基于时差和频差的无人机对干扰辐射源无源定位研究

基于时差和频差的无人机对干扰辐射源无源定位研究 基于时差和频差的无人机对干扰辐射源无 源定位研究 ?194?现代导航 基于时差和频差的无人机对干扰辐射源无源定位研究 周坤芳,占太阳2万岳文 (1海军兵种指挥学院,广州510430;2海司航保部,天津300042) 摘要:根据单平台和多平台无源定位的特点,结合无源定位对辐射源参数检测要求及 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 实现的难易程度,研究以两架无人机为平台,基于TDOA和FDOA的干扰辐射源无源定位.通 过无人机对干扰源定位过程分析及定位误差仿真,提出无人机优化布站 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 及提高对干扰源定位 精度的方法措施. ;频差;误差分析 关键词:无源定位;无人机;时差 中图分类号:TN971.1文献标识码:A文章编号:1674.7976一(2011)03—194—05 PassiveLocalizationforInterferingandRadiantPointofUnmannedPlane BasedonTimeDifferenceandFrequencyDifference ZHOUKunfang,ZHANTaiyang,WANYuewen Abstract:WiththecharacteristicsofSOPLATandMOPLATwithpassiveloca lization,incombinationwiththe requirementsoftheparameterdetectionoftheradiantpointsandtheimplementation,thepassivelocalizationoftheinterferingand radiantpointbasedonTDOAandFDOAisresearchedbyusingtwounmannedplanesasplatforms.Theoptimizingstationproject forunmannedplaneandthemeasurestoimprovetheprecisionlocalizationofinterferingpointareputforwardthroughtheanalysis ofhowtolocateinterferingpointandthesimulationoflocalizationerrors. Keywords:PassiveLocalization;UnmannedPlane;TimeDifference;FrequencyDifference;ErrorAnalysis 无源定位技术是对干扰辐射源实施探测定位 的重要技术手段,它通过对干扰辐射源信号的多站 侦收与测向,对辐射源进行快速准确定位.在对干 扰源的定位过程中,其应用平台主要有低轨道侦察 卫星和无人机等,其中侦察卫星环绕地球飞行,不 能进行连续侦查且成本高,研制周期长,不适用于 应急作战使用;而无人机在执行任务时可按指挥员 的意图,可连续进行侦察与监视及对干扰源定位, 且无人机生存能力强,成本低,定位精度高.因此, 无人机在对干扰源探测定位过程中具有显着的优 势. 收稿日期:2011.03.07. 图1TDOA—FDOA联合定位 第3期周坤芳等:基于时差和频差的无人机对干扰辐射源无源定位 研究?195? 1双无人机对干扰源定位 根据接收机平台的数量,对干扰辐射源无源定 位,可以分为单平台测量定位和多平台测量定位. 单平台定位不需要大量的数据通信,但单平台定位 要求侦察平台在一段时间内有较大的移动,定位需 要较长时间.多平台定位速度快,精度高,但其靠 平台之间的协同工作,需要进行大量数据传输来完 成,系统相对较复杂,且当系统平台需要机动时, 复杂度更高.实际使用过程中,通常采用两架无人 频差方程: 机作为空中测量平台,利用时差(TDOA)和频差 (FDOA)对干扰辐射实施无源定位.其基线较长, 无人机移动速度快,易产生大频差.因而有利于定 位精度的提高. 双机对干扰源无源定位由无人机1(u1)和无人 机2(u2)组成,2架无人机同时在空间配置,相互之 间保持一定的距离d,和分别为地面目标到2 架无人机的距离矢量,如图1所示. 时差方程如下. fa=—af:=一{/0rir2 1}Vlx(—.)十一Y)+:(z—z1)122—X2)”kV2(—Y2)十v2(z—z2)l I?(一)+()+(z--Z1)?(一)+一:)+(z--Z2)I 地球简化模型: :c.v (?):一一)rJ : 丽(3):p-r 通过测量干扰源信号到达两无人机的时间差 和频率差,其TDOA确定了三维空间的一个双曲 面,FDOA确定了三维空间的一个椭球面,同时地 球为三维空间的一个球面,则由面面相交得到空间 曲线,线面相交得到点,从而得到干扰源位置. 