第10章-衛(wèi)星干擾源定位技術(shù)-課件

第10章衛(wèi)星干擾源定位技術(shù)10.1衛(wèi)星干擾源信號定位體制及主要技術(shù)

10.2雙星定位原理

10.3雙星定位算法

10.4雙星定位誤差分析與校正技術(shù)

10.5非雙星體制干擾源定位技術(shù)

10.6多站無線電測距定軌原理

10.7衛(wèi)星信號監(jiān)測與干擾定位系統(tǒng)

10.1衛(wèi)星干擾源信號定位體制及主要技術(shù)

10.1.1衛(wèi)星干擾源信號定位體制劃分

從定位技術(shù)的不同側(cè)面進(jìn)行分析，對衛(wèi)星干擾源信號的定位存在多種技術(shù)體制。

如果按照定位對象的不同，定位體制可以分為兩大類。第一類是對合作用戶的導(dǎo)航定位。這種定位通過用戶自身發(fā)射信號或者接收由定位服務(wù)方發(fā)射的信號，利用偽碼測距與測時(shí)差相結(jié)合等方法，可以獲得幾十米的定位精度，如GPS定位系統(tǒng)和我國自行研制的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)。第二類是對非合作用戶或者干擾輻射源的定位。這種定位由于定位對象和定位平臺之間不存在合作關(guān)系，必須由定位平臺獨(dú)立完成對目標(biāo)上行信號的定位，本章討論的內(nèi)容就主要圍繞這種對非合作用戶的定位展開。按照定位平臺的不同，定位體制也可以分為兩大類。第一類為空中平臺技術(shù)，它采用空中平臺作為定位設(shè)備載體，空中平臺可以是高軌或者同步衛(wèi)星，也可以是低軌衛(wèi)星或者飛機(jī)等快速移動平臺。對于前者，通常采用星載的陣列天線，利用方向圖變化特性進(jìn)行定位；對于后者，通常采用接收頻率的多普勒效應(yīng)，形成測量軌跡。第二類為地面平臺技術(shù)，它主要是利用地面平臺進(jìn)行處理，衛(wèi)星只是進(jìn)行簡單的信號轉(zhuǎn)發(fā)。后面將介紹的雙星定位系統(tǒng)就是以地面為平臺對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號進(jìn)行處理。根據(jù)定位所用衛(wèi)星數(shù)量的不同，實(shí)現(xiàn)定位的技術(shù)體制可以分為單星定位、雙星定位和多星(三星及更多)定位三種。這里主要討論根據(jù)定位使用衛(wèi)星數(shù)目不同而劃分的定位體制，其中雙星定位作為討論的重點(diǎn)將在10.2節(jié)進(jìn)行闡述，單星及多星定位體制將在10.5節(jié)進(jìn)行講解。10.1.2單星、多星定位測量技術(shù)

1.單星定位技術(shù)

利用單星實(shí)現(xiàn)對地面干擾源信號的定位通常有以下三種方式。第一種單星定位是衛(wèi)星上具備星載陣列天線，利用天線的方向圖特性對干擾源信號進(jìn)行測向定位。第二種單星定位是利用混疊信號處理來構(gòu)建時(shí)間差/頻率差條件，提取上行路徑差異引起的時(shí)間差以及衛(wèi)星攝動在兩個(gè)信號路徑上引起的多普勒頻率差，從而構(gòu)建定位方程組實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置確定。第三種單星定位是利用衛(wèi)星自身運(yùn)動的測頻率方式，利用多個(gè)獨(dú)立的頻率差，以形成多個(gè)對應(yīng)的互不相同的等頻差面在輻射源處相交實(shí)現(xiàn)定位。單星定位必須依賴于星上設(shè)備或星上的準(zhǔn)確信息，缺點(diǎn)是精度和實(shí)時(shí)性較差，但是單星定位也有系統(tǒng)靈活、工作方式簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。在所需條件滿足的情況下，單星定位可以發(fā)揮一定的作用。

2.多星定位技術(shù)

多星定位(含三星定位)一般可以分為對合作用戶的衛(wèi)星導(dǎo)航定位和對非合作上行信號的多星定位體制兩大類。對合作用戶的衛(wèi)星導(dǎo)航定位有區(qū)域性的雙星導(dǎo)航定位和全球?qū)Ш蕉ㄎ粌煞N。對于非合作上行信號的三星定位，可以通過三顆衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)的信號在地面上實(shí)現(xiàn)定位。

10.2雙星定位原理

10.2.1雙星定位的基本原理

雙星定位是通過靜止軌道上被干擾衛(wèi)星和相鄰衛(wèi)星將干擾信號分別轉(zhuǎn)發(fā)，由地面站兩副接收天線分別接收，通過測量和計(jì)算干擾信號到達(dá)兩副天線的時(shí)間差和頻率差，得出干擾源所在的地理區(qū)域。

1.雙星定位系統(tǒng)的基本配置

雙星定位系統(tǒng)由主星(被干擾衛(wèi)星)及其鄰星(一顆軌道位置與之鄰近并滿足其他雙星定位條件的衛(wèi)星)、具有兩副接收天線并安裝有定位系統(tǒng)的干擾源定位站、一定數(shù)量的地面參考源發(fā)射站(參考站)和干擾源組成，如圖10-1所示。圖10-1雙星定位系統(tǒng)組成示意圖

2.雙星定位原理

雙星定位系統(tǒng)主要利用衛(wèi)星上行信號的天線方向圖的發(fā)射特征為基本依據(jù)。地球站發(fā)射天線通常存在一定的旁瓣泄漏，當(dāng)干擾源對某個(gè)主星造成干擾時(shí)，其發(fā)射天線的天線主瓣在對準(zhǔn)這個(gè)被干擾主星的同時(shí)，其旁瓣將不可避免地指向鄰星，所以干擾信號在干擾主星的同時(shí)一部分能量會被發(fā)射到鄰近的衛(wèi)星上。干擾源的主瓣信號和旁瓣信號分別由主星、鄰星的轉(zhuǎn)發(fā)器接收轉(zhuǎn)發(fā)，到達(dá)地面接收站，這樣就可以用地面接收站的兩副天線分別測量這兩個(gè)來自不同衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號，并將接收到的信號傳送到定位系統(tǒng)中，通過定位算法確定上行信號干擾源的位置。在接收到被干擾衛(wèi)星和鄰星轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號后，不可能通過直接測量或計(jì)算得到干擾源信號到達(dá)被干擾衛(wèi)星和鄰星的時(shí)間，從而測定干擾源的地理位置。但是可以用間接的方法通過測量和計(jì)算獲得干擾源信號分別到達(dá)兩顆衛(wèi)星的時(shí)間差來確定干擾源所在的區(qū)域。這里引入兩個(gè)概念：到達(dá)時(shí)間差TDOA(TimeDifferenceofArrival)和到達(dá)頻率差FDOA(FrequencyDifferenceofArrival)。顯然，同一信號經(jīng)歷兩顆不同衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)接收站的傳播路徑是不同的，因此，到達(dá)接收站的時(shí)間會存在一個(gè)時(shí)間差值，稱之為到達(dá)時(shí)間差TDOA。通過TDOA的測量計(jì)算可以得到干擾源至被干擾衛(wèi)星和鄰星的距離差，滿足該條件的所有結(jié)果的集合是一個(gè)雙曲面，該曲面的焦點(diǎn)是被干擾衛(wèi)星和鄰星的位置，在地球表面上就可以定出一條類雙曲線帶，同時(shí)由于兩顆衛(wèi)星在赤道上空是以東西方向并列的，因而此類雙曲線帶就成為向南北方向擴(kuò)展的地域。同時(shí)，由于天體引力變化和太陽光壓對衛(wèi)星電池帆板的不平衡等因素的影響，同步衛(wèi)星在赤道面上空的軌道點(diǎn)上并不是相對地球完全靜止的，而是以24小時(shí)的周期在垂直于赤道的平面內(nèi)沿近似“8”字形的封閉軌跡運(yùn)動，稱為攝動。兩顆同步衛(wèi)星的攝動速度差異在天線主瓣和旁瓣兩個(gè)信號傳播路徑上引起了不同的多普勒頻率，所以，盡管發(fā)射的是同一個(gè)信號，但由于多普勒頻移的影響，在到達(dá)接收站時(shí)存在一個(gè)頻率差值，稱之為到達(dá)頻率差FDOA。FDOA對應(yīng)的是被干擾衛(wèi)星和鄰星相對運(yùn)動速度差。與TDOA類似，F(xiàn)DOA測量的結(jié)果也可以在地球表面定出一條與緯度線走向類似的曲線帶，如圖10-2所示。圖10-2雙星定位結(jié)果示意圖

