先进测向系统与技术的发展.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date先进测向系统与技术的发展先进测向系统与技术的发展先进测向系统与技术的发展 通常，测向（DF）系统被认为是用于定位无线电或雷达等射频辐射源的情报搜集工具。实际上，快速准确的测向能力对所有的军事系统，包括自卫设备、寻的武器以及实时态势感知工具来说都是至关重要的。 近年来，针对各种应用，人们开发出了多种测向技术，从经典的沃森-瓦特和多普勒到达角（AOA）技术至到达时差（TD

2、OA）、到达功率（POA）技术以及各种组合技术。随着信号处理技术的进一步发展，出现了更加先进的测向技术，如：相关/相干干涉仪、矢量匹配等。最终，总体任务需求、被搜索信号的复杂程度、系统运行的环境将决定什么是最好的测向技术。 测向定位 在战术作战环境中，经常用“定位”一词来代替测向以描述系统的用途和能力。当然，定位是目前的最新技术。利用三部或三部以上位于不同位置的先进扫描测向接收机，能自动将测向结果传送至测向服务器，然后进行相关并计算出辐射源的准确位置。即使对短时间出现的辐射源或信号，也能近实时地获得定位结果。 测向与定位之间的区别仍然取决于用户的需求和任务。有时这些需求可通过多个固定站定位或移

3、动定位来满足，其中移动定位是通过移动测向系统，如飞机或无人机，在短时间内获取辐射源的多个方位来确定其位置的。“移动测向”通常也是武器系统在最后一英里无法连接到网络时寻的目标而采用的方法。这种情况下，定位技术不起作用，但经典的沃森-瓦特到达角（AOA）测向方法可以发挥作用。 其它测向技术也能实现瞬时定位，比如：结合数字地形测绘能力，同时探测并确定信号的方位及仰角，知悉辐射源是位于山顶还是海平面上。虽然这种方法需要利用专用的硬件和软件来探测方位与仰角，但不用移动空中平台就能提供瞬时定位。 测向与定位之间的区别最终依然取决于信号和任务场景。在猝发或低截获概率（LPI）通信中，传统的搜索或监视接收机难

4、以对信号进行检测和测向。在任务中涉及这些信号时，必须确保对辐射源的每次探测都能得到测向结果。这对于分秒必争的自卫系统而言尤其重要。 另一方面，在战术战场环境中，定位是几乎所有系统的需求，因为用户通常对何时何地谁在干什么以及其原因更为关注。但就“何地”而言，测向结果必须作为定位计算最重要的输入。 测向与定位相互关联。对战术指挥官来说，时间是关键性因素，重要的是系统如何才能迅速获得高可靠的定位结果。系统的灵活性也是一个主要需求，不仅要能灵活地应对频谱范围内的各种目标，而且还要能灵活地对新出现的目标进行测向和定位，以适应不断变化的信号环境。 测向与定位的功能及用途主要取决于所关注的是雷达（ELINT

5、）还是通信设备（COMINT）。从严格的ELINT角度看，测向很重要，尤其对技术搜集而言。其关键不在于对辐射源进行精确定位，而在于信号的到达角和获得高灵敏度、高增益信号的能力，以便通过副瓣及后瓣（而非主瓣）处理和采集参数信息。 在作战环境中，定位比雷达系统的参数更重要，实时的信号信息可用于在多ELINT应用中为其它传感器提供指示。未来一大发展趋势就是，过去由电子支援措施（ESM）系统完成的态势感知任务将与专用SIGINT平台提供的技术搜索能力相融合。无论哪种情况，测向都非常重要。 需求分析 不考虑所有其它因素，可靠的信号检测一直都是有效测向/定位系统或技术的首要需求。现在，随着扩频和频率捷变等

6、低截获概率信号的出现，这一任务变得越来越困难和复杂。 频率捷变辐射源通常的跳频速度为500跳/秒，但现在一些系统已达到2000跳/秒。例如，蓝牙等商用标准已达到了1600跳/秒。这些跳频速率对无线电定位系统来说是一种挑战，当然，更大的挑战来自可隐藏在频谱噪声基地之下的扩频信号。这种信号不易被发现，因而很难及时应对。瞬时带宽更大、扫描速度更高的系统才能应对此类先进信号。采取组合方法是提高截获概率的关键因素。 要确保测向系统具备优异的时间分辨率和极高的扫描速率，有时这意味着要牺牲一点频率分辨率。必须确保有足够的频率和时间分辨率以便准确地测量信号，同时还必须确保系统有足够的带宽和扫描速度，并根据不同

