无源定位方法的研究

2018年第15期信息与电脑China Computer&Communication网络与通信技术

无源定位方法的研究

杨　静

（广州铁路职业技术学院 信息工程系，广东 广州　510430）

摘　要：随着电子干扰与反辐射等雷达对抗系列技术的快速发展，有源定位技术以雷达为代表遭受日益严重的威胁。

在自身不辐射的条件下无源定位跟踪系统可以被动地接收辐射源的电磁波信号，经过对其各项参数的测量，可以确定隐

蔽地辐射源的运动状态及位置，在电子战情景下对于提高系统性能具有十分重要的作用。按照观测站的个数对无源定位

跟踪系统进行分类可分为两大类：多站无源定位和单站无源定位。笔者分别阐述了多个观测站和单个观测站无源定位分类、

系统特点及定位算法，剖析各种定位算法并对各种定位法进行误差的评估。关键词：无源定位；隐蔽性；误差分析

中图分类号：TN957.52 文献标识码：A 文章编号：1003-9767（2018）15-178-02

Research on Passive Location Method

Yang Jing

(School of Information Engineering,Guangzhou Railway Polytechnic, Guangzhou Guangdong 510430, China)

Abstract: With the rapid development of radar countermeasures such as electronic jammers and anti-radiation missiles, the active position such as radar is threatened strongly. The passive positioning system gives no radiation wave itself but receives

passively the electromagnetic signals radiated from other source and pin points its location as well as its moving state by measuring the

parameters, this feature of staying in concealment provides a fantastic improvement in its survival ability under E-war environment.

Single station location and multiple station location are the two kinds of the passive positioning system which is divided by the number

of the observatory. The classification, system characteristics and localization algorithms of passive location of single station and

multiple stations are described in this paper.