TDOA曲線與FDOA曲線帶交織出一個(gè)橢圓形區(qū)域，該區(qū)域即為干擾源所在區(qū)域，干擾源位于該區(qū)域內(nèi)，越接近橢圓中心概率越大，如圖10-3所示。圖10-3雙星定位結(jié)果概率橢圓

TDOA的測量和計(jì)算比較容易，可以通過測量干擾源信號分別經(jīng)被干擾衛(wèi)星和鄰星轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)地面接收站總時(shí)間差(上下行總時(shí)間差)減去被干擾衛(wèi)星和鄰星到達(dá)地面接收站時(shí)間差(下行時(shí)間差)獲得的，而且TDOA的方向是不變的。

相對應(yīng)的FDOA的測量計(jì)算就顯得復(fù)雜一些。這里主要解決鄰星接收到的信號很微弱的問題。因?yàn)楦蓴_信號是通過副瓣發(fā)射到鄰星上的，從鄰星接收到的干擾信號要比從被干擾衛(wèi)星接收到的功率低45dB左右。地面定位技術(shù)本身對測量的精度要求很高，為了保證測量精度，除了要求接收鄰星信號的天線口徑要遠(yuǎn)大于接收主星信號的天線口徑外，還要采用一定的相關(guān)計(jì)算方法，將很微弱的信號從噪聲中分離出來。10.2.2實(shí)現(xiàn)雙星定位的基本條件

1.衛(wèi)星條件

首先，根據(jù)上述雙星定位的基本原理和雙星定位系統(tǒng)的基本配置，我們必須找到至少一顆合適的可利用的鄰星。鄰星的選擇是非常重要的，合適的鄰星是實(shí)現(xiàn)干擾源定位的前提，找不到合適的鄰星就無法對干擾源進(jìn)行定位。

所選用鄰星應(yīng)滿足以下幾個(gè)條件：

(1)合適的角距。鄰星要在被干擾衛(wèi)星合適的角距范圍內(nèi)，也就是說兩顆衛(wèi)星的經(jīng)度差不能太大。通常，C頻段在12°以內(nèi)，Ku頻段在8°以內(nèi)，原則上兩顆衛(wèi)星越近越好。

(2)相同的頻段和極化方式。在被干擾頻段上，鄰星應(yīng)提供與被干擾衛(wèi)星相同的工作頻段和極化方式。

(3)共同的覆蓋范圍。鄰星與被干擾衛(wèi)星都能為地面發(fā)射機(jī)的上行鏈路和接收機(jī)的下行鏈路提供一個(gè)共同的覆蓋

范圍。

兩顆衛(wèi)星的上行波束區(qū)域應(yīng)同時(shí)覆蓋干擾源，使得干擾源信號能夠到達(dá)兩顆衛(wèi)星并被轉(zhuǎn)發(fā)，一般選擇上行波束覆蓋與被干擾星相似的鄰星。

對于下行波束覆蓋范圍不同的鄰星，若沒有其他可用的鄰星存在，用一套系統(tǒng)是無法測試的。需要采用兩套分別位于不同區(qū)域的定位系統(tǒng)進(jìn)行分布式測量，提高系統(tǒng)與地理上相分離的多個(gè)地面監(jiān)測站協(xié)同工作的能力。Intelsat公司已于2002年完成了采用6套TLSMobel2000干擾定位系統(tǒng)組建的一個(gè)干擾源定位網(wǎng)，可進(jìn)行分布式測量。

(4)精確的星歷數(shù)據(jù)。衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)是影響雙星定位精度的關(guān)鍵因素之一。對于被干擾衛(wèi)星，我們可以從衛(wèi)星操

作者那里獲取精確的星歷數(shù)據(jù)，而對于鄰星，除了可以從互聯(lián)網(wǎng)上獲取其星歷數(shù)據(jù)(其精度只能滿足一般定位的需要)外，還可以通過衛(wèi)星測軌系統(tǒng)獲取精確的星歷數(shù)據(jù)。

(5)透明轉(zhuǎn)發(fā)器。被干擾頻段相應(yīng)的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器不能使用星上處理(OnBoardProcessing，OBP)技術(shù),而必須是透明轉(zhuǎn)發(fā)器，只提供簡單的信號轉(zhuǎn)發(fā)功能。

當(dāng)然，具體的選擇還要根據(jù)干擾源信號的頻率、帶寬等實(shí)際情況來確定。

2.參考站條件

在選擇了合適的鄰星后，還需要一定數(shù)量的地面參考源發(fā)射站，以修正星上轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的未知特性、衛(wèi)星星歷誤差等多種誤差因素對定位的影響。參考站可以利用正常使用的地球衛(wèi)星通信站，也可以使用自主建設(shè)的擴(kuò)頻信號發(fā)射站。

3.地面接收站條件

應(yīng)具備同時(shí)接收兩顆衛(wèi)星下行信號的能力，配備性能良好的射頻前端、數(shù)據(jù)預(yù)處理和信號采集等設(shè)備和相應(yīng)處理軟件及通信設(shè)施。

10.3雙星定位算法

衛(wèi)星干擾源定位的基本原理是通過計(jì)算接收站接收到兩個(gè)衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號的相對時(shí)間差(DTO)曲線和頻率差(DFO)曲線，再根據(jù)兩條曲線在地面的交點(diǎn)來確定干擾源的地理位置。因此干擾源的雙星定位算法主要是對時(shí)間差和頻率差的計(jì)算。

10.3.1雙星定位基本算法

1.雙星定位算法的基本方程

在一個(gè)確定的坐標(biāo)系和一個(gè)確定的定位時(shí)刻，假設(shè)干擾源的坐標(biāo)為(x，y，z)，兩顆衛(wèi)星(主星和鄰星)的坐標(biāo)分別為(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)。其中兩顆衛(wèi)星的坐標(biāo)通過一定的測量方法已經(jīng)確定。因此有如下表達(dá)式：

2.TDOA算法及估計(jì)

1)TDOA估計(jì)方法

觀測信號模型為獨(dú)立相加模型，如下：

r(t)=As(t－t0)+n(t),

0≤t≤T

(10-5)

其中，n(t)為零均值平穩(wěn)白噪聲過程，t0為時(shí)延。在線性處理時(shí)，對觀測信號r(t)進(jìn)行匹配或相關(guān)處理可得到最優(yōu)檢測性能。由于這里的t0為一未知量，所以可以按下式進(jìn)行處理：

綜合式(10-5)和式(10-6)得到：(10-6)考察沒有噪聲干擾的情況，即n(t)=0，則有j(t)=0，于是y(t)=|Ax(t－t0)|≤|A|。由信號的知識可知，只有在t0=t處，等式才能取得最大值。這啟發(fā)我們可以根據(jù)函數(shù)的峰值點(diǎn)來估計(jì)t0。另以記y(t)的峰點(diǎn)位置，在無噪聲干擾的情況下，y(t)的峰點(diǎn)記為信號函數(shù)的模|x(t－t0)|的峰點(diǎn)，所以

，即對t0的估計(jì)沒有任何誤差。

總結(jié)信號處理的程序如圖10-4所示。圖10-4估計(jì)時(shí)延的信號處理程序——峰點(diǎn)估計(jì)法從上面的介紹知道，時(shí)延估計(jì)的基本思想就是尋求兩個(gè)信號最大相似性的發(fā)生時(shí)刻。設(shè)兩接收信號模型為

x(t)=s(t)+n1(t)

(10-7)

y(t)=As(t－D)+n2(t)

(10-8)

在信號源和噪聲不相關(guān)的情況下，兩接收信號的互相關(guān)函數(shù)有如下關(guān)系：

Cxy(t)=E［x(t)y(t+t)］=AC2s(t－D)

(－∞<t<∞)

(10-9)其中，C2s(t－D)是信號s(n)在時(shí)間軸上移位后的自相關(guān)函數(shù)，它在t=D時(shí)取峰值。實(shí)際上，由于有限長數(shù)據(jù)記錄和噪聲源并不一定是完全獨(dú)立的，所以互協(xié)方差估計(jì)值并不一定在D處取峰值。

