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.裝備工程技術研究實驗室，河北 石家莊 050081)

針對基于雙星或多星的衛星通信終端定位系統使用約束多、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，同時接收主瓣經衛星轉發的信號，通過互模糊函數實現微弱旁瓣信號檢測和時差參數估計，結合旁瓣接收天線波束指向信息，實現對目標的準確定位。仿真結果表明，可實現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；弱旁瓣信號檢測；到達時差；方向

0 引言

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

由于衛星通信終端一般采用窄波束定向天線，常規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。針對衛星通信輻射源定位問題，國內外已經做了大量研究[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顆衛星轉發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，結合衛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合研發的SatID系統、美國軍方背景的INTERFEROMETRICS 公司研制的TLS Model 2000 系統、法國NovaGrid 公司研制的Hyper-Loc 系統均采用上述定位體制。同步軌道雙星定位方法雖然能夠對數千公里外的衛星終端進行定位，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 定位過程利用了轉發衛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，在單偵收站和單轉發衛星條件下，可實現對視距范圍內靜止或運動衛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

2路信號的數學模型可以表示為:

(1)

式中，s(t)為輻射源所發信號的復包絡，A表示信號間的幅度比例系數，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[5-6]如式(2)所示：

(2)

其中

(3)

根據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的估計可以由函數模糊函數最大值所對應的時延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為衛星轉發信號接收信噪比、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，實際相關處理增益要低于理論增益。

則模糊函數處理后輸出相關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，由幾何關系可得，目標在接收波束內的飛行時間T如式(12)所示，若積分時間內目標超出偵收天線波束覆蓋范圍，則有效積分時間會減小，因此積分時間應小于T。

(12)

2 時差方向聯合定位

2.1 定位模型

高增益天線波束寬度較窄，當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，衛星位置也可通過公開的GEO星歷數據計算得到，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

定位系統基線長度(偵收站與衛星的距離)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]。

定位誤差協方差矩陣P，其計算公式如式(14)所示：

(14)

其中，

(15)

系數矩陣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，衛星轉發信號接收信噪比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的目標波束內飛行時間，可以看出遠大于0.01 s的相關處理積分時間。

模糊函數處理后時差切片如圖3所示，可以看出相關輸出峰值比噪底高將近20 dB，可以實現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飛行時間

圖3 模糊函數處理峰值時差切片圖圖

3.2 定位精度仿真

仿真設置：接收站經度121°，緯度30°，高度300 m，衛星選擇東經125°地球同步軌道衛星，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，圖中的數值表示該等值線上的定位精度，可以看出對于300 km內的目標定位誤差<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 結束語

針對衛星終端高精度定位問題，提出一種基于單偵收站和單轉發衛星的時差方向聯合定位方法。首先對模糊函數弱信號檢測和參數測量原理進行論證，并構建了時差/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。仿真結果表明，能夠實現對運動目標旁瓣微弱信號的檢測和高精度定位。

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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,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