1、毕业论文文献综述 电子信息工程 无源定位系统简述 摘要： 本文介绍了无源定位的四种常用的方法以及他们的基本原理和测向算法，通过阅读这篇文章来了解不同测向方法之间的利弊以便于读者结合实际应用场合和要求来选择合适的方案。 关键词 ：无源定位 TDOA 相位差 多普勒频率差 交叉定位 引言 近几年来，无源定位技术 1越来越受到人们的关注，并且广泛应用在人们的日常生活和工作中。无源探测定位方法具有作用距离远、宽带工作、低截获概率等优点，对于提高系统在 电子 战环境下的生存能力和作战能力有重要作用 。 现代战争是高科技战争， 电子攻击起着至关重要的作用。作战中对敌威胁目标的选择无非是电子干扰和实体摧毁，
2、精确的位置信息是实现摧毁的关键。有源雷达具有高的定位精度，但易暴露自己，所以无源定位技术无疑是雷达的一个很好的补充。无源探测设备具有高度的隐蔽性 (不辐射电波 )、广泛的适应性 (能探测陆、海、空、运动的、固定的辐射源 )、宽广的空域覆盖、精细的目标识别特性、体积小、质量轻、功耗少。无源探测设备的这些工作特点，决定了它在预警飞机、隐身飞机、电子战飞机及其它战斗机、轰炸机，各种战舰及国土防空系统中具有广泛的应用价值和作战潜力，其作用将日益突 出。随着社会竞争的深入，国家安全机关、军队及商业机构都愈来愈重视信息情报的防护问题，反无线窃听是其中的重要组成部分。 一、 基于相位差变化率的单站无源定位
3、相位差定位方法是通过 2个相互正交的相位干涉仪测量出目标辐射电磁波的相位差信息 ,实现对辐射源目标的快速高精度无源定位的。 为了提高定位精度 2，可以多测量一些参量 (取多个采样值 )，应用滤波算法会使定位精度在较短时间 (几十秒内 )收敛到一个较好的量级 (5以内 ) 3。然而该种定位方法对相位差变化率最为敏感，因此如何精确测量 (误差在一定范围内 )相位差变化率成为该种 定位方法应用的关键。 通过基于相位差的变化率来确定目标位置的算法比较多，例如 三角基线只测相位差变化率的定位方法、 UKF逐步逼近目标位置的定位算法等。 EKF 通过对非线性函数的 Taylor 展开式进行一阶线性化截断
4、,从而将非线性问题转化为线性； (三角基线 )同时测量其相位差变化率来实现对辐射源的定位，该方法从相位差变化率中获取角度，由于相位差变化率一般没有模糊，因此避免了直接测角必须面对的解模糊问题 4，对接收机通道的相位一致性要求低，定位精度高、定位速度快，具有很好的应用前景。在实际应用中应该按照具体的要求来 选择合适的计算方法，以满足实际的定位需求。 二、基于基于到达时间差的平面声无源定位 时差 (TDOA)定位又称为双曲线定位，是一种重要的无源定位方法，它是通过处理三个或更多个传感器采集到的信号到达时间测量数据对未知声源进行定位的。在二维平面中，声源信号到达两个传感器的时间差确定了一对以传感器为
5、焦点的双曲线，利用三站就可形成两对双曲线来产生交点，再利用测向信息排除虚假点，就能确定声源的位置 5。如图 1所示，在二维平面内，信号源 T与 A， B，C三个站距离不同，同一时刻 T点发送出的信号到达 A， B， C三点的时间也就不 同。当信号源 T位置固定时此距离差 d为固定值，并可由测得的时间差计算出。由此可得到一个关于 X， Y， T的方程，确定一条双曲线。根据 T点到 A， B点的时间差可确定另一条双曲线，两条曲线的交点即为信号源 T的位置6。 TDOA的计算方法有两种，一种是根据两个基站的信号到达时间 (TOA)之间的差值来获得 TDOA；另一种是采用相关技术，将一个基站接收到的信
6、号与另一个基站收到的信号进行互相关运算来获得TDOA值 7，选用不同的计算方法对于得到更加精确的源位置至关重要。 时差定位系统与传统的采用相位角进行判断的声音 定位方法相比具有传感器数量少，测量精度高，定位速度快，数据处理方法简单方便等优点。 图 1 TDOA定位示意思图 三、 基于多普勒频率差定位 多普勒频率差的定位方法是利用接收机和信号源之间的相对运动产生的多普勒频移来对信号源进行定位。由于目标与接收机之间存在相对运动才会产生多普勒频率，所以在实际计算当中不管是运动的物体和静止的物体都可以人为的产生相对运动来确定目标的位置 8。在三维空间中，假设两个运动平台位置坐标为 p ( , , )(
7、 1, 2)i i i ix y z i ，平台的运动速度为 ( , , )i xi yi ziv v v v ，固定辐射源的位置是 T(x， y， z)(如图 2)。辐射源发射信号的频率为 0f ，两个运动平台在某个时刻接收到的辐射源频率分别为 1f 和 2f 它们的差值，即为多普勒频率差 df （实际的测量方程中含有测量噪声）假设有 N+1个侦察平台，则可以得到 N个非线性方程，对其求解，应先将其 线性化，然后通过高斯牛顿迭代方法求解。在具体应用中，基线的长度、平台的运动速度和平台的布局对于测量精度都有一定的影响：基线越长，定位效果越好，多普勒频率差测量精度越高，定位效果越好，运动速度越大
