第10章-卫星干扰源定位技术-课件

单击此处编辑母版标题样式,第10章卫星干扰源定位技术,第10章卫星干扰源定位技术,10.1卫星干扰源信号定位体制及主要技术,10.2双星定位原理,10.3双星定位算法,10.4双星定位误差分析与校正技术,10.5非双星体制干扰源定位技术,10.6多站无线电测距定轨原理,10.7卫星信号监测与干扰定位系统,第10章卫星干扰源定位技术 10.1卫星干扰源信号定位体,10.1卫星干扰源信号定位体制及主要技术,10.1.1卫星干扰源信号定位体制划分,从定位技术的不同侧面进行分析，对卫星干扰源信号的定位存在多种技术体制。如果按照定位对象的不同，定位体制可以分为两大类。第一类是对合作用户的导航定位。这种定位通过用户自身发射信号或者接收由定位服务方发射的信号，利用伪码测距与测时差相结合等方法，可以获得几十米的定位精度，如GPS定位系统和我国自行研制的北斗导航定位系统。第二类是对非合作用户或者干扰辐射源的定位。这种定位由于定位对象和定位平台之间不存在合作关系，必须由定位平台独立完成对目标上行信号的定位，本章讨论的内容就主要围绕这种对非合作用户的定位展开。,10.1卫星干扰源信号定位体制及主要技术10.1.1,按照定位平台的不同，定位体制也可以分为两大类。第一类为空中平台技术，它采用空中平台作为定位设备载体，空中平台可以是高轨或者同步卫星，也可以是低轨卫星或者飞机等快速移动平台。对于前者，通常采用星载的阵列天线，利用方向图变化特性进行定位；对于后者，通常采用接收频率的多普勒效应，形成测量轨迹。第二类为地面平台技术，它主要是利用地面平台进行处理，卫星只是进行简单的信号转发。后面将介绍的双星定位系统就是以地面为平台对卫星转发的信号进行处理。,按照定位平台的不同，定位体制也可以分为两大类。第一类为空,根据定位所用卫星数量的不同，实现定位的技术体制可以分为单星定位、双星定位和多星(三星及更多)定位三种。这里主要讨论根据定位使用卫星数目不同而划分的定位体制，其中双星定位作为讨论的重点将在10.2节进行阐述，单星及多星定位体制将在 10.5 节进行讲解。,根据定位所用卫星数量的不同，实现定位的技术体制可以分为单,10.1.2单星、多星定位测量技术1.单星定位技术,利用单星实现对地面干扰源信号的定位通常有以下三种方式。第一种单星定位是卫星上具备星载阵列天线，利用天线的方向图特性对干扰源信号进行测向定位。第二种单星定位是利用混叠信号处理来构建时间差/频率差条件，提取上行路径差异引起的时间差以及卫星摄动在两个信号路径上引起的多普勒频率差，从而构建定位方程组实现目标位置确定。第三种单星定位是利用卫星自身运动的测频率方式，利用多个独立的频率差，以形成多个对应的互不相同的等频差面在辐射源处相交实现定位。单星定位必须依赖于星上设备或星上的准确信息，缺点是精度和实时性较差，但是单星定位也有系统灵活、工作方式简单、成本低等优点。在所需条件满足的情况下，单星定位可以发挥一定的作用。,10.1.2单星、多星定位测量技术1.单星定位技术,2.多星定位技术,多星定位(含三星定位)一般可以分为对合作用户的卫星导航定位和对非合作上行信号的多星定位体制两大类。对合作用户的卫星导航定位有区域性的双星导航定位和全球导航定位两种。对于非合作上行信号的三星定位，可以通过三颗卫星透明转发的信号在地面上实现定位。,2.多星定位技术多星定位(含三星定位)一般可以分,10.2双星定位原理,10.2.1双星定位的基本原理,双星定位是通过静止轨道上被干扰卫星和相邻卫星将干扰信号分别转发，由地面站两副接收天线分别接收，通过测量和计算干扰信号到达两副天线的时间差和频率差，得出干扰源所在的地理区域。,1.双星定位系统的基本配置,双星定位系统由主星(被干扰卫星)及其邻星(一颗轨道位置与之邻近并满足其他双星定位条件的卫星)、具有两副接收天线并安装有定位系统的干扰源定位站、一定数量的地面参考源发射站(参考站)和干扰源组成，如图10-1所示。,10.2双星定位原理10.2.1双星定位的基,图 10-1双星定位系统组成示意图,图 10-1双星定位系统组成示意图,2.