为了将无人机更好的应用于侦察作战，针对传统的BO定位技术等定位系统，作战区域小，精度低，收敛速度慢等缺点， 提出一种适用于无人机的机载单站快速无源定位技术；首先对无人机无源定位系统进行设计，建立计算多普勒频率变化率定位方法的无人机观测平台，提出一种脉冲群多普勒频率变化率的测量方法，最后对定位系统整体进行仿真。

无人机；无源定位；脉冲群；多普勒频率变化率

在未来的电子对抗战中，无源定位技术由于具有隐蔽接收、不易被对方发现等优点，得到了越来越广泛的应用。单站无源定位克服了多站之间对集中的数据进行融和处理等缺点，使定位系统变得快捷简单，同时具备独立性和机动性[1]。近些年来，无人机的广泛应用，为对敌侦察监视，获取战场情报提供了更良好的平台，由于其具有造价低、体积下、机动灵活、战场生存能力较强等优点，备受各国军队青睐。因此，无人机单站无源定位技术已成为当前目标探测和跟踪领域的一个研究热点[2-3]。

本文以无人机作为观测平台，对地面固定目标进行定位，提出了应用多普勒频率变化率定位技术的无人机单站无源定位模型，提出来改进的脉间相参多普勒频率变化率的测量方法，剔除突变值，克服了复杂的相位解模糊问题。

1 无人机观测模型

传统的无源定位系统只利用角度及其变化率信息，定位时间较长、精度教低，难以满足战场要求。文献[4]提出了基于多普勒频率变化率的单站快速无源定位方法,下面以该定位算法为基础，建立适用于以无人机作为观测平台的定位模型。

1.1 系统的工作原理

如图1所示，整个定位系统由无人机飞行平台系统和地面分系统两部分组成。无人机飞机平台系统由机体及相关伺服组织，机载测控组织，飞行控制计算机等组成。定位装置由侧向天线，接收机，信号与数据处理设备组成。

系统的工作原理:无人机在被侦察区域飞行，飞行控制计算机负责下达无人机指挥控制系统的指令，并提供无人机当前的坐标位置信息。无人机通过所携带的无源定位接收装置接受辐射源信号，并进行处理计算处理得到辐射源的坐标。无人机指挥控制系统通过数据链控制无人机及其他设备的工作，并在显示器上显示目标位置及无人机状态等信息[5]。

图1 无人机单机无源定位系统工作原理

1.2 定位系统模型的设计

根据质点运动学原理的分析可知，运动目标辐射源和观测站之间若存在相对运动，就会引起接收信号的干涉仪相位差、多普勒频率等变化，因此可利用这些变化和来波到达角度信息，从而实现单站无源定位与跟踪[6]。

在球坐标系下，建立三维定位模型，目标辐射源与观测站的位置如图2所示。

图2 坐标系下无人机与目标几何关系

(1)

(2)

当无人机观测平台和目标之间存在相对径向加速度ar时，会产生多普勒频率fd，则有下列公式：

(3)

式(3)中，f表示观测站接受到的信号频率；fd表示辐射源信号频率；r无人机与目标的径向距离；c电磁波在空气中的传播速度。

当辐射源发射的信号载频固定时，对式(3)求导

(4)

(5)

由式(3)、式(4)、式(5)可得多普勒频率变化率的表达式为

(6)

由于此模型是在无人机平台对远距离地面上固定目标的无源定位，一般来说目标辐射源短时间内不会发生大的机动，因此可将目标的加速度看成噪声扰动，即相对径向加速度ar均为无人机平台产生的，故得到无源测距公式

(7)

根据式(7)，只要能够测出来波到达角和多普勒频率变化率，根据无人机自身GPS/INS提供的自身位置，可进一步实现对目标的定位[7]

(8)

2 互相关脉冲群相参多普勒频率变化率测量方法

在利用多普勒频率变化率单站无源定位系统中，提取多普勒频率变化率这一信息对于目标的定位有非常重要的意义[8-9]。

2.1 数学模型

假定观测器接受辐射源信号时距离辐射源的距离为R(t)，接收机接受的信号为

(9)

上述射频信号经本振信号混频到中频信号可表示为

sI(t)=A0ej(2πfΙt+φ)

p(t-Tm-τ)+v(t)

(10)

下面以采样频率fs=1/ts对中频信号正交采样，FI为中频数字频率，设每个采样点数均为N，第m个脉冲和下一个相邻脉冲的起始点分别为Nm，Nm+1，他们中频的采样信号可分别表示为

sI,m(n)=A0ej2πFIn+φ1+v(t)

n=Nm,…,Nm+N-1

(11)

sI,m+1(n)=A0ej2πFIn+φ2+v(t)

n=Nm+1,…,Nm+1+N-1

(12)

对这个信号做互相关运算

Cm,m+1=E[SI,m(n)SI,m+1(n)*]≈A2ej(φ1-φ2)

(13)

根据I、Q通道的复信号可求得相位差Δφ=φ1-φ2由于存在相位模糊，则实际相位差表示为

ΔφR=Δφ+2kmπ

(14)

由脉冲对的相参特性，中频模糊频率为

m=1,2,…,m-1

(15)

(16)