2)TDOA的計(jì)算

干擾源T發(fā)射信號到兩顆鄰近的通信衛(wèi)星(S1，S2)，經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)回地面，地面接收機(jī)R接收信號后，求得兩路信號到達(dá)時(shí)差(TDOA)，衛(wèi)星到地面接收機(jī)路徑已知(可通過星歷表計(jì)算)，從而求得信號發(fā)射點(diǎn)到兩顆衛(wèi)星的距離差。每個(gè)距離差對應(yīng)一個(gè)雙曲面，每一個(gè)雙曲面與地面有一條相交的曲線，此曲線就是干擾發(fā)射源可能處的位置。

假設(shè)目標(biāo)在地心直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x，y，z)，衛(wèi)星在地心直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(xi，yi，zi)(i=1，2)，其關(guān)系可用以下方程組表示：

式中，Re表示地球半徑，rij表示目標(biāo)到衛(wèi)星i與到衛(wèi)星j的距

離差。用時(shí)間差表示距離差：

rij=Ctij

(10-10)

式中，tij為目標(biāo)信號到達(dá)衛(wèi)星i與到達(dá)衛(wèi)星j的時(shí)間差；C為電磁波在空氣中的傳輸速率。根據(jù)式(10-10)可計(jì)算出干擾源所在的位置曲線。

為了確定干擾源的準(zhǔn)確位置，還必須結(jié)合頻差法進(jìn)行計(jì)算。

3.FDOA算法及估計(jì)

1)FDOA估計(jì)方法

測向定位較難實(shí)現(xiàn)精確定位；測時(shí)差定位精度高，但存在定位模糊；基于頻差的定位方法具有不模糊、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

頻移估計(jì)的處理方法與時(shí)延估計(jì)相似，只不過時(shí)延是發(fā)生在時(shí)域，而頻移則體現(xiàn)在頻域。

觀測信號模型假定為

其中，n(t)仍為零均值平穩(wěn)白噪聲過程，f0為待估頻移，其余符號意義同前。假設(shè)為線性處理，對觀測信號r(t)進(jìn)行匹配或者相關(guān)處理，在f0未知的情況下，這種處理只能按以下方式進(jìn)行，即(10-11)

綜合上面兩式得到：

其中：(10-12)(10-13)這里仍然把它們稱為信號函數(shù)和噪聲函數(shù)。

用y(f)的峰點(diǎn)作為f0的估計(jì)，記為，顯而易見，在沒有噪聲干擾的情況下：

y(f)=|Ax(f－f0)|≤|A|

(10-14)

所以，=f，即頻移的估計(jì)值等于頻移的真值，估計(jì)沒有任何誤差。估計(jì)頻移時(shí)，信號處理程序如圖10-5所示。圖10-5估計(jì)頻移的信號處理程序——峰點(diǎn)估計(jì)法

2)FDOA的計(jì)算

由于衛(wèi)星和發(fā)射源以及接收站的相對運(yùn)動，會產(chǎn)生多普勒頻移，接收設(shè)備可測量出這種頻差。同時(shí)由于接收站與衛(wèi)星的相對運(yùn)動已知，從而可推算出干擾源與衛(wèi)星的相對運(yùn)動關(guān)系，進(jìn)而求出地面干擾源可能的位置曲線。

在三維空間中，兩個(gè)衛(wèi)星平臺接收干擾源信號的頻率差，確定了目標(biāo)的一個(gè)定位曲面，該曲面與地球相交成一條曲線。假設(shè)運(yùn)動平臺的位置為Ri(rxi，ryi，rzi)(i=0，1)，固定輻射源的位置為E(rx，ry，rz)，衛(wèi)星的相對運(yùn)動速度為v(vxi，vyi，vvi)，所接收到的頻率差為fd，則(10-15)

(1)相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)：

·同步衛(wèi)星運(yùn)行半徑：Rs=36000km，速度為2.6km/s；

·地球平均半徑：Re=6371.03km；

·地球自轉(zhuǎn)角速度ω0=7.29211515e－5rad/s；

·赤道上的旋轉(zhuǎn)速度：0.46510km/s。

(2)方法：兩顆衛(wèi)星的下行路徑已知，包括位置、距離和運(yùn)動速度等，所以下行路徑所產(chǎn)生的多普勒頻移可預(yù)計(jì)，在此不作為主要問題討論。于是問題就轉(zhuǎn)化為以兩顆衛(wèi)星作為平臺對位于地球表面的干擾源進(jìn)行定位的問題。定位的依據(jù)是測得的兩條路徑的多普勒頻差。

設(shè)干擾源的坐標(biāo)為(x0，y0，z0)，衛(wèi)星1的坐標(biāo)為

(x1，y1，z1)，衛(wèi)星2的坐標(biāo)為(x2，y2，z2)。衛(wèi)星位于赤道上空，所以z1=z2=0。

干擾源運(yùn)動速度v0=(v0x，v0y，v0z)；

衛(wèi)星1速度v1=(v1x，v1y，v1z)；

衛(wèi)星2速度v2=(v2x，v2y，v2z)；

衛(wèi)星1相對干擾源速度v10=(v10x，v10y，v10z)；

衛(wèi)星2相對干擾源速度v20=(v20x，v20y，v20z)；

干擾源位于地球表面，所以

衛(wèi)星1的速度大小為(10-16)(10-17)衛(wèi)星2的速度大小為

干擾源的速度大小為

同步衛(wèi)星軌道半徑為Rs，所以

衛(wèi)星1的矢量速度為

v1=(v1x，v1y，v1z)=w×r

式中：

w=(0，0，w0)；r=(x1，y1，z1)

v1x=w0y1；v1y=w0x1；v1z=0(10-17)(10-18)(10-19)同理，對衛(wèi)星2，

v2x=w0y2；v2y=w0x2；v2z=0

對于地面干擾源，

v0x=w0y0；v0y=w0x0；v0z=0

綜上所述，得到關(guān)于(x0，y0，z0)的方程組，從方程組中解出(x0，y0，z0)，即得到干擾源所在的位置曲線。10.3.2

TDOA和FDOA聯(lián)合算法及估計(jì)

1.TDOA和FDOA聯(lián)合算法

在雙星定位系統(tǒng)中，除了依靠衛(wèi)星技術(shù)外，對干擾源更加準(zhǔn)確的定位關(guān)鍵還在于對TDOA和FDOA的估計(jì)。通過對TDOA和FDOA的精確估計(jì)，有效利用目標(biāo)輻射信號的信息和目標(biāo)的位置、運(yùn)動狀態(tài)之間的關(guān)系對目標(biāo)進(jìn)行定位，可以減少定位所需要的時(shí)間，提高系統(tǒng)的定位精度。

TDOA和FDOA聯(lián)合的最大似然估計(jì)算法，已發(fā)展為同時(shí)估計(jì)TDOA和FDOA的快速算法，即基于高階累積量(HOS)的TDOA/FDOA聯(lián)合估計(jì)算法。這主要也是利用了高階累積量對高斯噪聲不敏感的特性，具體可參考相關(guān)資料。時(shí)延和頻移聯(lián)合估計(jì)的觀測模型可以設(shè)定為

信號的線性處理輸出為

合并以上兩式有：

其中：(10-20)(10-21)(10-22)這兩個(gè)函數(shù)仍然分別稱為信號函數(shù)和噪聲函數(shù)，并且它們都是二元函數(shù)。以

記為(t，f)的峰點(diǎn)位置，即

并且，只有在

時(shí)，等式成立。圖10-6是時(shí)延和頻移聯(lián)合的信號處理程序——峰值估計(jì)法示意圖。圖10-6時(shí)延和頻移聯(lián)合的信號處理程序——峰值估計(jì)法(10-23)

2.TDOA和FDOA參數(shù)的獲取

由于信號是經(jīng)過同一信號源發(fā)射的，利用兩路信號的相關(guān)性就可以測量出TDOA和FDOA。

設(shè)兩接收信號模型為

x(t)=s(t)+n1(t)

(10-24)

y(t)=A·s(t－D)·ej［Dw(t－D)+f］ (10-25)