双星定位原理,双星定位系统主要利用卫星上行信号的天线方向图的发射特征为基本依据。地球站发射天线通常存在一定的旁瓣泄漏，当干扰源对某个主星造成干扰时，其发射天线的天线主瓣在对准这个被干扰主星的同时，其旁瓣将不可避免地指向邻星，所以干扰信号在干扰主星的同时一部分能量会被发射到邻近的卫星上。干扰源的主瓣信号和旁瓣信号分别由主星、邻星的转发器接收转发，到达地面接收站，这样就可以用地面接收站的两副天线分别测量这两个来自不同卫星转发的信号，并将接收到的信号传送到定位系统中，通过定位算法确定上行信号干扰源的位置。,2.双星定位原理双星定位系统主要利用卫星上行信号,在接收到被干扰卫星和邻星转发的干扰信号后，不可能通过直接测量或计算得到干扰源信号到达被干扰卫星和邻星的时间，从而测定干扰源的地理位置。但是可以用间接的方法通过测量和计算获得干扰源信号分别到达两颗卫星的时间差来确定干扰源所在的区域。这里引入两个概念：到达时间差TDOA(Time Difference of Arrival)和到达频率差FDOA(Frequency Difference of Arrival)。,在接收到被干扰卫星和邻星转发的干扰信号后，不可能通过直接,显然，同一信号经历两颗不同卫星转发到达接收站的传播路径是不同的，因此，到达接收站的时间会存在一个时间差值，称之为到达时间差TDOA。通过TDOA的测量计算可以得到干扰源至被干扰卫星和邻星的距离差，满足该条件的所有结果的集合是一个双曲面，该曲面的焦点是被干扰卫星和邻星的位置，在地球表面上就可以定出一条类双曲线带，同时由于两颗卫星在赤道上空是以东西方向并列的，因而此类双曲线带就成为向南北方向扩展的地域。,显然，同一信号经历两颗不同卫星转发到达接收站的传播路径是,同时，由于天体引力变化和太阳光压对卫星电池帆板的不平衡等因素的影响，同步卫星在赤道面上空的轨道点上并不是相对地球完全静止的，而是以24小时的周期在垂直于赤道的平面内沿近似“8”字形的封闭轨迹运动，称为摄动。两颗同步卫星的摄动速度差异在天线主瓣和旁瓣两个信号传播路径上引起了不同的多普勒频率，所以，尽管发射的是同一个信号，但由于多普勒频移的影响，在到达接收站时存在一个频率差值，称之为到达频率差FDOA。FDOA对应的是被干扰卫星和邻星相对运动速度差。与TDOA类似，FDOA测量的结果也可以在地球表面定出一条与纬度线走向类似的曲线带，如图10-2所示。,同时，由于天体引力变化和太阳光压对卫星电池帆板的不平衡等,图 10-2双星定位结果示意图,图 10-2双星定位结果示意图,TDOA曲线与FDOA曲线带交织出一个椭圆形区域，该区域即为干扰源所在区域，干扰源位于该区域内，越接近椭圆中心概率越大，如图10-3所示。,TDOA曲线与FDOA曲线带交织出一个椭圆形区域，该区域,图 10-3双星定位结果概率椭圆,图 10-3双星定位结果概率椭圆,TDOA的测量和计算比较容易，可以通过测量干扰源信号分别经被干扰卫星和邻星转发到达地面接收站总时间差(上下行总时间差)减去被干扰卫星和邻星到达地面接收站时间差(下行时间差)获得的，而且TDOA的方向是不变的。相对应的FDOA的测量计算就显得复杂一些。这里主要解决邻星接收到的信号很微弱的问题。因为干扰信号是通过副瓣发射到邻星上的，从邻星接收到的干扰信号要比从被干扰卫星接收到的功率低45 dB左右。地面定位技术本身对测量的精度要求很高，为了保证测量精度，除了要求接收邻星信号的天线口径要远大于接收主星信号的天线口径外，还要采用一定的相关计算方法，将很微弱的信号从噪声中分离出来。,TDOA的测量和计算比较容易，可以通过测量干扰源信号分别,10.2.2实现双星定位的基本条件1.卫星条件,首先，根据上述双星定位的基本原理和双星定位系统的基本配置，我们必须找到至少一颗合适的可利用的邻星。邻星的选择是非常重要的，合适的邻星是实现干扰源定位的前提，找不到合适的邻星就无法对干扰源进行定位。所选用邻星应满足以下几个条件：(1)合适的角距。邻星要在被干扰卫星合适的角距范围内，也就是说两颗卫星的经度差不能太大。