海上侦察船的纯方位无源定位技术研究

海上侦察船能较长时间在海洋上对港岸目标或海上舰船实施电子侦察, 有利于提早发现敌方舰船动向, 在军事作战中占据优势。传统侦察船在目标识别时多采用有源定位方式, 通过发射雷达信号等获取地方舰船确切位置。有源定位方式隐蔽性较差, 很容易暴露自己^[1]。

与有源定位方式相比, 无源探测定位技术具有下列优点:

1) 无源探测定位技术本身不发射信号, 因此隐蔽性强, 不易被对方捕获;

2) 抗干扰能力强, 可提取监测目标的航速、位置、舰船规模等多种信息;

3) 可探测隐身目标, 安全性能高。

本文建立了监测目标的非线性运动模型, 研究了无源定位技术的数据关联技术和估计算法, 有效改进了侦察船纯方位无源定位技术的性能。

1 无源定位技术的目标建模

侦察船对海上目标的识别和定位是二维的, 因此, 本文在二维直角坐标系下建立无源定位的运动模型如图1所示。

如图, 假定侦察船的位置、速度、加速度分别为r₁, v₁和a₁, 目标船的位置、速度、加速度分别为r₂, v₂和a₂, 目标船相对于侦察船的相对运动速度和加速度分别为v₂₁和a₂₁。则静止条件下, 无源定位系统的微分方程如下式:

当目标处于匀加速运动时, 无源定位系统方程如下:

2 海上侦察船的纯方位无源定位技术研究

2.1 无源定位观测系统的位置估计算法

船舶纯方位无源定位系统在目标定位时需要采集大量的位置信号、航速信号等, 并经过数据融合才能获得准确的目标船舶位置。因此, 无源定位观测系统是个非线性系统, 寻找合理的位置估计算法可以有效提高船舶定位的效率。

本文主要利用了反步算法对监测船的位置进行估计, 该算法的核心是把非线性系统分解为多个子系统, 并利用Lyapunov函数[2]的选取功能进行位置信息筛选, 该位置估计算法的流程如下:

首先, 假设无源定位系统的方位信号输入量为 (x₁, x₂, ..., x_n) , 位置输出量为y (t) , 形式如下:

式中:f_n为相对位置的非线性函数;δ为校正系数。

定义纯方位无源定位系统的误差变量如下:

定义无源定位系统的Lyapunov方位信号筛选函数如下式:

则可以得到纯方位无源定位系统的位置输出函数和误差量如下式:

式中:x (t) =[r^′₁, v^′, a^′]为监测船的最终方位。

2.2 多观测目标数据关联技术

海上侦察船根据实际的工作需求, 不仅需要对海上某个舰船目标进行无源定位, 有时候还需要对海上编队等多个舰船目标进行无源定位。此时, 无源定位系统需要采集的方位信号非常多, 定位过程也更加复杂^[3]。

本文采用测向交叉定位对被测编队的各个目标进行精确定位, 测向交叉定位的关键环节是数据关联环节。数据关联是指对多个侦察设备获取的目标信号进行分析, 并判断方位信息是否源自同一目标, 然后进行目标的精确定位。

测向交叉定位的原理图如图2所示。图中共有1~6个方位侦察设备, 每2个侦察设备采集的方位交点表示被测目标或者虚假点。图中, 点4和点5就是虚假点, 而点3则是被测目标代表的点。多目标侧向交叉定位在存在多个目标的情况下, 可以获得被测目标的准确方位。

在侦察船纯方位无源定位系统中存在以下2种误差:

1) 系统误差

系统误差由无源定位系统的设备质量、传感器精度和信号传输质量等因素决定, 很难避免。

2) 随机误差

侦察船无源定位系统的随机误差符合二元正态分布, 反映了被测目标定位误差在不同方位的分布, 随机误差的协方差矩阵如下式:

式中:σ_x, σ_y分别为被测目标方位在x, y轴方向的方差;k为相关系数。

2.3 海上侦察船的纯方位无源定位系统设计

由上文可知, 海上侦察船的纯方位无源定位系统既可以实现单目标的准确定位, 又可以借助侧向交叉定位方法获得多目标的准确位置, 应用潜力很大。

对于单目标纯方位无源定位, 定位过程主要使用了舰载电子侦察设备、监控系统和应用软件等, 无源定位的流程如图3所示。

3 结语

海上侦察船可以准确的对敌军目标进行定位和侦察, 有重要的军事意义。传统的侦察船目标探测技术隐蔽性差, 探测精度低等, 而纯方位无源定位隐蔽性高且定位精确, 因此, 本文重点研究了一种基于方位角测量的纯方位无源定位技术, 并解释了其无源定位的原理和定位流程。