一种星载干涉仪解模糊失败识别方法

张广宇,王笃祥，陈 卓，季 权

(中国航天科工集团8511所，江苏 南京 210007)

·工程应用·

一种星载干涉仪解模糊失败识别方法

张广宇,王笃祥，陈 卓，季 权

(中国航天科工集团8511所，江苏 南京 210007)

针对星载干涉仪测向解模糊失败问题，基于波束形成原理提出一种解模糊失败识别方法。该方法在干涉仪测向定位方法的基础上有效利用了各通道接收信号的幅度信息，通过合成信号功率判断测角结果正确与否，可有效提高星载电子侦察系统的情报准确性，仿真结果证明了该方法的有效性。

星载干涉仪；测向；定位

0 引言

以卫星为平台的电子侦察系统不受国界、领空、领海和天气的限制，可以进行长时间和大面积的侦察监视，快速获取战略战术情报，具有广阔的发展空间和应用前景[1]。单星仅测向定位体制通过测向得到指向辐射源的方向线，然后根据卫星的姿态参数和导航数据计算出辐射源的地理位置，从而实现对辐射源的定位[2]。当前单星仅测向定位体制中常用的是二维干涉仪测向定位方法[3]，该体制技术相对简单，工程上易于实现，且可以做到单脉冲定位，实时性好。然而干涉仪测向系统的核心问题就是求解相位模糊，常规的解模糊方法包括长短基线法、参差基线法、虚拟基线法、最小二乘法等[4]，但无论何种方法当基线间相位差测量误差超过系统容差时，星载干涉仪对单脉冲的测向都可能出现解模糊失败，从而导致定位跳区。针对该问题，本文基于波束形成原理提出一种干涉仪解模糊失败识别方法，该方法可有效识别解模糊失败的测角结果，提高单星测向定位电子侦察系统情报准确性。

1 星载干涉仪测向定位原理

星载干涉仪测向定位的基本原理是利用相互正交的两组测向天线测量在同一时刻接收到的信号的相位差，通过干涉仪测角方法获得目标辐射源相对平台位置的角度，根据角度结合平台位置信息对目标进行定位。以一维干涉仪为例，天线阵基线布局如图1所示。

图1 基线布局示意图

当距离远大于基线间距时，可把来自同一辐射源的入射波看成平行波，则间距为L的天线A和天线D之间接收到信号的相位差为：

φAD=(2πL/λ)sinθ

(1)

式中，λ为信号波长，θ为信号入射方向与基线法线方向的夹角。侦察系统可以通过相应的技术手段获取相位差φAD(φAD∈[-π,π])和信号波长λ，再通过式(2)的数学运算，就可得到辐射源信号入射角：

θ=arcsin(λφAD/(2πL))

(2)

对式(2)两边求导，可得：

ΔφAD=(2πL/λ)Δθcosθ+(2πL/λ2)LΔλsinθ+(2πL/λ)ΔLsinθ

(3)

通常可忽略波长测量误差Δλ及天线基线误差ΔL，因此：

ΔφAD=(2πL/λ)Δθcosθ

(4)

则：

Δθ=λΔφAD/(2πLcosθ)

(5)

可见，测角误差与信号波长λ、基线长L、信号入射角度θ和天线阵元相位差误差ΔφAD有关。实际使用中为保证较高的测角精度需要使用较长的基线L，但长基线相位差φAD可能超过[-π,π]，即存在相位模糊问题[3]。此时：

(6)

2 解模糊失败识别方法

干涉仪解模糊能力与测角误差受基线布局、天线阵元间相位误差、接收通道的不一致性、鉴相误差、目标角度等因素影响，因此在侦察系统设计时会综合考虑测角精度、覆盖空域、无模糊测角范围、系统复杂性等因素，并允许各通道间存在一定的相位容差。但在复杂电磁环境下，同时到达多信号、收发天线极化失配、干扰等因素，都会严重影响各天线间相位误差的测量，引起各通道相位误差超过设计容差，导致系统解相位模糊失败[5]。解模糊失败一般包含两种情况，一种是使用式(1)求解角度时，反正弦的绝对值大于1，导致无法求解相应角度；另一种是求得的相位模糊数k值与真实值不一致，导致求解出与真实角度相差较大的错误角度。在定位层面上，第一种解模糊失败的结果是无法给出相应脉冲的位置信息，第二种则给出一个与真实位置相差较大(几十千米甚至上百千米级)的错误定位结果，即出现定位跳区现象，且单次定位结果无法判断该位置是否是解模糊失败造成的跳区结果。

常规的干涉仪测向定位系统，获得信号的角度时仅使用了信号的相位信息，而未利用信号的幅度信息，本文则在利用相位差解模糊获得信号角度的同时，利用阵列信号处理中波束合成的原理，将各接收通道接收的信号进行移相和合成，通过判断合成信号的幅度相对单个通道信号幅度提高的多少来判断当前角度是否为信号的真实角度，若不是则给该定位结果赋予解模糊失败标识，说明该位置为虚假定位结果。现以一维四阵元3基线干涉仪为例说明本方法的原理，假定信号入射角度为θ0，信号复包络为s0(t)，信号功率为Ps，信号波长为λ，各通道噪声为功率相同且独立的白噪声。以最左侧阵元A为参考阵元，则系统接收数据的矩阵形式可以表示为：X(t)=[s0(t)+n1(t),s0(t)ejφ+n2(t),…,s0(t)ej(N-1)φ+

nN(t)]T=a(θ0)s0(t)+n(t)

