簡(jiǎn)析影響靜止軌道衛(wèi)星三星定位方法結(jié)果精度的主要因素

龐 京，張 燁

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心北京監(jiān)測(cè)站，北京 100037）

簡(jiǎn)析影響靜止軌道衛(wèi)星三星定位方法結(jié)果精度的主要因素

龐 京，張 燁

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心北京監(jiān)測(cè)站，北京 100037）

本文對(duì)靜止軌道衛(wèi)星三星定位方法的基本原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)影響定位結(jié)果精度的主要因素進(jìn)行了分析，并針對(duì)各因素提出了優(yōu)化定位結(jié)果的建議。

靜止軌道衛(wèi)星；三星定位定位；誤差

1 引言

目前，靜止軌道衛(wèi)星上行站定位技術(shù)主要包括雙星時(shí)頻差定位和三星雙時(shí)差定位技術(shù)。由于頻率差受影響因素較多，參數(shù)估計(jì)精度較差，因此雙星定位結(jié)果存在較大誤差。而時(shí)延差受影響因素較少，參數(shù)估計(jì)精度較高，因此，只利用雙時(shí)延差進(jìn)行定位的三星定位技術(shù)更可靠，定位結(jié)果更準(zhǔn)確。然而，進(jìn)行三星定位時(shí)所選擇的衛(wèi)星軌位間距、參考源位置、采集帶寬等因素也會(huì)對(duì)定位結(jié)果帶來(lái)一定誤差。下面對(duì)影響靜止軌道衛(wèi)星三星定位結(jié)果精度的主要因素進(jìn)行具體分析。

2 三星定位基本原理

三星定位基本原理如圖1所示，主要由目標(biāo)上行站、目標(biāo)主星、兩顆鄰星、地面接收站以及參考上行站組成。目標(biāo)信號(hào)由三顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，并分別由3個(gè)地面衛(wèi)星接收天線接收。定位系統(tǒng)測(cè)量出主星與鄰星1、主星與鄰星2產(chǎn)生的兩個(gè)TDOA值（Time

Differential Offset of Arrival，到達(dá)時(shí)間差），畫(huà)出兩條時(shí)差線，兩時(shí)差線在地面上交匯得到的位置即為目標(biāo)上行站位置[1]。

圖1 三星定位基本原理圖

3 三星定位結(jié)果精度影響因素

三星定位時(shí)影響結(jié)果準(zhǔn)確度的因素主要包括主鄰星間距、衛(wèi)星位置測(cè)量誤差、參考源位置、采集帶寬與時(shí)長(zhǎng)等。下面對(duì)這4個(gè)主要因素對(duì)三星定位結(jié)果的影響進(jìn)行分析。

3.1 鄰星間距

三星定位涉及到三組衛(wèi)星間距，即主星與鄰星1的間距1、主星與鄰星2的間距2以及兩鄰星間距3。假設(shè)定位主星為衛(wèi)星A，采用9組不同的鄰星組合，這些鄰星組合的鄰星間距分別為2.3，5，5，7.3，11.8，19.5，27.5，32.5，39.8度，如表1所示。

表1 9組主鄰星間距與定位誤差

在被測(cè)上行站、參考上行站位置、采集時(shí)間、采集參數(shù)等因素均設(shè)置相同的情況下，進(jìn)行9組定位測(cè)試，主鄰星間距1、2與定位誤差關(guān)系如圖2所示，兩鄰星間距與定位誤差關(guān)系如圖3所示。

圖2 鄰星間距與定位誤差關(guān)系圖

由圖2可知，主鄰星間距1與主鄰星間距2角度變化與定位誤差之間沒(méi)有確定的優(yōu)劣關(guān)系。例如，主鄰星間距1角度為20～30度之間時(shí)，相對(duì)應(yīng)的主鄰星間距2角度為16度左右，而定位誤差范圍為1～57km，跨度較大。可判斷主鄰星間距對(duì)定位誤差影響較小。

圖3 兩鄰星間距與定位誤差關(guān)系圖

由圖3可知，兩顆鄰星間距越大，定位結(jié)果越準(zhǔn)確。雖然三顆衛(wèi)星位置誤差、衛(wèi)星星歷、設(shè)備穩(wěn)定性等導(dǎo)致定位結(jié)果中存在奇異點(diǎn)（兩鄰星間距為19.5度時(shí)），但基本遵循鄰星間距越大，定位誤差越小的原則，而主星與兩顆鄰星的軌位間距大小對(duì)定位結(jié)果的影響較小。因此，三星定位時(shí)要選擇軌位間距較大的兩顆鄰星進(jìn)行定位。

