簡析兩種不同數(shù)據(jù)采集方式對衛(wèi)星干擾源定位性能的影響

李思靜，蔡鴻昀，周 平

（國家無線電監(jiān)測中心深圳監(jiān)測站，廣東 深圳 518120）

0 引言

衛(wèi)星干擾源定位普遍采用雙星定位技術(shù)對干擾源上行站進(jìn)行定位，而雙星定位結(jié)果的精度主要取決于雙星星歷的精度，目前，定位衛(wèi)星干擾源使用的星歷主要從國外公開網(wǎng)站下載。公開星歷若直接用于衛(wèi)星干擾源定位，定位誤差為幾百千米至幾千千米，此時(shí)定位結(jié)果完全失去意義。為了得到較為精確的定位結(jié)果，干擾源定位系統(tǒng)需要發(fā)射多個(gè)上行站地理位置分散的參考源信號用以校準(zhǔn)雙星星歷，其中，參考源信號是指受干擾衛(wèi)星上已知頻點(diǎn)及上行站位置的星上信號。通過對星歷校準(zhǔn)，定位結(jié)果精度可提升至幾十千米量級。當(dāng)前，主流定位系統(tǒng)對參考源及干擾信號的采集方式普遍為窄帶模式，該模式會給星歷校準(zhǔn)模型引入額外的誤差，隨著 AD技術(shù)的迅速發(fā)展，基于 500 MHz超寬帶采集的衛(wèi)星干擾源定位系統(tǒng)已投入使用，能夠提升衛(wèi)星干擾源定位精度。

1 雙星定位原理

當(dāng)某顆地球靜止軌道衛(wèi)星受到干擾時(shí)，干擾源天線的主瓣對著目標(biāo)衛(wèi)星（以下簡稱主星），干擾源天線的某個(gè)旁瓣對著用以輔助定位的某一顆衛(wèi)星（以下簡稱鄰星）。由于兩顆衛(wèi)星的位置不一樣，使兩路信號到達(dá)接收站的時(shí)間不一致而產(chǎn)生時(shí)差TDOA（Time Difference of Arrival），定位系統(tǒng)基于地球固定坐標(biāo)系在地圖上得出一條TDOA線；由于兩顆衛(wèi)星運(yùn)動速度的不一致使兩路信號被接收時(shí)產(chǎn)生多普勒頻差FDOA（Frequency Difference of Arriva），定位系統(tǒng)在地圖上得出一條FDOA線，兩條線的交點(diǎn)即為干擾源上行站位置。

描述衛(wèi)星位置和速度的信息稱之為星歷。干擾源定位的精度對星歷精度高度敏感，例如，星歷如果在速度上存在0.2 m/s的誤差，將導(dǎo)致定位結(jié)果偏離實(shí)際干擾源地點(diǎn)多達(dá)上千千米。所以，星歷校正技術(shù)是定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 雙星定位示意圖

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為了消除主星、鄰星鏈路不一致帶來的測量誤差，定位采用引入輔助參考源的方式，引入?yún)⒖荚吹亩ㄎ环匠倘缦拢?/p>

式中，r是定位目標(biāo)的位置的徑向矢量；r0是參考站位置的徑向矢量；rm是地面接收站位置的徑向矢量；dto（tar）是定位目標(biāo)信號對兩顆衛(wèi)星的時(shí)間差；dto（ref）是參考信號對兩顆衛(wèi)星的時(shí)間差；dfo（tar）是定位目標(biāo)信號對兩顆星產(chǎn)生的多普勒頻移差；dfo（ref）是參考信號對兩顆星產(chǎn)生的多普勒頻移差；v21是兩顆衛(wèi)星速度矢量和；v21（r）、v21（r0），v21（rm）分別為v21在徑向矢量r、r0、rm上的投影；fu表示定位目標(biāo)信號的上行頻點(diǎn)；fr表示參考信號的上行頻點(diǎn)。

