一種單星無源高精度定位方法

閆 濤，柏如龍

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081;2.裝備工程技術(shù)研究實驗室，河北 石家莊 050081)

一種單星無源高精度定位方法

閆 濤1,2，柏如龍1,2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081;
2.裝備工程技術(shù)研究實驗室，河北 石家莊 050081)

針對基于雙星或多星的衛(wèi)星通信終端定位系統(tǒng)使用約束多、定位誤差大等問題，提出一種單星無源高精度定位方法。利用一個高增益窄波束天線接收輻射源旁瓣泄露信號，同時接收主瓣經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號，通過互模糊函數(shù)實現(xiàn)微弱旁瓣信號檢測和時差參數(shù)估計，結(jié)合旁瓣接收天線波束指向信息，實現(xiàn)對目標的準確定位。仿真結(jié)果表明，可實現(xiàn)對微弱旁瓣信號的檢測和運動目標的高精度定位。

單星定位；模糊函數(shù)；弱旁瓣信號檢測；到達時差；方向

0 引言

隨著衛(wèi)星通信的迅速發(fā)展，其在軍用和民用通信所占的比重和重要性也越來越大，研究衛(wèi)星終端定位技術(shù)，實現(xiàn)對干擾源或特定用戶的精確定位具有重要意義。

由于衛(wèi)星通信終端一般采用窄波束定向天線，常規(guī)的偵察手段只能通過目標信號波束的旁瓣甚至背瓣偵收信號，難以直接測向或定位。針對衛(wèi)星通信輻射源定位問題，國內(nèi)外已經(jīng)做了大量研究[1-2]，目前比較成熟的方法是同步軌道雙星定位方法，該方法利用2副天線接收2顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的輻射源的主瓣和旁瓣信號，計算2路信號的時差和頻差參數(shù)，結(jié)合衛(wèi)星星歷和參考站位置，就可以估計出輻射源的地理位置[3-4]。英國Merlin 國際通信有限公司聯(lián)合研發(fā)的SatID系統(tǒng)、美國軍方背景的INTERFEROMETRICS 公司研制的TLS Model 2000 系統(tǒng)、法國NovaGrid 公司研制的Hyper-Loc 系統(tǒng)均采用上述定位體制。同步軌道雙星定位方法雖然能夠?qū)?shù)千公里外的衛(wèi)星終端進行定位，但具有以下不足：① 定位精度差，誤差可達幾十甚至上百公里，無法實現(xiàn)對目標的精確定位；② 定位約束條件比較苛刻，定位要求鄰星位于主星附近，且波束覆蓋目標區(qū)域，定位時還需要多個分布布置的參考站；③ 定位過程利用了轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星與目標的相對運動引起的多普勒頻差信息，因此無法對高速運動目標進行定位。

針對上述問題，提出了一種單星無源高精度定位方法，在單偵收站和單轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星條件下，可實現(xiàn)對視距范圍內(nèi)靜止或運動衛(wèi)星通信終端的高精度定位。

1 信號檢測及時差測量

1.1 模糊函數(shù)

2路信號的數(shù)學(xué)模型可以表示為:

(1)

式中，s(t)為輻射源所發(fā)信號的復(fù)包絡(luò)，A表示信號間的幅度比例系數(shù)，D表示信號間的相對時延，fd表示信號間的頻率差，w1(t)、w2(t)為觀測噪聲。

信號x1(t)與x2(t)之間的二階互模糊函數(shù)[5-6]如式(2)所示：

(2)

其中

(3)

根據(jù)三角不等式以及施瓦茲(Schwartz)不等式，有：

(4)

時延D和多普勒頻差fd的估計可以由函數(shù)模糊函數(shù)最大值所對應(yīng)的時延τ和頻移f給出[7]，即：

(5)

1.2 時頻差估計理論精度

時頻差估計精度(均方根)Cramer-Rao界表示為[8]：

(6)

(7)