上述兩式中，D和Dw分別為TDOA和FDOA(Dw=2p·Df),n1(t)和n2(t)為環(huán)境噪聲且獨(dú)立于s(t)，其余符號意義同前。為討論方便，假設(shè)n1(t)和n2(t)為加性噪聲，兩者均值為零且相互獨(dú)立。利用一種基于二階統(tǒng)計(jì)量的模糊函數(shù)方法(CAF-SOS)可以求得D和Dw。

式中：T為積分時(shí)間，它決定了TDOA和FDOA的估計(jì)精度；w和t分別為頻率和時(shí)間參數(shù)。根據(jù)CAF-SOS算法，當(dāng)w=－Dw，t=D時(shí)Axy(w，t)取得峰值。CAF-SOS算法假定噪聲之間不相關(guān)或者以某種已知方式相關(guān)。但當(dāng)噪聲之間以某種未知方式相關(guān)時(shí)，CAF-SOS方法就不再能夠?qū)DOA和FDOA進(jìn)行可靠估計(jì)了。這時(shí)，可以采用高階累積量模糊函數(shù)方法(CAF-HOS)來求得TDOA和FDOA。(10-26) 10.4雙星定位誤差分析與校正技術(shù)

10.4.1雙星定位的主要誤差因素

從前面的分析可知，衛(wèi)星干擾源定位系統(tǒng)可以通過測量兩顆衛(wèi)星對干擾源形成的時(shí)間差TDOA和頻率差FDOA來完成對未知干擾源的定位，根據(jù)文獻(xiàn)資料及上述章節(jié)的理論分析，利用互模糊函數(shù)進(jìn)行TDOA和FDOA參數(shù)的估計(jì)有確定的誤差下限，其均方誤差(rms)分別為(10-27)其中，Bm和Tm分別是信號的rms帶寬和持續(xù)時(shí)間，分別定義為

其中，m(t)是時(shí)域信號，Gm(f)是信號的功率譜密度。(10-28)從上面的兩個(gè)誤差分析公式可以看出，在輸入信噪比確定的情況下，TDOA估計(jì)的精度依賴于rms帶寬，而FDOA估計(jì)的精度依賴于rms持續(xù)時(shí)間。在測量過程中，為了得到

高精度的TDOA估計(jì)，就要使用盡可能寬的帶寬，而為了得到高精度的FDOA估計(jì)，就要盡量延長處理的積累時(shí)間。如果需要的處理增益一定，則意味著TDOA估計(jì)的采樣要使用最大可能的帶寬，而FDOA估計(jì)要使用窄帶寬和較長的持續(xù)時(shí)間，兩者的處理要根據(jù)實(shí)際情況折中考慮。

在基本的誤差下限基礎(chǔ)上，還存在許多引起誤差的因素，比較典型的有以下幾個(gè)方面。

(1)衛(wèi)星星歷的精度。經(jīng)過實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星干擾源定位系統(tǒng)中，制約定位精度的主要因素是衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)(

衛(wèi)星的位置和速度)，尤其是衛(wèi)星的速度精度，其微小的誤差會引起定位結(jié)果的幾百千米甚至上千千米的誤差。美國的TLS定位系統(tǒng)的研究表明，1MHz的FDOA測量精度對應(yīng)著兩顆衛(wèi)星速度差值的精度約為0.02mm/s。因此，對衛(wèi)星速度預(yù)報(bào)的精度要求異常嚴(yán)格。由于被干擾衛(wèi)星的星歷可以通過該衛(wèi)星所屬衛(wèi)星公司直接取得且比較精確，所以問題的關(guān)鍵是提高鄰星星歷的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

目前進(jìn)行干擾源定位時(shí)所用的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)是從互聯(lián)網(wǎng)上下載得到的帶有誤差的數(shù)據(jù)，如果不進(jìn)行相關(guān)的修正，其數(shù)據(jù)的精度和實(shí)時(shí)性都達(dá)不到定位系統(tǒng)的需求。為了提高定位精度必須解決好衛(wèi)星星歷的準(zhǔn)確度問題。

(2)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器振蕩頻率的差值(本振漂移)直接對FDOA測量精度的影響。上面提到的時(shí)間差值和頻率差值均是我們接收到的相鄰衛(wèi)星信號的實(shí)測數(shù)據(jù)，其中時(shí)間差值的成分比較單純，就是我們前面定義的TDOA。而頻率差值中除了由于多普勒頻移引起的FDOA以外，還包含其他成分。由于靜止軌道衛(wèi)星位于距地心42164km以外的太空，其所處的電磁環(huán)境極為惡劣。星上轉(zhuǎn)發(fā)器的振蕩器頻率會隨時(shí)發(fā)生變化，這就造成了同一頻率的上行信號和它的下行信號，除扣除轉(zhuǎn)發(fā)器本身的頻率差外，還存在轉(zhuǎn)發(fā)器本振的漂移值。這

一數(shù)值通常在正負(fù)幾十赫茲到幾萬赫茲之間，而通常的FDOA僅為不到10Hz，因而這一轉(zhuǎn)發(fā)器本振的漂移值對計(jì)算是非常有害的。

(3)相關(guān)運(yùn)算時(shí)的信噪比。影響信噪比的因素也有很多，比如鄰星和被干擾衛(wèi)星的間距，間距越大，TDOA和FDOA的絕對值越大，對于計(jì)算干擾源的位置越有利，但間距增大會導(dǎo)致相關(guān)信噪比下降；另外，在鄰星上參考信號對應(yīng)頻率處如果有業(yè)務(wù)載波，也會影響參考信號的相關(guān)信噪比，因?yàn)樵撦d波會被認(rèn)為是噪聲信號。

(4)信號的帶寬與調(diào)制類型。

(5)測量設(shè)備的誤差。

(6)不同傳播路徑中大氣對相位的影響。

(7)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器本振的頻率誤差的影響。

(8)各個(gè)環(huán)節(jié)引起的相位噪聲和頻率漂移的影響。這些誤差使得測量的精度難以滿足定位要求，因此需要利用誤差校正技術(shù)進(jìn)行處理，同時(shí)，在實(shí)際操作中人員的經(jīng)驗(yàn)和判斷也是非常重要的，可以根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)修改配置策略。

10.4.2定位誤差校正技術(shù)

1.相位校正技術(shù)

在影響雙星定位誤差的諸多因素中，星歷誤差占據(jù)主要因素，且在不同的時(shí)間和不同的地點(diǎn)具有不同的空域和時(shí)域分布，使得FDOA的測量誤差很大，這時(shí)定位誤差就比較大。為了減小誤差的影響，可以采用輔助參考源的相位校正技術(shù)來提高參數(shù)估計(jì)的精度。相位校正可提高FDOA的估計(jì)精度，對于衛(wèi)星傾角和偏離較大、轉(zhuǎn)發(fā)器頻率時(shí)變性較強(qiáng)等情況具有較好的適應(yīng)能力。影響相位校正技術(shù)使用效果的主要有信號帶寬和信噪比兩個(gè)信號特性，其中信號帶寬對校正的直接效果影響較大。該技術(shù)通常使用在FDOA精確估計(jì)中，通過消除大部分的相位誤差來得到目標(biāo)信號和參考信號的FDOA差值。

誤差校正是雙星定位系統(tǒng)的重要技術(shù)，直接關(guān)系到系統(tǒng)的定位精度。由于未經(jīng)許可發(fā)射信號，有可能暴露自己，因此如要發(fā)射上行信號，最好采用隱蔽型的參考信號。

2.多站星歷校正技術(shù)

在實(shí)際情況中，通過測軌系統(tǒng)獲得的衛(wèi)星星歷總是帶有不可避免的誤差，將間接影響最終的定位結(jié)果。為了提高最終的定位精度，減小星歷誤差帶來的影響，可以在定位過程中利用多個(gè)已知位置的參考源，使用多站位置迭代處理思路來修正衛(wèi)星星歷，盡量消除星歷誤差產(chǎn)生的影響。

3.其他誤差校正技術(shù)

1)相位參考源

為了消除衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器本振漂移對FDOA測量精度的影響，需要采用所謂的相位參考源，即在測量未知信號的同時(shí)，利用另外一個(gè)同樣經(jīng)過這兩顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的相位參考信號，由于這個(gè)信號和未知信號經(jīng)過的轉(zhuǎn)發(fā)過程完全相同，通過對這個(gè)信號和未知信號進(jìn)行嚴(yán)格的同步測量，就可以將轉(zhuǎn)發(fā)器本振的漂移值抵消掉。

