远区电磁脉冲时差测向及定位算法研究

　　方向交会定位是无源定位方法中发展较早、研究较多和使用较广泛的一种,它通过高精度测向设备在两个及两个以上的探测站上对电磁脉冲(Electromagnetic Pulse简称EMP)进行测向,各个方向线的交点就是电磁脉冲信号源的位置。由于方向交会定位系统具有全方位、快速、探测距离远等优点,因此,方向交会定位技术无论在军用还是民用方面都具有重要的应用价值。现有资料基本上都是对近区的EMP信号平面方向交会定位算法的研究,很少涉及远区EMP信号。主要原因是对远区EMP信号用平面方向交会定位算法定位误差大,并且要求测向设备精度较高。以往学者利用相互垂直的交叉环天线来对EMP信号测向,这种做法测向误差较大,对近区信号定位还能满足精度要求,但对于远区信号,它的定位误差会明显加大,不能满足定位精度要求。为了弥补测向设备的不足,我们利用现代高精度的测时设备,通过时差法对远区EMP信号进行测向,为了降低平面定位算法带来的定位误差,利用球面方向交会定位算法对EMP信号源进行定位。

　　1　时差测向原理及其误差分析

　　1·1　时差测向原理

　　传统的测向方法是通过相互垂直的交叉环天线测得信号的方位角,再经过方向交会确定EMP信号源的位置,如图1所示。为了提高测向精度,β在某一象限的范围应是大于15度而小于75度,其测向误差可以达到1度。如果EMP信号源在6000km处,那么经过计算横向偏差就达到了在δ≈10km,这远不能满足定位精度的要求。所以,本文利用短基线时差法测向,然后再利用长基线进行球面方向交会定位。在全国范围内布设几个短基线阵,每个短基线阵由四个相同的探测站组成正方形,目的是能全方位对EMP信号进行探测;再由多个短基线阵组成长基线阵对EMP信号源进行球面方向交会定位。时差测向原理图如图2。

　　首先设短基线阵内探测站组成正方形的边长为l,EMP信号的来波方向与短基线阵内两探测站基线的夹角为β,EMP信号到达两站的时间差为Δt,则转换成距离差为:

　　由三角函数可得:

　　对(2)式求反三角函数:

　　通过上面的分析,我们可以很容易的得出EMP的来波方向角β,从而确定出EMP信号源的一条方向线。同理,其他几个短基线基阵可以确定出EMP信号源的另外几条方向线。关键的问题是能否达到测向精度的要求,下面对时差测向误差进行分析。

　　1·2　时差测向的误差分析

　　对(2)式两边求微分:

　　从而推导出影响时差测向精度的主要因素有:测时误差dΔt和短基线阵内探测站间的基线长度l。

　　从(7)式得出,时差测向误差dβ与测时误差dΔt成正比,即测时误差越小,测向误差就越小。随着现代科技的不断发展,我们测时设备的测时误差已经达到了0·1μs,再考虑其他因素影响的测时误差(电磁脉冲传播路径不同引起的测时误差、因波形离散和本底噪声引起的测时误差、时间同步误差、设备不稳定性引起的测时误差、站间波形不一致引起的测时误差等),总的测时误差基本上可以达到1μs左右。