3.2 衛(wèi)星位置測(cè)量誤差的影響

在定位模型中進(jìn)行計(jì)算時(shí)，通常假定衛(wèi)星的位置是精確的，但是地球靜止軌道衛(wèi)星在軌位上運(yùn)行時(shí)并不是嚴(yán)格靜止的，而是做“8”字形周期運(yùn)動(dòng)，另外由于衛(wèi)星測(cè)控精確度的影響，通常無(wú)法獲得衛(wèi)星的精確位置，為時(shí)差的估計(jì)帶來(lái)誤差[2]。當(dāng)衛(wèi)星之間相對(duì)位置變化較劇烈時(shí)，時(shí)差估計(jì)誤差將變大，導(dǎo)致定位結(jié)果有較大偏差。

例如，對(duì)衛(wèi)星A某一上行站進(jìn)行定位，選用三星定位方式，以衛(wèi)星B、衛(wèi)星C為鄰星進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)使用參考上行站及采集參數(shù)設(shè)置相同，在不同時(shí)刻進(jìn)行三星定位測(cè)試。圖4所示為進(jìn)行定位時(shí)該三星組合定位誤差曲線。圖中的綠色曲線表示衛(wèi)星A與衛(wèi)星B的DTO變化趨勢(shì)曲線，橙色曲線表示衛(wèi)星A與衛(wèi)星C的DTO變化趨勢(shì)曲線，紫色曲線表示由橙色和綠色線推導(dǎo)出的三星定位誤差曲線；紅色豎線表示當(dāng)前進(jìn)行定位計(jì)算時(shí)的時(shí)間，其與紫色線交點(diǎn)的值則表示當(dāng)前時(shí)刻三星相對(duì)位置誤差大小，即定位誤差大小。

圖4 主鄰星組合1DTO線交匯結(jié)果及定位誤差

可以看到，圖4(a)顯示當(dāng)前定位時(shí)刻兩組DTO變化趨勢(shì)大，三星定位誤差較大，可達(dá)幾十公里；圖4(b)顯示當(dāng)前定位時(shí)刻兩組DTO變化趨勢(shì)小，三星定位誤差較小。

實(shí)際測(cè)量結(jié)果為，在圖4(a)圖所示時(shí)刻進(jìn)行定位，定位位置與實(shí)際上行站位置誤差為45km；而圖4(b)圖所示時(shí)刻進(jìn)行定位，定位誤差只有2km左右。因此，當(dāng)主星與鄰星1、主星與鄰星2相對(duì)位置誤差較大時(shí)，會(huì)造成兩組DTO值有較大偏差，導(dǎo)致定位結(jié)果誤差大。因此，三星定位時(shí)應(yīng)選擇注意當(dāng)前時(shí)刻兩組主鄰星相對(duì)位置誤差，選取相對(duì)位置誤差較小的時(shí)刻進(jìn)行定位。

3.3 參考源位置

與雙星定位需要若干個(gè)參考上行站不同，三星定位只需要一個(gè)參考上行站，對(duì)衛(wèi)星星歷進(jìn)行校正。根據(jù)多組實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)參考上行站位置距目標(biāo)上行站位置25～35km時(shí)，三星定位誤差在1～30km范圍內(nèi)；當(dāng)參考上行站距目標(biāo)站570～870km時(shí)，三星定位誤差在5～80km范圍內(nèi)；當(dāng)參考上行站距目標(biāo)站1130～1550km時(shí)，三星定位誤差在35～150km范圍內(nèi)，如圖5所示。

圖5 參考站距目標(biāo)站距離與定位誤差關(guān)系圖

由圖5可見(jiàn)，三星定位時(shí)，參考站距目標(biāo)站位置越近定位誤差越小，定位結(jié)果越準(zhǔn)確。然而，衛(wèi)星星歷、不同衛(wèi)星間位置關(guān)系、采集參數(shù)設(shè)置等均會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定影響，因此，實(shí)際定位時(shí)定位結(jié)果不完全遵循參考站距目標(biāo)站位置越近定位誤差越小的原則，有可能出現(xiàn)奇異點(diǎn)。例如圖5中，參考站距目標(biāo)站距離為780km時(shí)，定位誤差為5km；參考站距目標(biāo)站距離為873km時(shí)，定位誤差為10km，結(jié)果比40km時(shí)誤差還要小。但是，從總體上來(lái)看，三星定位結(jié)果基本遵循參考站距目標(biāo)站位置越近、定位

誤差越小的原則。因此，三星定位時(shí)要選擇與目標(biāo)上行站位置盡可能接近的參考上行站[3]。

3.4 采集帶寬及時(shí)長(zhǎng)