圖2 信號傳輸鏈路圖

3 數(shù)據(jù)采集模式

3.1 窄帶采集

窄帶采集模式的采集帶寬為幾兆至幾十兆不等，由于干擾源頻點(diǎn)及5個(gè)參考源頻點(diǎn)隨機(jī)分布在500 MHz帶寬內(nèi)，所以完成一次干擾源定位需對6個(gè)頻點(diǎn)分別進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)采集流程如下：

（1）射頻信號頻點(diǎn)下變頻到70 MHz中頻。

（2）對目標(biāo)頻點(diǎn)進(jìn)行奈奎斯特采樣。

（3）利用采集數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。采集時(shí)序如圖3所示，對6個(gè)頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集先后分5次進(jìn)行，即干擾源頻點(diǎn)與第二至第五參考源頻點(diǎn)分別與第一參考源配對同時(shí)采集，每一組數(shù)據(jù)依次在不同時(shí)刻采集。由圖4可知，衛(wèi)星干擾源定位系統(tǒng)根據(jù)窄帶采集模式的特點(diǎn)，需要配置4臺變頻器和4塊采集卡。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖3 窄帶采集時(shí)序圖

圖4 窄帶采集系統(tǒng)框圖

3.2 寬帶采集

在寬帶采集模式下，實(shí)時(shí)采集帶寬大于或等于 500 MHz。基本工作流程如下：

（1）射頻信號通過變頻器下變頻到 L頻段（950 MHz-1，450 MHz）。

（2）采集設(shè)備對整個(gè) 500 M頻段進(jìn)行采集得到數(shù)字信號。

（3）采集卡內(nèi)的高性能 FPGA芯片通過 6路 DDC分別對干擾源頻點(diǎn)及 5個(gè)參考源頻點(diǎn)數(shù)字信號進(jìn)行濾波處理，供定位系統(tǒng)后續(xù)計(jì)算。在寬帶采集模式下，系統(tǒng)只需要配置兩臺變頻器、兩塊采集卡。工作原理圖如圖5所示。

圖5 寬帶采集系統(tǒng)工作原理圖

4 實(shí)測數(shù)據(jù)比較分析

實(shí)測數(shù)據(jù)分為2組，每組數(shù)據(jù)采集定位15次。采樣帶寬為313 kHz，采樣時(shí)間分別為2.5 s，5 s。同一套衛(wèi)星干擾源定位系統(tǒng)，使用相同的星歷校準(zhǔn)算法，參數(shù)估計(jì)算法以及定位算法，采集相同的干擾源頻點(diǎn)及參考源頻點(diǎn)，惟一不同的是數(shù)據(jù)采集模式不同。1個(gè)已知上行站作為定位目標(biāo)信號，5個(gè)參考源信號用于定位實(shí)驗(yàn)。

數(shù)據(jù)的對比主要是分析在采樣條件相同的情況下，不同的采集模式下，定位結(jié)果準(zhǔn)確度的對比。

當(dāng)采集時(shí)間為2.5 s時(shí)，寬帶采集15次的平均定位誤差為10 km，窄帶采集15次的平均定位誤差為23.4 km。窄帶采集比寬帶采集的平均定位誤差要高出13.4 km。

當(dāng)采集時(shí)間為5 s時(shí)，寬帶采集15次的平均定位誤差為12.2 km，窄帶采集15次的平均定位誤差為30.7 km。窄帶采集比寬帶采集的平均定位誤差要高出18.5 km。

圖6 采集時(shí)間為2.5s定位精度結(jié)果

圖7 采集時(shí)間為5s定位精度結(jié)果

5 結(jié)束語

從實(shí)測數(shù)據(jù)分析可知，相比于窄帶采集模式，基于寬帶采集的衛(wèi)星干擾源定位系統(tǒng)，由于能有效消除參考源不同步采集帶來的近似誤差及變頻器晶振穩(wěn)定度誤差，能明顯改善定位系統(tǒng)定位精度，寬帶采集模式優(yōu)于窄帶采集模式。