通常，C频段在12以内，Ku频段在8以内，原则上两颗卫星越近越好。(2)相同的频段和极化方式。在被干扰频段上，邻星应提供与被干扰卫星相同的工作频段和极化方式。,10.2.2实现双星定位的基本条件1.卫星条件,(3)共同的覆盖范围。邻星与被干扰卫星都能为地面发射机的上行链路和接收机的下行链路提供一个共同的覆盖范围。两颗卫星的上行波束区域应同时覆盖干扰源，使得干扰源信号能够到达两颗卫星并被转发，一般选择上行波束覆盖与被干扰星相似的邻星。对于下行波束覆盖范围不同的邻星，若没有其他可用的邻星存在，用一套系统是无法测试的。需要采用两套分别位于不同区域的定位系统进行分布式测量，提高系统与地理上相分离的多个地面监测站协同工作的能力。Intelsat公司已于2002年完成了采用6套TLS Mobel2000干扰定位系统组建的一个干扰源定位网，可进行分布式测量。,(3)共同的覆盖范围。邻星与被干扰卫星都能为地面发射机,(4)精确的星历数据。卫星的星历数据是影响双星定位精度的关键因素之一。对于被干扰卫星，我们可以从卫星操作者那里获取精确的星历数据，而对于邻星，除了可以从互联网上获取其星历数据(其精度只能满足一般定位的需要)外，还可以通过卫星测轨系统获取精确的星历数据。(5)透明转发器。被干扰频段相应的卫星转发器不能使用星上处理(On Board Processing，OBP)技术,而必须是透明转发器，只提供简单的信号转发功能。当然，具体的选择还要根据干扰源信号的频率、带宽等实际情况来确定。,(4)精确的星历数据。卫星的星历数据是影响双星定位精度,2.参考站条件,在选择了合适的邻星后，还需要一定数量的地面参考源发射站，以修正星上转发设备的未知特性、卫星星历误差等多种误差因素对定位的影响。参考站可以利用正常使用的地球卫星通信站，也可以使用自主建设的扩频信号发射站。,3.地面接收站条件,应具备同时接收两颗卫星下行信号的能力，配备性能良好的射频前端、数据预处理和信号采集等设备和相应处理软件及通信设施。,2.参考站条件在选择了合适的邻星后，还需要一定数,10.3双星定位算法,卫星干扰源定位的基本原理是通过计算接收站接收到两个卫星的转发器转发干扰信号的相对时间差(DTO)曲线和频率差(DFO)曲线，再根据两条曲线在地面的交点来确定干扰源的地理位置。因此干扰源的双星定位算法主要是对时间差和频率差的计算。,10.3.1双星定位基本算法1.双星定位算法的基本方程,在一个确定的坐标系和一个确定的定位时刻，假设干扰源的坐标为(,x,，,y,，,z,)，两颗卫星(主星和邻星)的坐标分别为(,x,1,，,y,1,，,z,1,)和(,x,2,，,y,2,，,z,2,)。其中两颗卫星的坐标通过一定的测量方法已经确定。因此有如下表达式：,10.3双星定位算法卫星干扰源定位的基本原,第10章-卫星干扰源定位技术-课件,2.TDOA算法及估计,1)TDOA估计方法观测信号模型为独立相加模型，如下：,r,(,t,)=,As,(,t,t,0,)+,n,(,t,),0,t,T,(10-5)其中，,n,(,t,)为零均值平稳白噪声过程，,t,0,为时延。在线性处理时，对观测信号,r,(,t,)进行匹配或相关处理可得到最优检测性能。由于这里的,t,0,为一未知量，所以可以按下式进行处理：综合式(10-5)和式(10-6)得到：,(10-6),2.TDOA算法及估计1)TDOA估计方法,考察没有噪声干扰的情况，即,n,(,t,)=0，则有,j,(,t,)=0，于是,y,(,t,)=|,Ax,(,t,t,0,)|,A,|。由信号的知识可知，只有在,t,0,=,t,处，等式才能取得最大值。这启发我们可以根据函数的峰值点来估计,t,0,。另以记,y,(,t,)的峰点位置，在无噪声干扰的情况下，,y,(,t,)的峰点记为信号函数的模|,x,(,t,t,0,)|的峰点，所以，即对,t,0,的估计没有任何误差。总结信号处理的程序如图10-4所示。,图 10-4估计时延的信号处理程序峰点估计法,考察没有噪声干扰的情况，即n(t)=0，则有j(t)=0,从上面的介绍知道，时延估计的基本思想就是寻求两个信号最大相似性的发生时刻。