2.2 多普勒频率变化率估计算法

在单站无源定位与跟踪中，关心的是高精度的多普勒频率变化率信息，而非绝对频率信息[10]。

为了便于研究，将第q个脉冲群与相邻的q+1脉冲群中频分别表示如下

fΙ,q=fΙ,m,q+kqfp,q

(17)

fΙ,q+1=fΙ,m,q+1+kq+1fp,q+1

(18)

由于两个脉冲群间的间隔很短，而fp近似等于脉冲重复频率PRF，可以认定为绝大多数的情况下

(19)

此时，相邻的脉冲群的相对中频的频差和绝对频差近似相等，即有

fp,q + 1-fI,q≈fI,m ,q + 1-fI,m,q

(20)

所以，可以直接上述频差进行滤波，得到正确的i，i+1脉冲群间的多普勒频率变化率信息。

然而，由于之前并未对相位信息进行解模糊，所以在一些情况下，相邻两脉冲群间的相对频率fI,m ,q + 1,fI,m ,q,存在着±fp的突变。此时，如不加以剔除，将会得到错误的频率变化率信息。

3 仿真结果分析

设中频频率为6 GHz，采样频率fs=50 MHz，脉冲重复频率为PRF=1 ms，采样点数N=40，平台速度v=150 m/s在辐射源上空50 km，俯仰角ε=45°的二位平面上做匀速直线运动，侦察设备的测向精度为1°，忽略姿态误差。分别针对脉冲数100,150两种情况，在每一信噪比处做100次Monte-Carlo仿真，得到多普勒频率的平均测量误差曲线。见图3，在信噪比为30 dB的情况下，对定位结果进行验证，见图4。

图3 多普勒频率变化率测量误差

图4 定位误差收敛曲线

通过仿真显示了在接受脉冲数不同和信噪比不同对多普勒频率变化率测量精度的影响，随信噪比和脉冲数目的增加，多普勒频率变化率的平均误差越来越低，可以达到1 Hz/s的量级。但是，在实际工程应用当中，还需要考虑天线抖动，航姿等影响。

通过上述的仿真分析，可以看出通过该多普勒频率变化率测量方法在测向精度达到指标为1°，信噪比为30 dB的情况下，能够在25 s内对在航迹的法线方向50 km的辐射源实现5%的定位精度，在提高测向精度和观测时间的条件下，可以得到更高的测量精度。

4 结束语

本文以无人机作为观测平台对地面固定目标进行无源定位为提前，提出基于多普勒频率变化率定位算法无人机无源定位模型，给出了改进的脉间相参多普勒频率变化率的测量方法，并对整个定位系统进行仿真，结果证明该定位系统是可行的，为无源定位技术应用于无人机提供的理论借鉴。

[1] 邱汇.单站无源定位技术研究[J].电子科技，2014，27(1):87-88.

[2] 吕文亭，黄亮，王澎初，等.无人机单站无源定位中的可观测性分析[J].舰船电子工程，2012，32(11):44 -47.

[3] 张玮，周小平.电子对抗无人机在网络中心战中的应用前景[J].无人机，2006(1):14-17.

[4] 刘莎，刘以安，戴娟.基于多普勒频率变化率的单站无源测距方法[J].计算机仿真，2012,29(2):11-15.

[5] 陆国雷.张晓林.无人驾驶直升机遥测系统设计及其实现.北京航空航天大学学报[J].2003，29(2)：22-25.

[6] 张志.机载单站无源定位关键技术研究[D].南京理工大学.2013:22-35.

[7] 孙仲康，郭福成，冯道旺.单站无源定位跟踪技术[M].北京:国防工业出版社.2008:41-64.

[8] Stephen D.Howard and Pierre Lavoie，Analysis of SNR threshold for differen-tial Doppler frequency measurement in digital receivers[J].Proc.ICASSP，2000(7):289-292.

[9] Lyons R G.Understanding Digital Signal Processing，Second Edition，ISBN 0-13-108989-7，2004.

[10]龚享铱，周良柱.一种关于相参脉冲信号频率的最优估计算法[J].电子信息 学报，2004，26(10):1594- 1600.

(责任编辑 杨继森)

UAV Station Passive Location Technology Based on Frequency Variation Measurement

LI Hong-bina， GAO Xian-junb

(a.Graduate Student Team; b. Department of Scientific Research, Aviation University of Air Force, Changchun 130022, China)

In order to improve UAV reconnaissance operations, for the traditional positioning technologies such as BO, small combat zone, low precision, slow convergence and other shortcomings, this paper presented a suitable UAV airborne single station passive location technology. First, UAV passive positioning system was design, and UAV platform calculate Doppler frequency rate of change of the positioning method was built, and then a burst rate of change of Doppler frequency measurement method was presented. Finally, we had simulation of the whole positioning system.

UAV; passive localization; pulse groups; Doppler change rate

2015-01-15

李洪斌(1991—)，男，硕士研究生，主要从事无源定位研究。

10.11809/scbgxb2015.08.035

李洪斌，高宪军.基于频率变化率测量的无人机单站无源定位技术的研究[J].四川兵工学报，2015(8):141-144.

format:LI Hong-bin，GAO Xian-jun.UAV Station Passive Location Technology Based on Frequency Variation Measurement[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):141-144.

TN953

A

1006-0707(2015)08-0141-04