式中，Bs為信號帶寬，B為接收機噪聲帶寬，T為積分時間，SNR為有效信噪比，其定義為：

(8)

式中，SNR1為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號接收信噪比、SNR2為旁瓣泄露信號接收信噪比。時差測量精度主要取決于信號帶寬，頻差測量精度主要取決于積分時間。

1.3 處理增益

在理想高斯信道條件下，相關(guān)處理后總的處理增益GP為：

GP=B×T,

(9)

式中，B為信號帶寬，T為積分時間，考慮到目標運動、信道抖動等因素影響，實際相關(guān)處理增益要低于理論增益。

則模糊函數(shù)處理后輸出相關(guān)峰值與噪底的功率比[9]SNRout如式(10)所示：

(10)

由于一般情況下，旁瓣泄露信號極其微弱，其SNR2<

(11)

1.4 目標運動對積分時間影響

設(shè)天線波束寬度為θ，目標俯仰角為α，水平距離、高度和目標切線速度分別用r、h、V表示，由幾何關(guān)系可得，目標在接收波束內(nèi)的飛行時間T如式(12)所示，若積分時間內(nèi)目標超出偵收天線波束覆蓋范圍，則有效積分時間會減小，因此積分時間應(yīng)小于T。

(12)

2 時差方向聯(lián)合定位

2.1 定位模型

高增益天線波束寬度較窄，當(dāng)在某個方向上檢測到信號后，可視為目標的方向信息(俯仰角α、方位β)，通過時差、測向信息可解算出目標的三維位置[10-11]，因此，單偵察站即可實現(xiàn)對目標的探測。 由于定位不需要多普勒頻率信息，因此對靜止目標和高速運動目標均可進行定位。定位場景示意圖如圖1所示。

圖1 定位場景示意圖

由于偵收站位置已知，衛(wèi)星位置也可通過公開的GEO星歷數(shù)據(jù)計算得到，因此基線長度L是已知量，由式(13)即可解算出目標位置。

(13)

2.2 定位精度分析

定位系統(tǒng)基線長度(偵收站與衛(wèi)星的距離)可達36 000 km以上，在如此大的基線長度下，時差測量誤差的影響會顯著減小[12]。

定位誤差協(xié)方差矩陣P，其計算公式如式(14)所示：

(14)

其中，

(15)

系數(shù)矩陣C如式(16)所示，

(16)

其中，

(17)

理論定位幾何精度因子如式(18)所示:

(18)

3 仿真結(jié)果分析

3.1 信號檢測仿真

仿真條件：天線波束寬度0.5°，目標高度15 000 m，目標切向速度300 m/s，目標信號為2 MHz帶寬的連續(xù)波信號，信號樣式QPSK，采樣率8 MHz，理想高斯信道，旁瓣信號接收信噪比-20 dB，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號接收信噪比8 dB，積分時間0.01 s。

圖2為目標高度15 000 m，目標切向速度300 m/s條件下，不同水平距離下對應(yīng)的目標波束內(nèi)飛行時間，可以看出遠大于0.01 s的相關(guān)處理積分時間。

模糊函數(shù)處理后時差切片如圖3所示，可以看出相關(guān)輸出峰值比噪底高將近20 dB，可以實現(xiàn)對微弱旁瓣信號的高效檢測。

圖2 不同水平距離下目標波束內(nèi)飛行時間

圖3 模糊函數(shù)處理峰值時差切片圖圖

3.2 定位精度仿真

仿真設(shè)置：接收站經(jīng)度121°，緯度30°，高度300 m，衛(wèi)星選擇東經(jīng)125°地球同步軌道衛(wèi)星，仿真不同時差和測向精度下的定位幾何精度因子，如圖4所示。