设两接收信号模型为,x,(,t,)=,s,(,t,)+,n,1,(,t,),(10-7),y,(,t,)=,As,(,t,D,)+,n,2,(,t,),(10-8)在信号源和噪声不相关的情况下，两接收信号的互相关函数有如下关系：,C,xy,(,t,)=,E,x,(,t,),y,(,t,+,t,),=,AC,2s,(,t,D,),(,t,)(10-9),其中，,C,2s,(,t,D,)是信号,s,(,n,)在时间轴上移位后的自相关函数，它在,t,=,D,时取峰值。实际上，由于有限长数据记录和噪声源并不一定是完全独立的，所以互协方差估计值并不一定在,D,处取峰值。,从上面的介绍知道，时延估计的基本思想就是寻求两个信号最大,2)TDOA的计算干扰源T发射信号到两颗邻近的通信卫星(,S,1,，,S,2,)，经过卫星转发器发回地面，地面接收机R接收信号后，求得两路信号到达时差(TDOA)，卫星到地面接收机路径已知(可通过星历表计算)，从而求得信号发射点到两颗卫星的距离差。每个距离差对应一个双曲面，每一个双曲面与地面有一条相交的曲线，此曲线就是干扰发射源可能处的位置。假设目标在地心直角坐标系中的坐标为(,x,，,y,，,z,)，卫星在地心直角坐标系中的坐标为(,x,i,，,y,i,，,z,i,)(,i,=1，2)，其关系可用以下方程组表示：,2)TDOA的计算干扰源T发射信号到两颗邻近的通,式中，,R,e,表示地球半径，,r,ij,表示目标到卫星,i,与到卫星,j,的距离差。用时间差表示距离差：,r,ij,=,C,t,ij,(10-10)式中，,t,ij,为目标信号到达卫星,i,与到达卫星,j,的时间差；,C,为电磁波在空气中的传输速率。根据式(10-10)可计算出干扰源所在的位置曲线。为了确定干扰源的准确位置，还必须结合频差法进行计算。,式中，Re表示地球半径，rij表示目标到卫星i与到卫星j,3.FDOA算法及估计,1)FDOA估计方法测向定位较难实现精确定位；测时差定位精度高，但存在定位模糊；基于频差的定位方法具有不模糊、精度高等优点。频移估计的处理方法与时延估计相似，只不过时延是发生在时域，而频移则体现在频域。观测信号模型假定为其中，,n,(,t,)仍为零均值平稳白噪声过程，,f,0,为待估频移，其余符号意义同前。假设为线性处理，对观测信号,r,(,t,)进行匹配或者相关处理，在,f,0,未知的情况下，这种处理只能按以下方式进行，即,(10-11),3.FDOA算法及估计1)FDOA估计方法,综合上面两式得到：其中：,(10-12),(10-13),综合上面两式得到：其中：(10-12)(1,这里仍然把它们称为信号函数和噪声函数。用,y,(,f,)的峰点作为,f,0,的估计，记为，显而易见，在没有噪声干扰的情况下：,y,(,f,)=|,Ax,(,f,f,0,)|,A,|(10-14)所以，=,f,，即频移的估计值等于频移的真值，估计没有任何误差。估计频移时，信号处理程序如图10-5所示。,图 10-5估计频移的信号处理程序峰点估计法,这里仍然把它们称为信号函数和噪声函数。用y(f)的峰点,2)FDOA的计算由于卫星和发射源以及接收站的相对运动，会产生多普勒频移，接收设备可测量出这种频差。同时由于接收站与卫星的相对运动已知，从而可推算出干扰源与卫星的相对运动关系，进而求出地面干扰源可能的位置曲线。在三维空间中，两个卫星平台接收干扰源信号的频率差，确定了目标的一个定位曲面，该曲面与地球相交成一条曲线。假设运动平台的位置为,R,i,(,r,xi,，,r,yi,，,r,zi,)(,i,=0，1)，固定辐射源的位置为,E,(,r,x,，,r,y,，,r,z,)，卫星的相对运动速度为,v,(,v,xi,，,v,yi,，,v,vi,)，所接收到的频率差为,f,d,，则,(10-15),2)FDOA的计算由于卫星和发射源以及接收站的相,(1)相关数据参数：同步卫星运行半径：,R,s,=36 000 km，速度为2.6 km/s；地球平均半径：,R,e,=6371.03 km；地球自转角速度,0,=7.292 115 15e5 rad/s；赤道上的旋转速度：0.465 10 km/s。