在三星定位時(shí)，對(duì)目標(biāo)信號(hào)的采集帶寬和采集時(shí)長(zhǎng)也會(huì)對(duì)定位結(jié)果產(chǎn)生影響。使用主星A、鄰星B、鄰星C進(jìn)行14組定位測(cè)試，其中，7組定位固定采集時(shí)長(zhǎng)，只改變采集帶寬；另7組固定采集帶寬，只改變采集時(shí)長(zhǎng)。其他因素如參考上行站、目標(biāo)上行站等設(shè)置相同。采集帶寬與定位誤差關(guān)系見(jiàn)表2，兩者關(guān)系曲線見(jiàn)圖6。

表2 采集帶寬與定位誤差關(guān)系

表3 采集時(shí)長(zhǎng)與定位誤差關(guān)系

圖6 采集帶寬與定位誤差關(guān)系曲線

從圖6可以看出，若信號(hào)帶寬允許，則采集帶寬在某一個(gè)范圍取值時(shí)，如200～625kHz時(shí)，定位誤差較?。徊杉瘞捫∮诨虼笥诖朔秶鷷r(shí)，定位誤差較大。

根據(jù)互模糊函數(shù)參數(shù)估計(jì)原理，當(dāng)目標(biāo)信號(hào)輸入信噪比確定時(shí)，TDOA估計(jì)精度依賴于帶寬，因此為了得到高精度的DTO估計(jì)，就要使用盡可能寬的帶寬。但實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，采集帶寬小時(shí)的確會(huì)造成較大的定位誤差，但采集帶寬過(guò)大也會(huì)影響定位結(jié)果準(zhǔn)確性，這或許與系統(tǒng)穩(wěn)定性等因素有關(guān)。

采集時(shí)長(zhǎng)與定位誤差關(guān)系見(jiàn)表3，兩者關(guān)系曲線圖見(jiàn)圖7。

圖7 采集時(shí)長(zhǎng)與定位誤差關(guān)系曲線

從圖7可以看出，采集時(shí)間在某一個(gè)范圍取值時(shí)，如20～60s附近時(shí)，定位誤差較??；采集時(shí)長(zhǎng)小于或大于此范圍時(shí)，會(huì)造成較大誤差。從原理上看，雖然TDOA參數(shù)估計(jì)精度受累積時(shí)間影響較小，但不能避免因采集時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而引入的系統(tǒng)測(cè)量誤差，因此，三星定位方法中采集時(shí)長(zhǎng)應(yīng)設(shè)置適中。

4 結(jié)束語(yǔ)

相比雙星定位方法，三星定位方法得到的定位結(jié)果更準(zhǔn)確，但也受一些客觀因素的影響。在利用三星定位方法進(jìn)行定位時(shí)，盡量選取軌位間距較大的兩顆衛(wèi)星作為輔助定位鄰星，但若目標(biāo)天線旁瓣、目標(biāo)信號(hào)功率較小，可能會(huì)導(dǎo)致較遠(yuǎn)的鄰星無(wú)法接收到目標(biāo)信號(hào)旁瓣而導(dǎo)致定位失敗，因此，選擇鄰星間距時(shí)，并不是越遠(yuǎn)越好，還要依據(jù)信號(hào)信噪比、轉(zhuǎn)發(fā)器增益等進(jìn)行調(diào)整。此外，衛(wèi)星位置誤差、參考上行站要根據(jù)實(shí)際定位條件進(jìn)行靈活調(diào)整，并且應(yīng)選擇三星組合定位誤差較小的時(shí)刻進(jìn)行定位計(jì)算。

[1] 程麗娜．基于三星定位的TDOA參數(shù)估計(jì)方法的研究[D]．北京交通大學(xué)，2008

[2] 楊健，李學(xué)連．基于TDOA的衛(wèi)星干擾定位精度分析[J]．中國(guó)無(wú)線電，2011(10):32-64

[3] 張琪，李思靜．衛(wèi)星干擾源定位中第一參考源對(duì)定位精度的影響[J]．?dāng)?shù)字通信世界，2016(2):66-68

Analysis of the Main Factors Influencingthe Result Accuracy of Three Geostationary Satellites Location Method

Pang Jing, Zhang Ye
(The Beijing Monitoring Station of State Radio Monitoring Center, Beijing, 100037)

This paper introduces the basic principle of three geostationary satellites location method, then analyzes the main factors influencing the result accuracy according to the measured data, and gives suggestions of optimizing the result accuracy.

Geostationary Satellite; Location Method; Result Accuracy

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.06.021

TN927+.2文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2017）06-0063-04

龐 京，女，碩士研究生，現(xiàn)任職于國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心北京監(jiān)測(cè)站，助理工程師，主要從事衛(wèi)星信號(hào)定位方面工作。

張 燁，男，碩士研究生，現(xiàn)任職于國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心北京監(jiān)測(cè)站，助理工程師，主要從事衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)監(jiān)測(cè)分析方面工作。