7、的场景配置数量合适的测向系统。 技术发展 假定信号检测问题已经解决，测向或定位的任务才真正开始。这不是一项简单任务，需要运用许多新技术，这些密切相关的技术大多是根据具体的应用需求开发的。 经典的沃森-瓦特干涉仪到达角测向方法采用爱德考克（即交叉环）天线，比较每个天线接收到的信号的幅度，根据其幅度差来计算信号的方位。此外，到达时差（TDOA）定位技术也得到了日益广泛的应用。在常规到达时差定位方法中，利用三部或三部以上位于不同位置的网络化接收机来接收信号，由于信号路径长度不同，因此可以利用到达时差来计算发射机的位置。 到达时差定位方法尤其适用于城市环境，不像到达角测量系统会受到建筑物及其它物体反射

8、信号的影响。但是，到达时差定位方法也有缺陷，在战术场景中没有真正广泛应用，因为它无法很好地处理窄带信号，且宽带信号在时域上都是猝发的，反之亦然。此外。到达时差定位方法要在战术任务中有效发挥作用，必须确保网络链接，这在高速移动的战术场景中通常是很难实现的。 另一种测向或定位方法是采用常规到达角与到达时差组合方法。这种技术适用于可在测向模式与到达时差模式间进行切换的到达时差接收机和测向仪，能提供带有高精度时间标记的到达角和IQ数据（调制样式信息）瞬态图。这种组合方法集成了两种方法的优势，也弥补了其不足。而且，只用一部到达时差接收机/定位系统就能实现定位。近年来，定位系统的主要改进之一就是开发了先进

9、软件。用户的许多任务都要在城市环境中完成，这种环境几乎无法直接看到辐射源而且存在着大量多径传输。现代软件算法和处理技术可以解决这些问题，通过叠加所有测向结果，可使辐射源的定位精度达到5米。这在过去是不可能的，但现在已经实现。 到达功率是有时使用的另一种测向或定位方法。虽然这项技术有时有用，但在三种测向定位方法中效果是最差的。例如，在城市环境中，信号的功率电平很容易下降20dB，这与目标距离无关，仅仅是因为辐射源位于桥下或隧道里。只有在很接近目标时，到达功率定位方法才有用，这种情况在军事应用中并不常见，但在室内定位辐射源时，到达功率定位法还是有效的。 还有一种测向技术称为参考测向，其原理并不新颖

10、，但最近才进入实际应用。参考测向方法利用目标信号的已知特性来改善或加快测向处理。已知特征可以是任何信息，如信道带宽或空中信号采用的脉冲序列。利用信号的先验信息，即可显著改善测向结果，这在市区等复杂环境中尤为重要。 目前，许多先进测向/定位系统都基于相干干涉仪技术，根据并置且圆形排列的多个天线单元接收到的信号的相位差来计算方位。该方法在解决同信道互扰时特别有效。 在高密度信号环境中，同信道互扰是一大挑战。军队和非对称威胁依然采用HF系统进行远程通信。对工作在HF频段的测向系统来说，同信道互扰是一个难题。在HF频段，同一窄带信道中通常会出现2-4个来自相隔数千公里的不同辐射源的信号。 泰利斯公司声

11、称其解决同信道互扰的技术具有高分辨率或超高分辨率。相比于传统系统，这些技术需要更多的天线以及超高分辨率的算法。典型测向系统可能需要4-5个天线，超高分辨率则需要8-20个天线。天线越多，能区分的信号就越多，系统要测量信号的幅度和相位。采用相干干涉仪技术，多部接收机可以利用专用算法同时处理多个信号，在所有环境尤其是复杂环境中，都能提供更高的精度。 测向能力与自动信号处理的无缝集成能使输出结果达到最优，同时降低了尺寸、重量和功率（SWaP）。罗德与施瓦茨公司研制的9信道HF测向系统采用n-信道设计，天线单元数与接收机信道数相等，无需切换。除了标准的相干干涉仪测向外，9个并行的相干接收通道能实现波束

12、形成和超高分辨率。 普特拉（Plath）公司的最新技术是综合相干干涉仪原理与矢量匹配技术。利用矢量匹配技术并行计算检测波形的幅度和相位，不仅提高了方位精度，而且对多径和极化旋转具备更强的鲁棒性。根据天线情况，有时只要采取一种方法（幅度或相位），但矢量匹配原理能得到最佳结果。 先进软件 处理硬件和软件算法的不断进步使信号处理与测向能力呈指数级增长成为可能，这些能力对应对低截获概率（LPI）信号而言是至关重要的。软件算法是这些先进系统的关键。首先是高度复杂的频率和时间分辨率，然后是为发现短猝发信号而进行的测向数据信号分析，确保所有测量都准确，然后将这些猝发信号汇集到正确的信号上。最后，在讨论混合传