(2)方法：两颗卫星的下行路径已知，包括位置、距离和运动速度等，所以下行路径所产生的多普勒频移可预计，在此不作为主要问题讨论。于是问题就转化为以两颗卫星作为平台对位于地球表面的干扰源进行定位的问题。定位的依据是测得的两条路径的多普勒频差。设干扰源的坐标为(,x,0,，,y,0,，,z,0,)，卫星1的坐标为(,x,1,，,y,1,，,z,1,)，卫星2的坐标为(,x,2,，,y,2,，,z,2,)。,(1)相关数据参数：同步卫星运行半径：,卫星位于赤道上空，所以,z,1,=,z,2,=0。干扰源运动速度,v,0,=(,v,0,x,，,v,0,y,，,v,0,z,)；卫星1速度,v,1,=(,v,1,x,，,v,1,y,，,v,1,z,)；卫星2 速度,v,2,=(,v,2,x,，,v,2,y,，,v,2,z,)；卫星1相对干扰源速度,v,10,=(,v,10,x,，,v,10,y,，,v,10,z,)；卫星2相对干扰源速度,v,20,=(,v,20,x,，,v,20,y,，,v,20,z,)；干扰源位于地球表面，所以卫星1的速度大小为,(10-16),(10-17),卫星位于赤道上空，所以z1=z2=0。干扰源运动速,卫星2的速度大小为干扰源的速度大小为同步卫星轨道半径为,R,s,，所以卫星1的矢量速度为,v,1,=(,v,1,x,，,v,1,y,，,v,1,z,)=,w,r,式中：,w,=(0，0，,w,0,)；,r,=(,x,1,，,y,1,，,z,1,),v,1,x,=,w,0,y,1,；,v,1,y,=,w,0,x,1,；,v,1,z,=0,(10-17),(10-18),(10-19),卫星2的速度大小为干扰源的速度大小为,同理，对卫星2，,v,2,x,=,w,0,y,2,；,v,2,y,=,w,0,x,2,；,v,2,z,=0,对于地面干扰源，,v,0,x,=,w,0,y,0,；,v,0,y,=,w,0,x,0,；,v,0,z,=0,综上所述，得到关于(,x,0,，,y,0,，,z,0,)的方程组，从方程组中解出(,x,0,，,y,0,，,z,0,)，即得到干扰源所在的位置曲线。,同理，对卫星2，v2x=w0y2；v2y=w0,10.3.2TDOA和FDOA联合算法及估计1.TDOA和FDOA联合算法,在双星定位系统中，除了依靠卫星技术外，对干扰源更加准确的定位关键还在于对TDOA和FDOA的估计。通过对TDOA和FDOA的精确估计，有效利用目标辐射信号的信息和目标的位置、运动状态之间的关系对目标进行定位，可以减少定位所需要的时间，提高系统的定位精度。TDOA和FDOA联合的最大似然估计算法，已发展为同时估计TDOA和FDOA的快速算法，即基于高阶累积量(HOS)的TDOA/FDOA联合估计算法。这主要也是利用了高阶累积量对高斯噪声不敏感的特性，具体可参考相关资料。,10.3.2TDOA和FDOA联合算法及估计1.T,时延和频移联合估计的观测模型可以设定为信号的线性处理输出为合并以上两式有：其中：,(10-20),(10-21),(10-22),时延和频移联合估计的观测模型可以设定为信号的线性,这两个函数仍然分别称为信号函数和噪声函数，并且它们都是二元函数。以记为(,t,，,f,)的峰点位置，即并且，只有在,时，等式成立。图10-6是时延和频移联合的信号处理程序峰值估计法示意图。,图 10-6时延和频移联合的信号处理程序峰值估计法,(10-23),这两个函数仍然分别称为信号函数和噪声函数，并且它们都是二,2.TDOA和FDOA参数的获取,由于信号是经过同一信号源发射的，利用两路信号的相关性就可以测量出TDOA和FDOA。