艦載三星衛(wèi)星通信終端定位技術(shù)

段國文 江漫

摘要：針對傳統(tǒng)的雙星或者三星定位技術(shù)一般用于地面固定站、需要多幅拋物面天線等局限，提出了基于艦載的三星定位技術(shù)。通過將觀測平臺抵近目標(biāo)波束，用相控陣天線同時接收通過主星轉(zhuǎn)發(fā)的下行信號以及輻射到兩側(cè)鄰星轉(zhuǎn)發(fā)的下行信號，利用互模糊相關(guān)函數(shù)分別計算主鄰星到達接收站的時差和通過時差解算目標(biāo)位置，對定位算法的仿真驗證了算法的性能。

關(guān)鍵詞：時差；衛(wèi)星通信終端；三星定位；相控陣天線

中圖分類號：TP393文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2018）22-63-3

0引言

隨著無線電通信技術(shù)的迅猛發(fā)展以及信息化程度的不斷提高，世界各國對無線電的需求日益增多。衛(wèi)星通信以其頻帶寬、容量大、適用于多種業(yè)務(wù)、覆蓋能力強、性能穩(wěn)定可靠、不受地理條件限制、機動靈活，以及成本與通信距離無關(guān)等優(yōu)點[1]，不僅廣泛用于世界各國的民用通信，而且各主要國家的遠(yuǎn)距離軍用通信效能的發(fā)揮也離不開衛(wèi)星通信的保障[2]。西方主要國家非常重視衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，特別是以美軍為代表的通信技術(shù)強國，更是將衛(wèi)星通信作為主要的通信手段[3]，因此對衛(wèi)星通信終端的定位具有重要的軍事意義。

1衛(wèi)星通信終端三星定位算法

1.1基于時差的三星衛(wèi)星通信終端定位

衛(wèi)星通信終端定位技術(shù)在軍事和民用中已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，三星衛(wèi)星通信終端定位[4]的原理與衛(wèi)星通信干擾源定位的原理類似。目前，在全球只有2家公司擁有技術(shù)成熟的TLS系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)能力，一個是美國Interferometrics Inc公司生產(chǎn)的TLS2000型干擾定位系統(tǒng)[5]。另一個是英國Merlin國際通信有限公司和Dera聯(lián)合生產(chǎn)的多衛(wèi)星地面定位系統(tǒng)[6]。三星定位是利用通信主衛(wèi)星和2顆鄰星、2次測量TDOA參數(shù)，得到通信終端的位置，如圖1所示。

一般情況下，鄰星接收的旁瓣泄露信號極其微弱，其信噪比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主星信號的信噪比，通過互模糊相關(guān)計算帶來的相關(guān)處理增益，可提高接收到鄰星微弱信號的檢測概率。

1.4衛(wèi)星通信終端三星定位原理

三星時差定位原是指利用空中3個衛(wèi)星平臺，同時測量地面輻射源到達3個衛(wèi)星的時間差來對輻射源進行定位。定位方程組包括2個時差方程和1個地球方程，屬于非線性方程組。等時差點構(gòu)成雙曲面，輻射源位置就是2個雙曲面和地球表面的交點。

在衛(wèi)星通信終端三星定位中，為修正衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)、抵消傳播通道傳輸時延的影響，需要增加地面參考源以修正這些誤差因素的影響，定位示意圖如圖2所示。

2需求分析

傳統(tǒng)的用于衛(wèi)星通信終端定位的接收天線均采用拋物面形式，但是其天線波束單一、機械掃描速度慢，通信終端定位需要接收2顆或者3顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的下行信號，因此需要配備多副拋物面天線，在艦載平臺空間有限的情況下，已不能適應(yīng)目前需求?；诖耍滦偷呐炤d衛(wèi)星通信終端定位設(shè)備擬采用具有對多目標(biāo)進行波束配置的能力，要求波束可以捷變，且具備快速捕獲及跟蹤能力的天線，有源平面相控陣天線體制恰能應(yīng)對此需求。

隨著相控陣列朝著超寬帶及多功能的方向發(fā)展，要求在相同陣面空間內(nèi)容納更多的功能單元。同時隨著應(yīng)用頻率不斷提高，天線陣列的單元間距越來越小，使得整個相控陣陣面空間尺寸也越來越狹小。功能單元的增加和空間尺寸的縮小正在同步發(fā)生，導(dǎo)致以往以線束形式出現(xiàn)的T/R組件或子陣的控制走線及供電電路的密度越來越大，信號傳輸?shù)膹?fù)雜程度也越來越高。

基于上述描述，相控陣天線的射頻組件前端、波控網(wǎng)絡(luò)、電源走線及校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)等必須與收發(fā)共用天線一體綜合設(shè)計，解決大型陣面信號傳輸線眾多、雜亂無章及過分占據(jù)陣面橫向或縱向尺寸的系統(tǒng)設(shè)計問題，有助于大型復(fù)雜功能相控陣列的系列化推廣應(yīng)用。

3仿真實驗

采用高軌三星定位體制論證對目標(biāo)的定位精度，仿真條件設(shè)置為：主星：ZX 10（東經(jīng)110.5°）；鄰星1：ZX 12（東經(jīng)87.5°）；鄰星2：Asiasat 6（東經(jīng)122°）。當(dāng)時差測量精度為0.1μs和0.5μs，衛(wèi)星星歷誤差為0.5，0.3，0.2 km。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，在0.5μs的時差誤差和0.2 km的衛(wèi)星軌道誤差下，對國內(nèi)和東部海域內(nèi)目標(biāo)的定位精度可達到20 km以內(nèi)；在0.5μs的時差誤差和0.3 km的衛(wèi)星軌道誤差下，對國內(nèi)、東部海域內(nèi)目標(biāo)的定位精度可達到25 km以內(nèi)；在0.5μs的時差誤差和0.5 km的衛(wèi)星軌道誤差下，對國內(nèi)和東部海域內(nèi)目標(biāo)的定位精度可達到50 km以內(nèi)。定位誤差隨著衛(wèi)星軌道誤差和時差估計誤差的增大而惡化，且在軌道誤差較大時，時差對定位精度的影響不明顯。

4結(jié)束語

本文基于艦載觀測平臺，利用時差信息，建立了三星定位的三維模型，針對目前不在地面落地的波束范圍的目標(biāo)進行定位以及艦載平臺空間有限的諸多問題，提出了利用有源平面相控陣天線的方法，利用其波束可以捷變，且具備快速捕獲及跟蹤能力來滿足目前定位設(shè)備存在的問題。文章對定位精度進行了仿真，目前該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于實際課題，經(jīng)實際驗證表明，在獲得較為準(zhǔn)確的衛(wèi)星星歷的前提下，可以達到比較精確的定位效果。

參考文獻

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