13、感器、多个测向站与接收机以及其结果时，必须确保能够准确地融合所有数据，这样才能得到一个完整的信号。 重要的是，在越来越具挑战性的作战环境中，技术发展的重点在于要充分利用可测量和处理的信号的所有特征，以最快的速度获得最佳的结果。BAE系统公司在这些关键技术领域进行了一些研发工作，例如：改善吞吐能力，实现对多个信号的方位和仰角的同时测向。这是一种非常新颖的信号处理方法，实际上是通过最先进的处理器和接收机实现的。另一个重点领域是提高在复杂环境中的定位精度，缩短定位时间。BAE系统公司正在利用一些非常先进的相干技术降低多径效应。很多测向技术都是基于相干干涉仪测量法的，现代处理技术能在非常丰富的数据集上

14、进行大量的高速处理。BAE系统公司另一项研究是解决如何在拥塞的环境中对同一频率的多个信号同时进行测向的问题。BAE公司拥有能以高计算效率达成这一目标的新技术，使其可在嵌入式战术系统中运行。除改进性能外，找到降低系统复杂度的方法也很重要，如降低阵列的复杂性，减轻平台的集成负担。BAE公司正在研发能显著降低天线数量及物理尺寸的新型宽带孔径。 与常规方法相比，多信号分类（MUSIC）算法等高分辨率测向技术能显著提高测向传感器在所有环境中的性能。通过分离同一信道中的不同信号，提高检测与测向的信噪比，降低信号衰减，实现空间滤波和波束形成。要真正实现这些优势，则需要大量设备，包括多个接收天线、多部接收机以

15、及很强的处理能力，以减少天线至接收机的切换。 天线切换是测向/定位系统处理需求的一个重要方面。虽然单部接收机能够覆盖所关注的整个频段，但单个天线无法完成任务，需要采用多个不同天线。尤其是战术系统，其接收机数量通常少于天线数量，为了覆盖一个非常宽的频段，需要将多个天线切换到指定的接收机。除了尺寸、重量和功率方面的考虑，成本也是影响系统设计、接收机数量和最终切换需求的重要因素。 近年来，影响天线设计与应用的另一个因素是频谱。过去十年，在民用数字视频广播（DVB）、数字音频广播（DAB）及很多方面都出现了新的宽带数字信号。这些低功率信号对有源天线（带有综合信号放大器的天线）带来了极大挑战，因为天线本

16、身会产生互调。对许多应用和频段而言，有源天线是必需的，因为具备所需灵敏度的无源天线太大，以致无法使用。罗德与施瓦茨公司的解决方法是采用可切换到无源工作模式的有源天线，这就避开了天线的有源部分，使天线单元变成无源的，从而根据信号强度在有源和无源之间来回切换。这种方法极大地提高了系统的线性度，降低了不可避免的互调分量。 AESA技术 对电子情报（ELINT）任务来说，信号搜集的整体变化动态迫使信号搜集装置发生相应变化，无论是采用高增益自旋测向天线，还是采用基于脉间处理进行搜集的低增益干涉仪天线，抑或是采用用于信号搜集的有源电扫阵列（AESA）。重要的不仅仅是孔径，还有处理技术，处理距孔径越近，灵敏

17、度就越高，越能更好地对付低截获概率环境中的雷达。 此外，扩频信号需要更大的瞬时带宽，天线不具备这种能力，要依靠处理能力和调谐器。一些国家已经在获取更大的瞬时带宽（2-4GHz）方面有很大进展。利用光子接收机和信号处理技术，有望实现超宽带瞬时处理能力。目标是在孔径处获得超宽带处理能力，预计可在未来五年实现。 AESA是实现超宽带能力的使能技术，尤其适用于在拥塞空域中的易耗设备（如低成本无人机）及应用。未来需要在威胁环境中工作，目前影响测向与定位精度的大天线、大干涉仪对无人机来说太大了，无人机必须采用小型、低成本的天线阵列，以便更靠近雷达信号，改善和补偿灵敏度。 目前，针对这一领域的研究工作还不多，但这是未来五年的发展趋势。必须降低制造成本，改进并调整算法和波束，以便同时处理多个波束。可以预计，随着时间的推移，AESA最终将取代干涉仪和测向自旋能力，但只有降低成本才能变成现实。 （王 燕编译） 国际电子战 站在世界电子战最前沿-