2)誤差預(yù)測技術(shù)

由于衛(wèi)星星歷的時(shí)變性，在測量的時(shí)差、頻差的誤差不變的情況下，定位的誤差也具有時(shí)變的特點(diǎn)。法國的泰雷茲雙星定位系統(tǒng)可以利用預(yù)報(bào)的星歷來預(yù)測定位時(shí)刻的定位誤差，然后通過預(yù)測的定位誤差來選擇最佳的定位時(shí)刻，同時(shí)避過定位誤差較大的時(shí)刻，這些時(shí)刻的定位誤差可達(dá)上千千米，通過整合多次最佳時(shí)刻的定位結(jié)果來獲得最小的定位誤差。相對于傳統(tǒng)的定位方法，這種新方法可以取得優(yōu)于一個(gè)數(shù)量級的定位精度改善。

3)參考源的選擇

如上所述，地面站接收的兩路信號之間的傳輸時(shí)延差和多普勒頻率差除了與傳輸路徑有關(guān)外，還與衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延、地面站設(shè)備時(shí)延等眾多因素有關(guān)，同時(shí)為了減小星歷誤差等因素的影響，可以采用差分的方法，建立參考站來減小星歷誤差及設(shè)備延遲的影響。

利用地理位置已知的地面參考源發(fā)射站向受干擾的衛(wèi)星和其鄰星發(fā)射參考信號使地面接收站同時(shí)接收到兩顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號和參考信號，在經(jīng)過同樣的相關(guān)處理和TDOA、FDOA的測量和計(jì)算后，可以得出干擾源和參考源的地理位置。將計(jì)算出的參考源地理位置與已知的參考源發(fā)射站的準(zhǔn)確地理位置比較，其差別就是由各種誤差因素引起的誤差。根據(jù)已知的地面參考源發(fā)射站的準(zhǔn)確地理位置以及測量的信號傳輸時(shí)差和多普勒頻率差，通過數(shù)學(xué)處理，可以消除衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、地面接收站處理系統(tǒng)、大氣和電離層等因素對測量的影響，這樣就可以減弱時(shí)差和頻差測量誤差對定位精度的影響，同時(shí)起到相位校準(zhǔn)和位置校準(zhǔn)的作用。

無論是相位參考還是位置參考，都要求清楚其上行發(fā)射天線的經(jīng)緯度，精確到秒級。各個(gè)參考源在地理上分布越廣，效果就越好。對我國而言，一方面可以利用現(xiàn)有的衛(wèi)星站作為參考源，另一方面在缺乏衛(wèi)星站的地區(qū)也可以自行建立若干參考源發(fā)射站，作為后備參考源使用，以滿足我國衛(wèi)星上行信號干擾源定位的需要。 10.5非雙星體制干擾源定位技術(shù)

10.5.1單星定位測量技術(shù)

通過利用單顆空間衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對地面上行信號定位的技術(shù)主要有以下三種方式。

(1)衛(wèi)星上具備星載陣列天線，利用天線的方向圖特性對上行信號進(jìn)行測向定位。如圖10-7所示，衛(wèi)星上的多個(gè)天線陣元構(gòu)成不同幾何形態(tài)的陣列天線，當(dāng)?shù)孛姘l(fā)射的上行

信號進(jìn)入星載陣列天線時(shí)，通過采用最小方差法(MinimumVariance，MV)、多信號分類法(MultipleSignalClassification,MUSIC)或者旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)的信號參數(shù)估計(jì)法(EstimationofSignalParametersviaRotationInvarianceTechniques,ESPRIT)等空間譜估計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)高精度的測向，并將測向角與地球球面相交，獲得地面發(fā)射站的位置坐標(biāo)。根據(jù)測向精度的不同，這種定位精度對于同步衛(wèi)星通常在幾百千米，對于低軌道衛(wèi)星可以達(dá)到20km左右。這種定位體制的缺點(diǎn)是需要在空間衛(wèi)星上配置相應(yīng)的陣列天線，且必須研制超高分辨率的方向估計(jì)方法。圖10-7單星星載陣列天線定位示意圖

(2)利用混疊信號處理來構(gòu)建時(shí)差/頻差條件。如圖10-8所示，地面站接收目標(biāo)輻射源經(jīng)主星轉(zhuǎn)發(fā)的信號，通過信號分析解譯獲取信號調(diào)制參數(shù)特別是包絡(luò)特征。參考輻射源利用分析解譯的信號參數(shù)，在本地產(chǎn)生一個(gè)包絡(luò)特征與目標(biāo)輻射源一致的信號，并同頻隱蔽發(fā)射到主星上進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。由于具有一致的包絡(luò)特征，地面站同時(shí)接收的參考源和目標(biāo)源信號具有相關(guān)性，從而可以提取上行路徑差異引起的時(shí)間差以及衛(wèi)星攝動在兩個(gè)信號路徑上引起的多普勒頻率差，以構(gòu)建定位方程組實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置確定。圖10-8單星定位原理結(jié)構(gòu)圖根據(jù)圖10-8給出的單星定位幾何結(jié)構(gòu)，可以得到以下定位方程：

(3)利用衛(wèi)星自身運(yùn)動特征完成頻率差的測量。這種方式通常使用在低軌衛(wèi)星上。如圖10-9所示，對于一個(gè)地面或近空位置的靜止輻射源，低軌衛(wèi)星上的接收處理設(shè)備在N(N≥3)個(gè)不同的時(shí)間測量信號到達(dá)衛(wèi)星的頻率，與這些頻率對應(yīng)的是N個(gè)錐頂在衛(wèi)星、錐面過輻射源的圓錐面。由于衛(wèi)星運(yùn)動相對于發(fā)射站的徑向分量不斷變化，這N個(gè)時(shí)刻測量的信號頻率帶有不同的多普勒頻率，因此N個(gè)圓錐角互不相等。實(shí)用中通常利用N個(gè)多普勒頻率得到N－1個(gè)獨(dú)立的頻率差(DFO)，以形成N－1個(gè)對應(yīng)的互不相同的等頻差面在輻射源處相交實(shí)現(xiàn)定位。圖10-9單低軌星測頻率定位示意圖設(shè)地面靜止的輻射源在地心固連坐標(biāo)系(也稱為地心地固坐標(biāo)系，是以總地球橢球?yàn)榛鶞?zhǔn)，以地心為原點(diǎn)，與地球同步運(yùn)動的地心坐標(biāo)系)的坐標(biāo)為(x，y，z)，衛(wèi)星進(jìn)行第i次測頻時(shí)位置pi的坐標(biāo)是(xi，yi，zi)，速度為vi，記輻射源和衛(wèi)星的位置矢量為r和ri，則信號傳播延時(shí)

其中，vi和ri是vi與ri的標(biāo)量值，ai是兩個(gè)矢量的夾角。(10-29)如果輻射源發(fā)射的信號為S(t)，則衛(wèi)星在pi處接收到的信號為Si(t)=S［t－ti(t)］。假定S(t)=A(t)·cos［wt+f(t)］，其中A(t)和f(t)都是慢變函數(shù)，即S(t)是窄帶信號，則有

由于衛(wèi)星在任意時(shí)刻的位置矢量已知，如果能采取有效的處理方法抑制掉相位對測頻的影響，則可以通過對Si(t)測頻得到該時(shí)刻的頻率值(包含相應(yīng)的多普勒頻率)：(10-30)(10-31)從定位方程可以看出，當(dāng)N≥3時(shí)，可以確定地面上靜止輻射源的位置；當(dāng)N≥4時(shí)，可以確定空中靜止輻射源的位置。除需要比較精確的低軌衛(wèi)星軌道參數(shù)外，還要采用其他信息(比如測向等方法)剔除其中的鏡像位置。這種定位方法不需要已知發(fā)射站的頻率信息，但捕獲信號的概率和能夠跟蹤的時(shí)段依賴于衛(wèi)星運(yùn)行路徑與信號發(fā)射路徑的相交程度，測量的實(shí)時(shí)性差，同時(shí)需要很高的頻率測量精度來實(shí)現(xiàn)和保證定位精度。

從上面的原理分析可以看出，單星定位必須依賴于星上設(shè)備或星上的準(zhǔn)確信息，具有系統(tǒng)靈活、工作方式簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是定位精度和實(shí)時(shí)性較差。在達(dá)到所需條件的情況下，單星定位可以發(fā)揮一定的作用。10.5.2多星定位測量技術(shù)

