摘 要： 为了实现短波导航定位，根据电离层中短波传播特性，转换成几何模型，完成定位以及误差修正。仿真平台研究了在球面进行相交的几何推论，并通过推导实现了在仿真上获得球面相交的准确接收信息，以及通过研究出的算法处理，能够将接收信息转换成精确的发射信息，进行定位。并以射线追踪模型模拟短波传播的真实环境，研究电离层对传播的影响。仿真结果表明，仿真平台在无影响的情况下，能够实现精准定位，射线追踪的引入能对实际的导航定位有一定的指导意义，接收单位能依靠广播电台站接收信号实现精准定位。
关键词： 仿真平台; 短波导航定位; 无源定位; 误差修正; 球面相交; 射线追踪
中图分类号： TN967⁃34; TP301.6 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2019）16⁃0001⁃05
0 引 言
短波信号定位作为现代短波电子战系统的基本功能，不仅是电子对抗的重要手段，同时在民用方面也可为有关部口排除短波干扰和非法电台提供一定的信息支撑[1]。其中，测向交叉定位法是研究最多、最经典的定位技术，该技术是仅利用方位测量信息来确定未知站点位置的定位方法。但是现有测向定位技术方法通常采用平面地图上的二维交叉定位技术，该技术直接将测向信息作为二维坐标系中的以测量点为基准的直线的斜率，两条或者两条以上的测量信息即可确定目标位置。该方法简单地将地球表面作为平面，没有考虑地球精确模型，因此存在较大的误差，所以在实际工程中该方法只适用于测量点与目标之间距离相对较小的场合[2]。实战中为了防止被破坏，使研究作战单位不再通过发射信号定位，而是接收已知广播电台信号进行定位。而此时的接收角度信息与发射角度信息却存在一定差异，对定位产生影响[3]。
本文设计了一套导航定位仿真平台，其不再使用平面交叉定位，而是基于球面模型，针对远距离定位时，测量信息不准确的特点，设计出一种方法，对测量信息进行修正。通过仿真实验验证，该平台具有精度高、稳定性好的优点。
1 总体设计
仿真平台需要实现模拟实际中的短波定位以及添加各种干扰因素的影响和对实测数据的应用。基于对整个短波定位的总体分析及软件框架设计思想，由此分析，建立如图1所示的仿真平台的整体框图。仿真平台分为五大部分：DOA估计模块、初步定位模块、误差修正模块、角度偏差模块、射线追踪模块。其中，DOA估计模块负责获得发射站发射角以及获得接收站波达角。初步定位模块包含完成球面交互定位以及相交点取平均。误差修正模块用于根据定位距离判断角度偏差，设定发射角遍历范围，以及将结果与真实到达角比较以及选取最佳定位点。角度偏差模块包括完成幅相偏差修正、阵列偏差、人为设定偏差。射线追踪模块涉及设定参数，进行射线追踪和将误差导入修正模块[4]。
2.3 误差修正模块
由前文DOA估计部分可知，接收到的来波方位角与发射方位角不能简单换算，因此，当把两者混淆时就会产生定位误差。所以，本模块致力于消除将两角混淆而产生的误差。
通过实验发现，由于球面特性，虽然随着发射站与接收站距离的增大，由接收站处的来波方位角换算成的接收站处发射角与发射站发射方位角的差值也逐渐增大。但是在两站一定距离范围内，这种差值也是在一定的范围内的。基于这个结论，可以设计出如下解决方法。
已知量为两个接收站经纬度和相应的接收站处来波方位角。于是，可将初始来波方位角转换成发射站处初始发射方位角，依据前文定位功能模块，可进行第一次的初步定位，获得定位结果，即可得到发射站与接收站大致距离。以此次初步定位模拟真实定位情况，便得到初步发射角与真实发射角的大致差值。然后以两个发射站为基准在邻域内对方位角θ进行了范围为2Δθ的小范围遍历，对于每一次的相交结果，通过前文波达角估计模块中方法测量相交点处的来波方位角，并与事先已知的真实的来波方位角进行差值比较。最终，选择在所有相交结果中，差值最小的相交点作为定位点[13]。
2.4 射線追踪模块
利用三维射线追踪模型进行仿真，模型可以对射线路径上的点间隔记录。仿真过程为：将射线上的点投影到球面上，得到相应点的球面的球坐标，并求出发射站到这些点的发射方位角，比较这些点的发射方位角之间的差值，即可判断出这些点是否在同一个大圆上，以及偏转情况。
在探测过程中，已知量只有发射站和接收站收到的相应的来波方位角，通过前文分析，可以得到准确的发射方位角以及定位点。那么，此时，就可以利用三维射线追踪模型模拟这一次定位情况，以此发射方位角再结合其他合适参数，仿真出此时的电波传播过程，根据结果得出相应的发射方位角偏转情况。然后再将方位角偏转误差加到准确的发射方位角上，就可以模拟实际中受到偏转之后的发射方位角，将角度反馈给定位模块。此时的再次定位结果和之前准确方位角的定位情况相比较就可以反映出电离层对定位造成的误差[14]。
2.5 角度偏差模块
在实际设备中因各通道器件而产生的幅相不一致性也可能对测向结果产生影响，本仿真软件可引入各接收通道的幅度与相位误差，并将其产生的影响体现在定位与测向结果上。接收阵列的摆放与真实地理的偏差，会影响测向;人为加入偏差来统计数据，对研究偏差也会造成影响。因此本模块主要将这些偏差导入DOA估计模块，研究其影响[15]。
3 仿真结果
针对仿真平台展开实验，验证平台功能。首先验证DOA估计模块，初步定位功能模块，定位误差修正模块的功能，以及引入电离层射线追踪模块的功能。
实验确定3个固定发射站，经纬度为A站34.4°N，100.1°E，B站22.7°N，101.2°E，C站30.5°N，114.4°E，移动接收站获得多组数据。
从表1结果可以看出，虽然接收站不断移动，不断改变发射站与接收站之间距离以及相应的来波到达角，但是从结果上来看，平台的功能得以实现。首先是由于初步定位使用原始的到达角，仅仅定位一次，因此，误差结果偏差较大。而对于精确定位的情况，由于使用了误差修正算法，通过多次定位，不断修正，最终获得的结果普遍准确。并且，这些误差的原因主要还是修正算法的精度问题，可以推理，当精度进一步提升时，误差会更小。
当引进电离层偏转误差后，从表格结果看出，偏转误差确实存在，对定位情况造成一定影响。最后，引入实测数据进行验证，实验数据来源为以昆山（31.5°N，120.95°E）为接收站，接收来自北京（39.95°N，116.45°E）、蒲城（34.95°N，109.55°E）、石家庄（38.07°N，114.47°E）的无源信号。以乐山（29.6°N，103.75°E）为接收站，接收来自张掖（39.4°N，100.13°E），普洱（22.7°N，101.05°E），武汉（30.5°N，114.37°E）的有源信号。无源定位结果如表2所示。有源定位结果如表3。
从表2、表3的结果可以看出，精确定位结果比初步定位结果小，说明无论是无源还是有源信号，本文平台都做到了对定位情况做进一步的优化。
4 结 论
本文设计的短波导航定位仿真平台能够准确地模拟实际导航定位的过程，并且通过提出的定位误差修正算法能够对原始的定位结果有更好地修正，得到精确的结果。在平台上引入电离层射线追踪模块来模拟电离层对电波传播造成的影响，并通过对实测数据进行处理，证明了平台的可用性。因此，短波导航定位仿真平台能够为实际的导航定位提供仿真数据以及具有一定的指导意义。
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