(7)

式中，n(t)为4×1维噪声向量，a(θ0)=[1,ejφ1,ejφ2,ejφ3]T为各通道接收信号的相位差构成的矩阵，其中：

φi=(2πLi/λ)sinθ0(i=1,2,3)

(8)

在角度θ方向上对系统接收数据进行波束合成，波束合成的加权矢量为：

a(θ)=[1,ej2πL1/λsinθ,ej2πL2/λsinθ,ej2πL3/λsinθ]T

(9)

则合成信号可表示为：

(10)

波束合成后信号功率为：

(11)

定义合成信号功率相对于单个通道信号的功率提高比值为G(单位为dB)，即：

(12)

当θ=θ0时，合成信号功率可达到最大值为单个通道信号功率的N2倍(信号信噪比提高N倍)，即20lg(N)dB。在信号入射角度附近合成信号功率G接近最大值，而偏离入射角度合成功率下降较多，可以根据天线个数、基线设计方式及信号频率得到系统理论波束方向图，因此可以选取低于波束方向图主瓣功率高于最高旁瓣功率的合适值作为门限，用信号的G值与门限进行比较来判断测角结果是否解模糊失败，从而识别定位结果是否出现跳区。使用跳区判别的电子侦察系统的信号处理流程如图2所示。

图2 信号处理流程

该方法与直接利用各通道信号进行波束合成方法不同，由于干涉仪特殊的基线设置方式，天线阵列的阵元数较少且排布稀疏，因此使用常规波束形成方法难以达到较高的测角精度。而本文方法，虽然没有提高测向、定位精度，但是利用波束合成信号功率的提高去除了干涉仪解模糊失败导致的虚假目标，保证了电子侦察系统情报的准确性。

3 仿真分析

下面通过仿真分析来验证本文方法识别干涉仪解模糊失败的性能。假定卫星轨道高度为500km，采用相互正交的二维基线实现对辐射源信号的角度测量，基线布局如图1所示，其中L1=1.2m,L2=1.8m,L3=2.7m，侦收信号频率范围为0.3～0.5GHz，在WGS-84地球椭球模型下求解定位结果。辐射源信号频率f=300MHz，系统鉴相误差15°(均方根)，系统共计接收10万个脉冲，该10万个脉冲的二维测向结果与目标定位结果如图3～4所示。

图3 原始测角结果

图4 原始定位结果

图3中圆圈表示所有可能的模糊测角结果，方框表示真实角度，可以看出，除解算出真实角度外，还有部分脉冲出现解模糊失败，得到多个模糊测角结果。在测角结果的基础上获得的定位结果如图4所示，可以看出除获得目标真实位置外，还有多个定位跳区结果，直接影响情报的准确性。利用本文方法，在原测向定位基础上使用解模糊失败识别方法，得到测角结果和定位结果如图5～6所示。

图5 去除跳区后测角结果

图6 去除跳区后定位结果

由图5～6可以看出，本文方法能够有效识别模糊测角结果，在定位结果中去除了由于测角解模糊失败导致的虚假目标，得到目标真实位置附近的唯一定位结果，这证明了该方法的有效性。

4 结束语

本文提出的星载干涉仪解模糊失败识别方法，依据阵列信号处理原理，在原有干涉仪测向方法的基础上，充分利用了各接收通道信号的幅度信息，可以有效识别由于干涉仪解模糊失败导致的定位跳区现象，对提高星载电子侦察系统的情报准确性有着较重要的意义。■

[1] 袁孝康.相位干涉仪测向定位研究[J].上海航天,1999(3):1-7.

[2] 袁孝康.空间电子侦察的几个问题[J].航天电子对抗,1996,12(3):3-5.

[3] 李兴华,顾尔顿.干涉仪解模糊技术研究[J].现代防御技术,2008,36(3):93-96.

[4] 翟庆伟.最小二乘法测向技术研究[J].无线电工程,2008,38(3):55-57.

[5] 龚文斌,谢恺,冯道旺,等.星载无源定位系统测向定位方法及精度分析[J].长沙电力学院学报,2004,19(4):65-67.

[6] 赵勇慧.提高相位干涉仪测向精度与改善测角范围的探讨[J].火控雷达技术,2002,31(2):34-37.

A recognition method for solving ambiguity failure of satellite-borne interferometer

Zhang Guangyu, Wang Duxiang, Chen Zhuo, Ji Quan

(No.8511 Research Institute of CASIC, Nanjing 210007, Jiangsu, China)

Concerned with the solving ambiguity failure of direction finding using satellite-borne interferometer in complex electronic electromagnetic environment, a recognition method based on beam-forming principle is proposed. Signal amplitude of each receiving channel is used effectively based on direction finding method of interferometer, and whether the correctness of direction finding result can be identified by using the power of beamforming signal. The efficiency of this method is proved by simulations.

satellite-borne interferometer; direction finding; localization

2017-02-21；2017-05-08修回。

张广宇(1988-)，男，硕士，主要研究方向为电子侦察技术、阵列信号处理等。

TN971+.1

A