多星定位(含三星定位)涵蓋的內(nèi)容較為廣泛，一般可以分為對合作用戶的衛(wèi)星導(dǎo)航定位和對非合作上行信號的三星定位體制兩大類。衛(wèi)星導(dǎo)航定位有區(qū)域性的雙星導(dǎo)航定位和全球?qū)Ш蕉ㄎ粌煞N，實(shí)現(xiàn)技術(shù)都非常成熟。美國的Geostar、歐洲的Locstar和我國的北斗一代定位系統(tǒng)都屬于利用無線電測距技術(shù)的雙星導(dǎo)航定位，而美國的GPS定位系統(tǒng)、俄羅斯的Glonass系統(tǒng)、歐洲的GNSS和Galileo系統(tǒng)、國際海事衛(wèi)星組織的Inmarsat系統(tǒng)等都是成功的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，此處不再展開介紹衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)。對于非合作上行信號的三星定位，可以通過三顆衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)的信號在地面上實(shí)現(xiàn)定位。如果是以三顆同步衛(wèi)星作為空間接收機(jī)，則可以組合成空間的三星時(shí)差定位體制，實(shí)現(xiàn)對地面目標(biāo)的大地定位。

如圖10-10所示，假設(shè)發(fā)射站r(x，y，z)到同步衛(wèi)星Si(xi，yi，zi)的距離為ri，Di+1，i代表上行信號到達(dá)Si和到達(dá)Si+1之間的時(shí)差，則對于N個(gè)同步衛(wèi)星有以下線性獨(dú)立的方程組：

ri+1,i=c·Di+1,i=ri+1－ri

(i=1，2，…，N－1)

(10-32)

其中圖10-10空間多星大地定位示意圖由于衛(wèi)星的位置坐標(biāo)已知，信號到達(dá)不同衛(wèi)星的時(shí)差可以通過信號的相關(guān)處理估計(jì)出來，因此上述方程組中僅有發(fā)射站的位置坐標(biāo)為未知參量，可以求解獲得。從方程組的組合關(guān)系可以看出，如果發(fā)射站具有一定的海拔高度，需要N≥4才能獲得精確解，而對于地面發(fā)射站，則只需要N≥3即可正確求解，因?yàn)榇藭r(shí)有

采用這種多星空間定位體制，理論上可以獲得較高的定位精度(最小誤差幾千米)，但由于需要配置多套空間接收機(jī)，在發(fā)射站的信號波束范圍內(nèi)很難同時(shí)具備這么多同頻段和同極化的衛(wèi)星，特別是衛(wèi)星間時(shí)差的估計(jì)需要通過星間鏈路傳輸用于相關(guān)的信號，因此工程實(shí)現(xiàn)的性價(jià)比太低，至今尚沒有研制出成熟的系統(tǒng)。(10-33)

10.6多站無線電測距定軌原理

10.6.1多站無源定軌

如果在待測衛(wèi)星的可視區(qū)域內(nèi)建立多個(gè)接收站，同時(shí)接收星上轉(zhuǎn)發(fā)下行的某個(gè)信號，則可以利用不同位置接收站得到的時(shí)差參數(shù)建立定位方程，實(shí)現(xiàn)對該衛(wèi)星的無源測軌。如圖10-11所示，四個(gè)地面接收站的坐標(biāo)為(xi，yi，zi)，則地面站到待測衛(wèi)星S(x，y，z)的斜距(10-34)利用四站同時(shí)接收該衛(wèi)星上的某個(gè)非單頻信號，可以通過信號的相關(guān)處理估計(jì)出任意兩個(gè)站間的時(shí)間差，形成多個(gè)時(shí)間差方程：

c·Dtm=di－dj

(i,j,m=1，2，3，4,

i≠j)

任意選取其中三個(gè)都為線性獨(dú)立方程，可以構(gòu)成非線性定位方程組，求解過程中需要進(jìn)行偽線性化，而且大氣折射、測量誤差、站址誤差等系統(tǒng)誤差都會直接影響最終的定位精度。圖10-11多站無源測軌示意圖通過頻率差的測量也可實(shí)現(xiàn)定軌。在圖10-11中，假定衛(wèi)星具有一定的漂移速度矢量vS=vxi+vyj+vzk，定義從接收站指向衛(wèi)星的單位矢量為

則衛(wèi)星漂移速度矢量對到接收站的信號引起的多普勒頻率為

其中，fs是信號的頻率。與時(shí)間差相似，我們可以估計(jì)得到四個(gè)站之間的多普勒頻率差別如下：(10-37)(10-36)(10-35)10.6.2站間同步

無源測軌過程隱蔽，但需要尋找符合要求的非單頻信號，且各接收測量站之間必須擁有較高的時(shí)間同步精度，主站與副站都需要配備高精度的原子鐘。由于不同原子鐘存在鐘差,往往利用衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞(TWSTFT)法進(jìn)行校準(zhǔn)。

地面站主站和一個(gè)副站雙方均在同一本地鐘面時(shí)刻向衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射時(shí)標(biāo)信號，并接收對方由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號，測量出信號到達(dá)時(shí)的本地鐘面時(shí)刻。副站將觀測數(shù)據(jù)通過通信鏈路傳輸?shù)街髡荆髡镜脑囼?yàn)處理分析系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集處理，獲得兩地的鐘差，從而完成地面系統(tǒng)時(shí)間同步。由于信號由A到B、C、D和由B、C、D到A的傳播路徑基本相同，影響時(shí)延計(jì)算的各種誤差基本上相互抵消，因此采用該方法進(jìn)行時(shí)間比對能達(dá)到很高的測量精度(1～5ns)。如果掌握了時(shí)間同步衛(wèi)星星鐘(如BD-2導(dǎo)航衛(wèi)星的星鐘)與地面站之間的鐘差，還可采用衛(wèi)星雙向無線電測距共視法，即如果兩個(gè)地面站同時(shí)對一顆衛(wèi)星進(jìn)行雙向時(shí)間比對(共視)，就可以采用兩者相減的辦法，扣除衛(wèi)星鐘差的影響，給出兩測站之間的鐘差。該方法與TWSTFT法具有相同的時(shí)間同步精度。

一般來說，采用TWSTFT法鐘差測定不確定度小于或等于2ns。為確保系統(tǒng)的同步精度，要進(jìn)行多站間的衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞，系統(tǒng)建設(shè)初期盡可能對異地站進(jìn)行交換鐘驗(yàn)證。10.6.3多站有源測軌

如果測軌信號由主站1自主發(fā)射，則衛(wèi)星到地面站的斜距為

求解多站斜距構(gòu)成的方程組即可獲得衛(wèi)星的即時(shí)位置。

由于主站到衛(wèi)星的斜距可以通過自發(fā)自收精確測量，且主站發(fā)射的信號往往經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)而有利于時(shí)差測量，因此四個(gè)接收站將具備很高的信號時(shí)差測量精度，且站間同步的精度也不再直接影響定軌精度，因此經(jīng)過12h以上的測量數(shù)據(jù)可以達(dá)到1km左右的測軌精度。(10-38) 10.7衛(wèi)星信號監(jiān)測與干擾定位系統(tǒng)

10.7.1雙星定位系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展情況

對非合作上行信號的定位主要是用于衛(wèi)星的安全防護(hù)、在軌衛(wèi)星的頻譜資源管理、發(fā)射站的態(tài)勢情報(bào)偵察等目的。不管是我國當(dāng)前在軌運(yùn)行的衛(wèi)星還是要偵察利用的敵方衛(wèi)星，都不具備安裝星載設(shè)備的條件，而雙同步衛(wèi)星定位體制在定位條件方面容易滿足，且定位精度等綜合性能較好，因此得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

國外對衛(wèi)星上行信號定位問題的研究起步較早，現(xiàn)有比較成功的衛(wèi)星干擾源定位系統(tǒng)主要有英國的SatID系統(tǒng)、美國的TLS2000系統(tǒng)和法國的HyperLoc系統(tǒng)。三套系統(tǒng)的核心處理技術(shù)都是利用上行信號通過雙同步衛(wèi)星引起的時(shí)差/頻率差進(jìn)行定位，然后根據(jù)具體情況采取有效的手段進(jìn)行查證。