设两接收信号模型为,x,(,t,)=,s,(,t,)+,n,1,(,t,),(10-24),y,(,t,)=,A,s,(,t,D,)ej,D,w,(,t,D,)+,f,(10-25),上述两式中，,D,和,D,w,分别为,TDOA,和,FDOA(,D,w,=2,p,D,f,),n,1,(,t,),和,n,2,(,t,),为环境噪声且独立于,s,(,t,)，其余符号意义同前。为讨论方便，假设,n,1,(,t,)和,n,2,(,t,)为加性噪声，两者均值为零且相互独立。,2.TDOA和FDOA参数的获取由于信号是经过同,利用一种基于二阶统计量的模糊函数方法(CAF-SOS)可以求得,D,和,D,w,。式中：,T,为积分时间，它决定了TDOA和FDOA的估计精度；,w,和,t,分别为频率和时间参数。根据CAF-SOS算法，当,w,=,D,w,，,t,=,D,时,A,xy,(,w,，,t,)取得峰值。CAF-SOS算法假定噪声之间不相关或者以某种已知方式相关。但当噪声之间以某种未知方式相关时，CAF-SOS 方法就不再能够对TDOA和FDOA进行可靠估计了。这时，可以采用高阶累积量模糊函数方法(CAF-HOS)来求得TDOA和FDOA。,(10-26),利用一种基于二阶统计量的模糊函数方法(CAF-SOS)可,10.4双星定位误差分析与校正技术,10.4.1双星定位的主要误差因素,从前面的分析可知，卫星干扰源定位系统可以通过测量两颗卫星对干扰源形成的时间差TDOA和频率差FDOA来完成对未知干扰源的定位，根据文献资料及上述章节的理论分析，利用互模糊函数进行TDOA和FDOA参数的估计有确定的误差下限，其均方误差(rms)分别为,(10-27),10.4双星定位误差分析与校正技术10.4.1双星定,其中，,B,m,和,T,m,分别是信号的rms带宽和持续时间，分别定义为其中，,m,(,t,)是时域信号，,G,m,(,f,)是信号的功率谱密度。,(10-28),其中，Bm和Tm分别是信号的rms带宽和持续时间，分别定义为,从上面的两个误差分析公式可以看出，在输入信噪比确定的情况下，TDOA估计的精度依赖于rms带宽，而FDOA估计的精度依赖于rms持续时间。在测量过程中，为了得到高精度的TDOA估计，就要使用尽可能宽的带宽，而为了得到高精度的FDOA估计，就要尽量延长处理的积累时间。如果需要的处理增益一定，则意味着TDOA估计的采样要使用最大可能的带宽，而FDOA估计要使用窄带宽和较长的持续时间，两者的处理要根据实际情况折中考虑。在基本的误差下限基础上，还存在许多引起误差的因素，比较典型的有以下几个方面。,从上面的两个误差分析公式可以看出，在输入信噪比确定的情况,(1)卫星星历的精度。经过实际测量发现，卫星干扰源定位系统中，制约定位精度的主要因素是卫星的星历数据(卫星的位置和速度)，尤其是卫星的速度精度，其微小的误差会引起定位结果的几百千米甚至上千千米的误差。美国的TLS定位系统的研究表明，1 MHz 的FDOA测量精度对应着两颗卫星速度差值的精度约为0.02 mm/s。因此，对卫星速度预报的精度要求异常严格。由于被干扰卫星的星历可以通过该卫星所属卫星公司直接取得且比较精确，所以问题的关键是提高邻星星历的数据准确性。目前进行干扰源定位时所用的卫星星历数据是从互联网上下载得到的带有误差的数据，如果不进行相关的修正，其数据的精度和实时性都达不到定位系统的需求。为了提高定位精度必须解决好卫星星历的准确度问题。,(1)卫星星历的精度。经过实际测量发现，卫星干扰源定位,(2)卫星转发器振荡频率的差值(本振漂移)直接对FDOA测量精度的影响。上面提到的时间差值和频率差值均是我们接收到的相邻卫星信号的实测数据，其中时间差值的成分比较单纯，就是我们前面定义的TDOA。而频率差值中除了由于多普勒频移引起的FDOA以外，还包含其他成分。由于静止轨道卫星位于距地心42 164 km以外的太空，其所处的电磁环境极为恶劣。星上转发器的振荡器频率会随时发生变化，这就造成了同一频率的上行信号和它的下行信号，除扣除转发器本身的频率差外，还存在转发器本振的漂移值。这一数值通常在正负几十赫兹到几万赫兹之间，而通常的FDOA仅为不到10 Hz，因而这一转发器本振的漂移值对计算是非常有害的。