根据双平台特性,上述两个解中只有一个真实 解,可以通过代入原方程验证得到;或者通过其它 参数来判断干扰源目标的位置,或通过战术配置来 消除模糊. 2误差分析 二维空间两架无人机接收干扰源信号的时差 和频差,确定了目标的两个定位曲线.其时差与目 标的位置和无人机的位置有关,而多普勒频率差不 仅与目标的位置和无人机的位置有关,还与无人机 运动速度有关. 2.1定位误差 采用最小均方误差估计得到,其协方差矩阵: H=3x a a 3rP:f_吒l 0 L (2) (4) (5) 定位精度几何稀释: GDOP=?+=??+:(6) 其中:GDOP表示无人机布设与干扰源的位置关系 对定位精度的影响,定位参数测量对定位精度的 影响. 定位误差主要由两部分组成,其一是几何因 子,其二是测量因子.通过选择良好的布站几何, 减少系统各项测量及计算误差这两种途径,可以提 高对干扰源定位精度. 2-2无人机布站 无人机相对于地面干扰源的位置关系主要有 两种类型:无人机运动方向和基线方向一致即平行 布站和无人机运动方向和基线方向垂直即垂直布 站,如图2所示. 1???-一1 O 第3期周坤芳等:基于时差和频差的无人机对干扰辐射源无源定位 研究?197? 基线中垂线和基线方向上多普勒频率差都为零;采 用平行配置时,在基线方向上的多普勒频率差为 零,而在基线的中垂线上,多普勒频率差为: 2fovD(7) 其中,r为干扰源到基线中心的距离.可以看出不 同的无人机布站配置和速度方向,其对应的等多普 勒频率差间存在很大的差异,载频越高多普勒频率 差越大,距离越近多普勒频率差越大,基线越长多 普勒频率差越大. 当无人机采用平行布站时,曲线以两无人机中 心位置为中心,呈中心对称,且以接收机前进方向 或其垂直方向为对称轴,在基线方向上多普勒频率 差为零;当无人机采用垂直布站时,曲线以两无人 机的中心位置为中心对称,在基线方向上和基线中 垂线上多普勒频率差为零,这表明每一个多普勒频 率差测量值将有四个位置和它对应.从对干扰源定 位模糊度来分析,平行布站优于垂直布站. 在相同时差,频差测量精度的情况下,从干扰 源定位模糊度来分析,运用两架无人机基于TDOA 和FDOA对干扰源定位时,平行布站要优于垂直布 站. 2.3测量参数对定位精度影响 两架无人机对干扰源的定位精度除与无人机, 干扰源问的几何位置有关外,还与其它各定位参数 的大小有关,主要包括干扰源到无人机的距离,双 机之间的间距,时差和频差的测量精度,无人机的 飞行速度. 善 豫 盟 S鞫????聪筋鼢『二 ‘玛2轾0.5Ixs/10Hz/90m/s的等值线 ,灞??圜??磁龋厂 —— ——101.71’7黼 ?lr499e!诵——.2窝.强帕目6卜, &_蛐暗—/ 一 — 叶o ——\ 无人机距离/基线/时差/频差/速度 10kII1/1Ok0.5us/10Hz/90m/s的等值线图7不同参数测量精度下定位精度等值线图 现代导航 占曼各皇:妻图及3结束语定位精度等值线图,干扰源的信号载频为2.8GHz.一 (干扰源距离/基线长度/时差精度/频差精度/无人机通过对到达无人机的TDOA/FDOA测量,可实 速度的各自单位为rrgm/~s/HzJm/s).现对干扰辐射的无源定位,但实际定位过程中,要 从不同参数测量精度下定位精度等值线图,可根据实际区域和实际需求,合理配置与布局,尽可 以看出无人机定位精度以两机基线为轴呈对称分能提高对TDOA和FDOA测量精度,以提高对干 布,各图大致可分为三个区域:基线区,基线左右扰源的定位精度. 两侧的宽边区和位于上下对称的窄边区.宽边区定 位精度最好,基线区次之,窄边区最差,在基线的参考文献: 延长线上,定位误差为无穷大,在基线的中垂线方 向上定位误差最小.[1】郭福成等.双星TDoA/FD0A无源定位方法分析[J].航 (1)定位精度随着无人机至干扰源距离减小天电子对抗,2006(6) 而提高,即降低无人机飞行高度可以提高定位精[21孙仲康,周一宇,何黎星.单多基地有源无源定位技术 度.[M】.北京:国防工业出版社,1996. (2)定位误差随无人机基线长度的缩短而增[3】张德钦,周坤芳.空中无人机对地面干扰源测量定位方 大,即增加无人机基线长度可以提高定位精度.法及布设的探讨[c】,第二届海军院校间航海导航学术 (3)当无人机飞行高度和基线长度不变时,交流会论文集【A],海司航保部,2008.10 随着时差和频差测量精度的提高,无人机对干扰源[4】吴世龙,赵永胜,罗景青.双星时差频差联合定位系统 的定位精度也随之提高.性能分析[J],上海航天,2007(2) (4)无人机的飞行速度从90m/s降到30m/s, 基线垂线方向上距离10km处对干扰源的定位精度, 可由228.69m降低到495.31m,无人机的飞行速度 对定位精度影响也很大,而且速度越大,定位精度 越高.