1982年，英國國防評估研究局(DefenseEvaluationandResearchAgency，DERA)開始研究利用時(shí)間差和頻率差進(jìn)行UHF頻段移動通信信道的干擾定位問題，S.Stein等人對利用模糊函數(shù)估計(jì)時(shí)間差和頻率差參數(shù)開展了大量的模型和方法研究；1986-1990年又開展了利用SHF頻段的衛(wèi)星信道進(jìn)行干擾源定位的研究；1993年開始，以DERA為主的EUTELSAT研究小組對衛(wèi)星干擾源定位的各種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，D.P.Haworth、N.G.Smith等人分析設(shè)計(jì)了系統(tǒng)模型與框架。在這些研究的基礎(chǔ)上，DERA與英國Merlin國際通信有限公司合作，聯(lián)合生產(chǎn)了相應(yīng)的定位系統(tǒng)——SatID。配置相應(yīng)頻段的射頻前端后，SatID系統(tǒng)可以在幾分鐘內(nèi)完成對

衛(wèi)星上行信號的定位，誤差為5～100km，現(xiàn)在已經(jīng)在歐洲、北美、新加坡等地進(jìn)行了部署。

作為衛(wèi)星技術(shù)領(lǐng)先的國家，美國在衛(wèi)星上行信號定位研究方面起步比英國更早。20世紀(jì)70年代末，美國麻省理工學(xué)院(MIT)的林肯實(shí)驗(yàn)室就開展了利用衛(wèi)星對地面發(fā)射源進(jìn)行定位的研究工作。該研究的初始定位目標(biāo)是地面的跳頻發(fā)射源，雖然在1986年的“CaptainMidnight”事件發(fā)生之后，主要研究方向轉(zhuǎn)向了衛(wèi)星干擾源定位，但原有研究仍在繼續(xù)，AlexanderSonnenschein

等人還就此發(fā)表了專門的研究文章。

1987年，美國海軍航空指揮部與DERA聯(lián)手，開展了UHF衛(wèi)星信道的干擾源定位技術(shù)研究。另外，美國海軍研究生院自20世紀(jì)90年代以來持續(xù)研究利用時(shí)間差和頻率差的定位技術(shù)。1996年、1997年和2000年，利用雙同步衛(wèi)星進(jìn)行上行信號定位的關(guān)鍵技術(shù)在美國和歐洲申請了專利，標(biāo)志著整個(gè)定位系統(tǒng)的核心技術(shù)已經(jīng)成熟。

此后，具有美國軍方背景的Interferometrics公司將上述研究和關(guān)鍵技術(shù)成功進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品定型，并于1999年推出了商業(yè)化定位系統(tǒng)——TLSModel2000。該系統(tǒng)在美國本土進(jìn)行了部署。該系統(tǒng)定位時(shí)間通常為30min以內(nèi)，定位誤差為5～20km。圖10-12是其設(shè)備組成框圖。圖10-12

TLSModel2000設(shè)備組成框圖

2004年，法國THALESLand&Joint宣布研制成功了一套衛(wèi)星頻譜監(jiān)測和上行信號定位設(shè)備——HyperLoc系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由THALES公司的合作承包商——法國的NovaGrid公司研究完成頻譜分析、上行信號定位、信號仿真分析等核心處理軟件，具備衛(wèi)星頻譜監(jiān)測和轉(zhuǎn)發(fā)器分析能力，可以在5～15min內(nèi)處理完成幾秒的信號數(shù)據(jù)，在L頻段的典型定位誤差為80km，在Ku頻段的典型定位誤差為150km。

由于該技術(shù)可以直接應(yīng)用于對軍事目標(biāo)上行信號的定位，具有良好的軍用價(jià)值，因此上述幾套系統(tǒng)都對其核心處理技術(shù)申請了專利保護(hù)，并對中國(特別是軍方)保密，所以我們很難獲得核心處理技術(shù)的相關(guān)資料。國內(nèi)對該定位體制的研究開展較少，只有西南電子電信技術(shù)研究所開展了系統(tǒng)研制工作，2005年9月研制成功了STD“天眼”系統(tǒng)(別名)，并幾經(jīng)改進(jìn)。10.7.2美國的TLSModel2000系統(tǒng)

TLSModel2000系統(tǒng)設(shè)備包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的19英寸設(shè)備機(jī)架(主設(shè)備機(jī)架)、一個(gè)獨(dú)立的服務(wù)器計(jì)算機(jī)(TLS服務(wù)器)以及一個(gè)或多個(gè)操作員工作站。圖10-12是一個(gè)TLSModel2000系統(tǒng)的硬件組成框圖，顯示了系統(tǒng)硬件之間的連接關(guān)系。

1.各部分組成及功能

1)TLSModel2000主設(shè)備機(jī)柜

TLSModel2000系統(tǒng)主設(shè)備機(jī)柜中的設(shè)備選擇和接收C波段、Ku波段射頻輸入和經(jīng)相應(yīng)下變頻器轉(zhuǎn)換為950～1450MHz范圍的信號，供TLS系統(tǒng)使用。

2)TLS服務(wù)器

TLS服務(wù)器是以O(shè)racle8.0建立的TLS數(shù)據(jù)庫的主機(jī)，其主要功能包括：

(1)接收來自TLSGUI工作站的測試參數(shù)，并將測試指令發(fā)送到TLSModel2000主設(shè)備機(jī)柜執(zhí)行。

(2)處理TLSModel2000設(shè)備返回的數(shù)據(jù)，以確定未知信號的定位過程。

3)TLS的操作員工作站

操作員工作站是工作站級PC計(jì)算機(jī)，它是TLSGUI的主機(jī)，提供TLSModel2000系統(tǒng)的操作接口。操作員工作站還裝有標(biāo)繪和顯示位置橢圓的地理信息系統(tǒng)。

2.TLSModel2000工作流程

1)計(jì)劃TLS對話

首先，操作員掌握干擾信號(未知信號)所在衛(wèi)星(稱為主衛(wèi)星)轉(zhuǎn)發(fā)器和本振。了解未知信號的特征，即下行中心頻率、調(diào)制帶寬、占空比(間歇性信號)和頻率的流動特征(掃頻

信號)。

根據(jù)這些信息，操作員選擇適當(dāng)?shù)臏y量參數(shù)以優(yōu)化定位地理信息。

(1)鄰近衛(wèi)星的選擇。選擇鄰近衛(wèi)星的主要原則是：

·與主星有相同的上行頻率范圍；

·與主星有相同的上行極化；

·定位站在鄰近衛(wèi)星的下行波束覆蓋內(nèi)；

·與主星有相同的上行波束覆蓋；

·與主星同在地球靜止軌道一定角度內(nèi)。

此外，要考慮是否有足夠的相位校準(zhǔn)和位置校準(zhǔn)信號、主星與鄰星獲取高精度星歷的可能性以及FDOA靈敏度等因素。

(2)FDOA定位線。另外一個(gè)因素可能會影響到鄰星選擇的是衛(wèi)星測量時(shí)間FDOA的方向。與TDOA不同，給定衛(wèi)星的FDOA是一個(gè)在軌道周期(1天)內(nèi)方向顯著變化的過程。

簡單地說，如果采取TLS測量，F(xiàn)DOA幾乎平行于TDOA，由此產(chǎn)生的位置橢圓帶將沿固定TDOA線被拉長。在這種情況下，操作員應(yīng)當(dāng)既考慮選擇不同的衛(wèi)星，或安排在相鄰的時(shí)間段頻差聯(lián)合一致的方向進(jìn)行更加有利的附加測量。搜索地圖功能是選擇最佳時(shí)間進(jìn)行這種測量的有利工具。

2)系統(tǒng)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集

(1)系統(tǒng)初始化。TLSModel2000系統(tǒng)在操作界面啟動時(shí)自動初始化。

(2)選擇射頻波段。選擇下行射頻波段(或射頻子頻帶)，如標(biāo)準(zhǔn)C或Ku波段。

(3)射頻源的選擇。指定兩個(gè)射頻源供TLS處理。射頻源由兩部分組成：衛(wèi)星信號和RF輸入。衛(wèi)星信號包括衛(wèi)星、下行頻段和極化。RF輸入源指接收天線和極化。