,(2)卫星转发器振荡频率的差值(本振漂移)直接对FDO,(3)相关运算时的信噪比。影响信噪比的因素也有很多，比如邻星和被干扰卫星的间距，间距越大，TDOA和FDOA的绝对值越大，对于计算干扰源的位置越有利，但间距增大会导致相关信噪比下降；另外，在邻星上参考信号对应频率处如果有业务载波，也会影响参考信号的相关信噪比，因为该载波会被认为是噪声信号。(4)信号的带宽与调制类型。(5)测量设备的误差。(6)不同传播路径中大气对相位的影响。(7)卫星转发器本振的频率误差的影响。(8)各个环节引起的相位噪声和频率漂移的影响。,(3)相关运算时的信噪比。影响信噪比的因素也有很多，比,这些误差使得测量的精度难以满足定位要求，因此需要利用误差校正技术进行处理，同时，在实际操作中人员的经验和判断也是非常重要的，可以根据实际情况随时修改配置策略。,10.4.2定位误差校正技术1.相位校正技术,在影响双星定位误差的诸多因素中，星历误差占据主要因素，且在不同的时间和不同的地点具有不同的空域和时域分布，使得FDOA的测量误差很大，这时定位误差就比较大。为了减小误差的影响，可以采用辅助参考源的相位校正技术来提高参数估计的精度。相位校正可提高FDOA的估计精度，对于卫星倾角和偏离较大、转发器频率时变性较强等情况具有较好的适应能力。,这些误差使得测量的精度难以满足定位要求，因此需要利用误差,影响相位校正技术使用效果的主要有信号带宽和信噪比两个信号特性，其中信号带宽对校正的直接效果影响较大。该技术通常使用在FDOA精确估计中，通过消除大部分的相位误差来得到目标信号和参考信号的FDOA差值。误差校正是双星定位系统的重要技术，直接关系到系统的定位精度。由于未经许可发射信号，有可能暴露自己，因此如要发射上行信号，最好采用隐蔽型的参考信号。,影响相位校正技术使用效果的主要有信号带宽和信噪比两个信号,2.多站星历校正技术,在实际情况中，通过测轨系统获得的卫星星历总是带有不可避免的误差，将间接影响最终的定位结果。为了提高最终的定位精度，减小星历误差带来的影响，可以在定位过程中利用多个已知位置的参考源，使用多站位置迭代处理思路来修正卫星星历，尽量消除星历误差产生的影响。,2.多站星历校正技术在实际情况中，通过测轨系统获,3.其他误差校正技术,1)相位参考源为了消除卫星转发器本振漂移对FDOA测量精度的影响，需要采用所谓的相位参考源，即在测量未知信号的同时，利用另外一个同样经过这两颗卫星转发的相位参考信号，由于这个信号和未知信号经过的转发过程完全相同，通过对这个信号和未知信号进行严格的同步测量，就可以将转发器本振的漂移值抵消掉。,3.其他误差校正技术1)相位参考源为了消,2)误差预测技术由于卫星星历的时变性，在测量的时差、频差的误差不变的情况下，定位的误差也具有时变的特点。法国的泰雷兹双星定位系统可以利用预报的星历来预测定位时刻的定位误差，然后通过预测的定位误差来选择最佳的定位时刻，同时避过定位误差较大的时刻，这些时刻的定位误差可达上千千米，通过整合多次最佳时刻的定位结果来获得最小的定位误差。相对于传统的定位方法，这种新方法可以取得优于一个数量级的定位精度改善。,2)误差预测技术由于卫星星历的时变性，在测量的时,3)参考源的选择如上所述，地面站接收的两路信号之间的传输时延差和多普勒频率差除了与传输路径有关外，还与卫星的转发时延、地面站设备时延等众多因素有关，同时为了减小星历误差等因素的影响，可以采用差分的方法，建立参考站来减小星历误差及设备延迟的影响。利用地理位置已知的地面参考源发射站向受干扰的卫星和其邻星发射参考信号使地面接收站同时接收到两颗卫星转发的干扰信号和参考信号，在经过同样的相关处理和TDOA、FDOA的测量和计算后，可以得出干扰源和参考源的地理位置。将计算出的参考源地理位置与已知的参考源发射站的准确地理位置比较，其差别就是由各种误差因素引起的误差。,3)参考源的选择如上所述，地面站接收的两路信号之,根据已知的地面参考源发射站的准确地理位置以及测量的信号传输时差和多普勒频率差，通过数学处理，可以消除卫星星历、卫星转发器、地面接收站处理系统、大气和电离层等因素对测量的影响，这样就可以减弱时差和频差测量误差对定位精度的影响，同时起到相位校准和位置校准的作用。