Key words: passive positioning; concealment; error analysis

１　无源定位分类

1.1　单站无源定位

单站无源定位是指仅采用单个观测的平台对目标进行较

长时间或者连续探测过程的一种方法。将探测到和定位到的

数据积累起来达到一定数量级后进行适当处理，在二维或者

三维空间中将获取到目标的位置信息和状态信息显示出来。

从数学的角度来看，通过观测设备取得的测量数据和定位的

参数对应了一个曲面或一条曲线，这样就可以通过曲面曲线

定位的交叉技术得到观测目标的定位。

根据数学及几何原理，在三维空间中，通过三个及其以

上的平面或曲面相交即可确定一个空间点。因而可从观测站

来获取辐射源目标的俯仰角ε、方位角β、高度h等测量信

息。对一个辐射的目标元进行参数测量后对应的平面就称为这个目标的定位面。测量同一个目标辐射源获得的参数测量

值所对应的平面就称为定位面，将定位面进行组合相交后可

得到定位线，将定位线再通过线线相交即可得到定位点，据

此就可以确定辐射源目标位置[1]。

1.2　多站无源定位

分布式多站定位，是通过分布在多空间上的接收机对辐

射源信号的多方接收并进行处理，以此确定圆、双曲面、平

面等多个定位曲面，目标源的位置可通过曲面相交得到。此

方法是基于多个观测台对曲面定位具有较大差别的特征提高

了定位的精准度，定位速度及精度都有优势。虽多站定位可

快速、多方位检测出辐射区源的分布情况，但多站观测台的

数据需协同传输与工作，这样限制了系统的机动性，系统更

为复杂，也使站间通信站之间严重依赖性强、复杂度高、实

作者简介：杨静（1986-），女，陕西西安人，硕士研究生，助教。研究方向：电子与通信技术。

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现困难。

基于无源定位法的侧向交叉和时差定位是多站定位技术

中常见的两种方法，应用较为广泛。测向交叉定位法只需两

个观测台对三维目标进行定位，并且系统对站间的时间同步

要求不高,这种方法的缺点是在定位时误差较大，尤其在边

缘区域位置。时差定位法则需要四个及以上的观测站对三维

目标进行定位，此方法可取得较高的定位精准度，但要求站

间需严格同步，系统构成也比较复杂[2]。

２　采用的参数及解法

2.1　观测量估计

在无源定位系统中，通过侦收来自辐射源的信号称为观

测量估计，依托参数估计法提取辐射源运动状态的信息。这

些观测量包括：相位变化率、多普勒频率变化率、角度变化率、

相位差、相位变化率等。只有这些观测量达到一定精度时，

才可应用于无源定位[3]。

2.2　辐射源定位解算

无源定位系统中的第二关键步骤即为辐射源定位解算。

定位解算是通过对比辐射源运动状态与观测量，根据观测量

估算出辐射源运动状态参数，达到无源定位的目的。一般的

参数估算算法有最小二乘估计与最大似然法，常用的解算方

式为解析法、搜索法与迭代法。

搜索法定位解算法的原理为，根据目标函数遍历所有待

估参量的可能取值，并依据参量计算目标函数，能满足目标

函数一定条件的搜索值被判定为待估参数的估计值。从本质

上来看，该方法是一种最大似然估计方法，稳定性是其最大

特点，并且能很好地应用于非线性估计参数，但待估参数维

度升高时，计算量会急剧增大。粒子群法、差分进化算法、

网格搜索法、遗传算法均为常见的搜索法。

迭代法以高斯-牛顿（Gauss-Newton）以及牛顿-拉夫

逊（Newton-Raphson）为代表。高斯-牛顿将观测方程依据

待估参量的取值，在其附近采用一阶泰勒级数展开的方式先

进行线性化，将观测方程在待估参量初始值附近线性化，利

用最小二乘估计线性加权法得出修正量，修正待估参量的初

始值，如此多次重复迭代进而获得待估参量的估算值，将迭

代结果附近的线性化目标函数进行求导计算，两种迭代法都

可很好地解决非线性估计的问题，运算量也相对较小，若观

测噪声较小且为高斯噪声，其性能可以逼近CRLB。但缺点

是稳定性比较差、易发散，需设定良好的初始值。

辐射源定位解算法通过建立目标观测运动状态参数与辐

射源运动参数的函数关系，来估计辐射源的运动状态。定位

解算法的运算量相对于搜索法要小得多，同时，相对于迭代

法要求的初始化估计，解算法则不需要进行初始化，也不存

在发散的缺点。并且如果满足一定条件时，解析法的定位误

差也能有效逼近克拉美罗限，由于解析法拥有众多优点，因而成为学者们研究的重要方向，其定位体制包括时差与多普

勒差联合定位、测角交叉定位、角度与时差联合定位、时差

定位等，其主要思路是基于伪线性化，将非线性观测方程伪

线性化为关于辐射源运动状态参数（和冗余变量）的伪线性

方程，从而可获取关于辐射源运动状态参量估计表达解析式。

３　定位精度及误差评估指标

3.1　定位精度

定位精度是衡量定位体质的重要指标，也是研究者首要

分析的因素，具有两方面的重要意义，一是通过定位精度的

分析，在导航参数及观测值精度确定的情况下判断定位精度

能否达到给定要求值；二是以定位精度为基础，通过反推分

析法，得到某定位导航参数测量精度与观测量的精度等[4]。

3.2　误差评估

系统对于定位系统的评估，主要包含两部分。一部分是

利用算法自身的特性来评估系统，定位算法是定位系统中最

核心的算法，因此，定位算法自身产生的误差也是不容忽略

的，即使在定位系统其他误差均不存在的情况下，定位算法

自身产生的误差也会对定位系统最终的定位精度产生较大的

影响，由此可以看出，选定一种适用的定位算法对目标被动

定位系统是至关重要的。另一部分是利用误差的常用表示方

法来评估。

４　结　语

无论采取哪种定位方法，其定位的准确性与精度都与目

标在不同空间位置有很大关系，也就是说目标的空间几何位

置与其定位误差有密切关系。同时，同一空间几何位置目标

的定位精度与观测站的几何分布也有很大关联。不仅需要研

究定位精度与定位站几何布局间的关系，还需要研究在定位

站布局固定的情况下，定位方法对不同空间位置上目标的定

位误差分布。这些研究对有效使用定位方法和提高目标定位

精度是很有意义的。

参考文献

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IEEE Tracnsactions on Aerospace and Electronic Systems,

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