(4)導(dǎo)入衛(wèi)星星歷文件。

(5)確定頻偏。

(6)選擇和測量相位校準(zhǔn)信號。選擇已知位置的信號進(jìn)行相位校準(zhǔn)測量。

(7)檢測和測量未知信號。獲得相位校準(zhǔn)信號后，可檢測和測量未知信號及位置校準(zhǔn)信號。

(8)選擇和測量位置校準(zhǔn)信號。TLSModel2000通過測量現(xiàn)有的已知位置的信號以減小星歷誤差。為了測試TDOA和FDOA數(shù)據(jù)獲得高精度地理定位，已知的衛(wèi)星位置精度必須在米級，速度精度在1mm/s內(nèi)，但高精度的星歷數(shù)據(jù)很難獲得。

另一種方法就是聯(lián)合測量幾個(gè)上行位置已知與未知的信號，然后通過已知信號的測量，以改善對未知信號的地理定位解決方案。

(9)數(shù)據(jù)采集和編輯。位置校準(zhǔn)完成后，設(shè)置TLSModel2000自動收集未知和位置校準(zhǔn)信號數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)獲得后，操作員可以查看和編輯所收集的數(shù)據(jù)，以消除任何異常數(shù)據(jù)點(diǎn)。

(10)生成位置橢圓。TDOA和FDOA測量數(shù)據(jù)采集完成后，操作者可以進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理，生成位置橢圓。后期處理包括運(yùn)行誤差校準(zhǔn)DECal算法修正星歷誤差(通過若干位置校準(zhǔn)信號)。如果操作員對校準(zhǔn)結(jié)果滿意，生成位置橢圓，就可在GIS地理信息系統(tǒng)軟件中顯示結(jié)果。

10.7.3法國的THALES系統(tǒng)

THALES通信屬于THALES集團(tuán)(從前的THOMSON-CSF)的主要分支——THALESLand&Joint系統(tǒng)，該集團(tuán)服務(wù)于軍隊(duì)、安全、航空和政府機(jī)構(gòu)的電子系統(tǒng)，是頻譜監(jiān)測和電子戰(zhàn)設(shè)備及系統(tǒng)的供應(yīng)商。

1.系統(tǒng)架構(gòu)

THALES系統(tǒng)包含接收機(jī)部分、信息系統(tǒng)(IS)部分和相關(guān)軟件等，如圖10-13所示。圖10-13

THALES系統(tǒng)基本組成圖

2.工作流程

THALES系統(tǒng)的主要工作流程是：控制PC的操作員從LG309訪問衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫——選擇一顆衛(wèi)星并收集衛(wèi)星信息，例如方位角、高度、星歷表、載波、極化以及其他信息。獲取這些信息后，操作員可以通過天線遠(yuǎn)程控制軟件對天線位置和下變頻器頻率進(jìn)行設(shè)定，然后將TRC8025的射頻信道設(shè)置到適當(dāng)?shù)念l率，并將來自下變頻器輸出端的截取信號輸入到兩臺采集PC，通過在衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫中選擇記錄的索引產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)告。

此外，HyperLoc或者HyperMon能夠連接到采集服務(wù)器的硬盤，以獲得不同的數(shù)字信號和它們的報(bào)告。這些信號的接收時(shí)間不限。采集相關(guān)的所有信息收集在LG309的報(bào)告里，由定位或者分析軟件自動運(yùn)行。10.7.4中國的STD系統(tǒng)

STD系統(tǒng)由中國西南電子電信技術(shù)研究所研制集成。該系統(tǒng)由衛(wèi)星監(jiān)測天線系統(tǒng)和信號分析處理系統(tǒng)組成，能有效監(jiān)測我國及周邊國家地區(qū)上空的靜止軌道衛(wèi)星頻譜信號，可對L、S、C、X、Ku、Ka波段在東經(jīng)50°～180°的靜止軌道衛(wèi)星下行信號頻譜參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，對C、Ku波段干擾信號進(jìn)行雙星準(zhǔn)確定位測量。

1.系統(tǒng)構(gòu)架

STD系統(tǒng)由多個(gè)大孔徑衛(wèi)星天線陣、天饋系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、射頻接收系統(tǒng)和信號分析處理系統(tǒng)組成，如圖10-14所示。圖10-14

STD系統(tǒng)基本組成圖

2.主要功能

STD系統(tǒng)的主要功能有：

(1)探察衛(wèi)星在軌情況、監(jiān)測可視區(qū)范圍內(nèi)同步衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻帶在用情況和使用效率。

(2)測量衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻譜占用度、載波頻率、載波功率、載波調(diào)制方式等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星頻譜的有效監(jiān)測。

(3)探察未知地面站、地面電臺上行頻率發(fā)射情況并實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星上行信號定位，與衛(wèi)星信號參數(shù)測量一起構(gòu)成完善有效的衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)庫。

(4)對非法利用和干擾衛(wèi)星業(yè)務(wù)正常運(yùn)營的地面干擾發(fā)射站進(jìn)行快速定位，為查找對我國靜止軌道衛(wèi)星產(chǎn)生干擾的發(fā)射源提供技術(shù)支持，同時(shí)為衛(wèi)星頻率、軌道位置管理提供依據(jù)。

3.工作原理

STD系統(tǒng)利用通信衛(wèi)星和適當(dāng)?shù)泥徯菞l件，通過兩套接收系統(tǒng)，分別接收地面輻射源通過兩顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的下行信號，經(jīng)過特殊的信號相關(guān)處理，計(jì)算出地面輻射源目標(biāo)的經(jīng)

緯度位置，從而實(shí)現(xiàn)對干擾源的定位。

如圖10-15所示，衛(wèi)星干擾源要對目標(biāo)衛(wèi)星(主星)實(shí)施干擾，必須向主星發(fā)射強(qiáng)干擾信號，這時(shí)如果主星的附近有一顆鄰星也有相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)器，則鄰星就有可能接收到干擾源的天線旁瓣泄漏的信號。干擾源發(fā)射的信號由兩個(gè)衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)，到達(dá)接收站，由于路徑的不同，接收到的兩個(gè)干擾信號就有相對時(shí)差(DTO)；兩顆衛(wèi)星漂移的不同速度在兩個(gè)信號傳播徑向上產(chǎn)生不同的多普勒頻移，形成頻率差(DFO)。對于指定的衛(wèi)星位置，由同樣的DTO值確定的軌跡是一個(gè)雙曲面，與地面相交出一條曲線，這條曲線稱為時(shí)差位置線(DTO-LOP)。為了得到正確的DTO值，必須知道衛(wèi)星間的幾何關(guān)系及信號在衛(wèi)星與接收站間的傳播延時(shí)。DTO-LOP只能給出一條曲線，不能確定發(fā)射源的位置。與DTO類似，DFO測量的結(jié)果也可以在地球上畫出一條曲線，由兩條曲線的交點(diǎn)可以提供未知源信號的位置。由于定位基線是由位于赤道平面上的兩個(gè)同步衛(wèi)星組成的，因此，時(shí)差定位

線基本上是南北走向，而頻差定位線則是隨時(shí)間旋轉(zhuǎn)變化的。圖10-15

STD系統(tǒng)工作原理示意圖

4.各分系統(tǒng)的組成及功能

STD系統(tǒng)主要由八個(gè)分系統(tǒng)組成。

1)衛(wèi)星天線分系統(tǒng)

天線分系統(tǒng)以C/Ku天線為例進(jìn)行說明。

衛(wèi)星天線分系統(tǒng)如圖10-16所示。ACU為天線集中遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通過遙控串口與雙電機(jī)消隙、交直流調(diào)速、TK51、饋源極化控制等天線伺服設(shè)備通信。方位俯仰驅(qū)動控制天線的俯仰電機(jī)和方位電機(jī)，達(dá)到控制天線姿態(tài)的目的。C/Ku-LNA為低噪聲放大器，用來濾除噪聲、放大衛(wèi)星天線接收的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器下行信號。圖10-16衛(wèi)星天線分系統(tǒng)示意圖

2)信號傳輸分系統(tǒng)

如圖10-17所示，信號傳輸分系統(tǒng)用前端一路70MHz中頻信號對頻譜儀輸出信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡處理送入高性能工控機(jī)，測量識別處理平臺可以對高性能工控機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(分析解調(diào)方式、調(diào)制速率等)，同時(shí)可以觀看頻譜儀實(shí)時(shí)譜圖。圖10-17信號傳輸分系統(tǒng)示意