圖4 不同參數(shù)測量精度下定位GDOP等值線分布圖

圖4(a)為時差測量精度100 ns，方位和俯仰測量精度0.25°條件下定位幾何精度因子(GDOP)等值線分布圖，圖中的數(shù)值表示該等值線上的定位精度，可以看出對于300 km內(nèi)的目標定位誤差<3 km，圖4(b)和圖4(c)為方位和俯仰測量精度相同，都為0.5°，時差測量精度分別為100 ns和1 000 ns，對比2圖可以看出二者定位誤差相近，與理論分析一致。

4 結(jié)束語

針對衛(wèi)星終端高精度定位問題，提出一種基于單偵收站和單轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星的時差方向聯(lián)合定位方法。首先對模糊函數(shù)弱信號檢測和參數(shù)測量原理進行論證，并構(gòu)建了時差/方向定位模型，對定位精度進行了分析，從理論上證明了方法的可行性。仿真結(jié)果表明，能夠?qū)崿F(xiàn)對運動目標旁瓣微弱信號的檢測和高精度定位。

[1] 李慶利,劉 治,薛永祺，等.雙星定位系統(tǒng)的建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2006(5):1199-1203.

[2] 張亞夫,宣二勇.一種組合星座定位的導(dǎo)航終端設(shè)計[J].無線電工程,2013,43(7):24-26.

[3] 楊宇翔,夏暢雄,同武勤.高低軌雙星定位中的時變時頻差參數(shù)估計[J].信號處理,2012,28(10):1465-1474.

[4] 陳 霄，徐 慨，董 蛟，等.衛(wèi)星干擾源定位系統(tǒng)的研究[J].信息通信,2015,28(8):34-36.

[5] 高志文,陶 然,單 濤.外輻射源雷達互模糊函數(shù)的兩種快速算法[J].電子學(xué)報,2009,37(3): 669-672.

[6] 楊書玲.三維時差頻差定位算法研究[J].無線電工程,2013,43(7): 15-16,64.

[7] 張 威,邊東明,張更新，等.基于四階互模糊函數(shù)的TDOA/FDOA參數(shù)估計研究[J].無線電通信技術(shù),2013,39(1): 28-31.

[8] 柏如龍,劉承禹,李 鑫.CDMA信號時差頻差聯(lián)合估計算法研究[J].無線電工程,2013,43(6): 20-21,25.

[9] 高志文,陶 然.外輻射源雷達的相干積累增益計算及性能分析[J].電子學(xué)報,2008,36(6) :1227-1230.

[10] 李仕云,鄧洪權(quán).基于EKF的雙站測向/時差聯(lián)合定位算法[J].無線電通信技術(shù),2015,41(1):38-40.

[11] 陳 玲,李少洪.無源測向測時差定位算法研究[J].電子與信息學(xué)報,2003,25(6): 771-776.

[12] 彭華峰,曹金坤,鄭 超.同步衛(wèi)星無源測軌中的時差定位與精度分析[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2012,34(11):2219-2225.

A Passive Location Method Based on Single Satellite

YAN Tao1，2,BAI Ru-long1，2

(1.The 54th Research Institute Of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.Equipment Engineening Technolygy Research Laboratory,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

High application restrictions and large location errors exist in double or multi-satellite location.A method of passive location based on single satellite is presented.In this method,a high-Gain and narrow beam antenna can receive the side lobe signal the transponded signal at the same time.An ambiguity function approach is used to detect weak side lobe signal and measure time difference of arrival (TDOA).The target is located exactly by the antenna beam pointing.Simulation results show that this method can provide weak side lobe signal detection and high precision location for moving target.

single satellite location; ambiguity function; weak side lobe signal detection; TDOA; direction finding

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.01.21

閆 濤，柏如龍.一種單星無源高精度定位方法[J].無線電通信技術(shù),2017,43(1):85-88.

2016-10-20

閆 濤(1985—)，男，工程師，主要研究方向：無源定位、數(shù)字信號處理。柏如龍(1980—)，男，高級工程師，主要研究方向: 通信信號處理、時差頻差估計。

TN911.7

A

1003-3114(2017)01-85-4