8、，得到的多普勒频差就越大，定位精度就越高 9，合理的平台布局对于精度的提高也很有帮助。因为多普勒频率差是两个接收机接收信号的频率差，因此，它不受发射信号形式的限制，可以是连续波，也可以是脉冲信号，可以是相干信号，也可以是非相干信号，甚至是跳频信号。 图 2 目标与接收机位置关系图 四、 基于 测向法交叉定位 测向交叉定位 技术在无源探测领域是一项应用广、技术成熟的应用技术。测向交叉定位的实质是利用各制导雷达可以在角度上自动跟踪干扰源，从而测出干扰源方位角反和俯仰角，然后利用这些定向面或定向线交会出干扰源的距离信息。下面通过图 3来帮忙理解测向 -交叉定位的基本原理 10。设有 2个侦察站，其坐
9、标分别为 A(1x ， 1y )， B( 2x ， 2y )；测得的目标方位角分别为 1 和 2 (以方位基线为基准 )； AB之间的距离为 d，目标在 E点。从图中可以看出， 2条位置线 AE和 BE的斜率分别为： tg1 = 11eeyyxx =1a （ 1） tg 2 = 22eeyyxx = 2a (2) 整理得： 1eey ax = 1 1 1y ax (3) 2eey ax = 2 2 2y ax (4) 由（ 3）、（ 4）得： ex = 1 2 2 2 1 121 y y a x a xaa （ 5） ey = 2 1 1 2 1 2 2 121() a y a y a a x
10、 xaa （ 6） 可见，根据已知点 A和 B的坐标 A( 1x ， 1y )， B( 2x ， 2y )和方位角 1 、 2 便可以确定辐射源 E点的坐标 ( ex ， ey )。 在室内空间，电磁传播距离较短，并存在较严重的反射、衍射和绕射等非直线传播情况，同一接收机的各条多径分量时间上相当接近，区分时间上如此接近的各条多径非常困难，加上做到完全同步也比较困难，因此，利用精确的 TDOA进行室内定位几乎成为不可能 11。利用多普勒频率法定位时对观测站的运动速度的要求比 较严格，对于不能过于复杂的室内定位系统，该方法也不适用，此时可以利用有针对性的交叉定位算法来满足定位的需求。 图 3： 测
11、向 -交叉定位原理图 五、总结 无源定位跟踪技术的研究已日趋深入日趋成熟 。 国内的许多研究人员对无源定位跟踪技术进行了广泛的研究 、 深入的探讨和有效的仿真 ， 为走向实用奠定了基础。多普勒频率变化率作为测量是一种快速高精度的单站无源定位技术。若各测量量的测量精度满足要求 ， 则可以在很短的时间内达到较高的测距精度。测相位变化率定位法具有快速性准确性等优点 ， 但 它们是以增加测量的复杂性和难度为代价的。 相位差变化率的单站无源定位 是一种具有机动性强 12、定位收敛速度快、精度高等优点的定位方法 ， 该方法是一种极具发展前途的单站无源定位方法 。 到达时间差定位因为其系统简单、定位精度高7
12、等优点成为目前定位技术中的研究热点和测向定位法一样该方法也存在着速度慢 、 精度低的弊端 ， 同时该方法的应用还受到雷达频率漂移跳变的影响 。 参考文献 1陆效梅 .单站无源定位技术综述 J.舰船电子对抗， 2003 年第 26 卷第 3 期 :1-3. 2Gershanoff H Experimental passive range and AOA systemshows promiseJ.JED92 12，31 32 3朱伟强，黄培康，马琴 . 基于相位差变化率测量的单站定位方法 J.系统工程与电子技术， 2008年 11 月第 30 卷第 11 期 :1-4. 4刘永辉 , 窦修全 .
13、基于相位差变化率的单站无源定位技术 J.专题技术与工程应用 ,第 40卷第 6期 :1-3. 5陈慕羿 .基于到达时间差的平面声无源定位技术研究 J .科技创新导报， 2009 年第 9 期 :1. 6Dave Adamy Time of Arrival Emitter LocationJ Journal of Electronic Defense， 1995:2-5. 7丁学文，龚晓峰，武瑞娟 . TDOA 测向定位相关算法的研究 J.现代电子技术， 2009 年第 1 期 ：1-2. 8张正明，杨绍全 . 多普勒频率差定位技术研究 J.西安电子科技大学学报（自然科学版） ,2007年 12 月第 27 卷第 6 期 :1-4. 9郭艳丽，杨绍全 .多普勒频率差无源定位技术 J .航天电子对抗， 2002 年第 4 期 :1-3. 10穆岩，张丽霞 . 无源交叉定位技术误差分析与应用 J .舰船电子对抗， 2008 年 2 月 第 31 卷第1 期 :1-4. 11 Zhu Liangxue A New Model and Its Performance for TDOA EstimationJ IEEE VTC， 2001：2750 2753 12 胡来招无源定位 M北京：国防工业出版社， 2004