无论是相位参考还是位置参考，都要求清楚其上行发射天线的经纬度，精确到秒级。各个参考源在地理上分布越广，效果就越好。对我国而言，一方面可以利用现有的卫星站作为参考源，另一方面在缺乏卫星站的地区也可以自行建立若干参考源发射站，作为后备参考源使用，以满足我国卫星上行信号干扰源定位的需要。,根据已知的地面参考源发射站的准确地理位置以及测量的信号传输时,10.5非双星体制干扰源定位技术,10.5.1单星定位测量技术,通过利用单颗空间卫星实现对地面上行信号定位的技术主要有以下三种方式。(1)卫星上具备星载阵列天线，利用天线的方向图特性对上行信号进行测向定位。如图10-7所示，卫星上的多个天线阵元构成不同几何形态的阵列天线，当地面发射的上行信号进入星载阵列天线时，通过采用最小方差法(Minimum Variance，MV)、多信号分类法(Multiple Signal Classification,MUSIC)或者旋转不变技术的信号参数估计法(Estimation of Signal Parameters via Rotation Invariance Techniques,ESPRIT),10.5非双星体制干扰源定位技术10.5.1单星,等空间谱估计方法，实现高精度的测向，并将测向角与地球球面相交，获得地面发射站的位置坐标。根据测向精度的不同，这种定位精度对于同步卫星通常在几百千米，对于低轨道卫星可以达到20 km 左右。这种定位体制的缺点是需要在空间卫星上配置相应的阵列天线，且必须研制超高分辨率的方向估计方法。,等空间谱估计方法，实现高精度的测向，并将测向角与地球球面相交,图10-7单星星载阵列天线定位示意图,图10-7单星星载阵列天线定位示意图,(2)利用混叠信号处理来构建时差/频差条件。如图10-8所示，地面站接收目标辐射源经主星转发的信号，通过信号分析解译获取信号调制参数特别是包络特征。参考辐射源利用分析解译的信号参数，在本地产生一个包络特征与目标辐射源一致的信号，并同频隐蔽发射到主星上进行转发。由于具有一致的包络特征，地面站同时接收的参考源和目标源信号具有相关性，从而可以提取上行路径差异引起的时间差以及卫星摄动在两个信号路径上引起的多普勒频率差，以构建定位方程组实现目标位置确定。,(2)利用混叠信号处理来构建时差/频差条件。如图10-,图 10-8单星定位原理结构图,图 10-8单星定位原理结构图,根据图10-8给出的单星定位几何结构，可以得到以下定位方程：,根据图10-8给出的单星定位几何结构，可以得到以下定位方,第10章-卫星干扰源定位技术-课件,(3)利用卫星自身运动特征完成频率差的测量。这种方式通常使用在低轨卫星上。如图10-9所示，对于一个地面或近空位置的静止辐射源，低轨卫星上的接收处理设备在,N,(,N,3)个不同的时间测量信号到达卫星的频率，与这些频率对应的是,N,个锥顶在卫星、锥面过辐射源的圆锥面。由于卫星运动相对于发射站的径向分量不断变化，这,N,个时刻测量的信号频率带有不同的多普勒频率，因此,N,个圆锥角互不相等。实用中通常利用,N,个多普勒频率得到,N,1个独立的频率差(DFO)，以形成,N,1个对应的互不相同的等频差面在辐射源处相交实现定位。,(3)利用卫星自身运动特征完成频率差的测量。这种方式通,图 10-9单低轨星测频率定位示意图,图 10-9单低轨星测频率定位示意图,设地面静止的辐射源在地心固连坐标系(也称为地心地固坐标系，是以总地球椭球为基准，以地心为原点，与地球同步运动的地心坐标系)的坐标为(,x,，,y,，,z,)，卫星进行第i次测频时位置,p,i,的坐标是(,x,i,，,y,i,，,z,i,)，速度为,v,i,，记辐射源和卫星的位置矢量为,r,和,r,i,，则信号传播延时其中，,v,i,和,r,i,是,v,i,与,r,i,的标量值，,a,i,是两个矢量的夹角。,(10-29),设地面静止的辐射源在地心固连坐标系(也称为地心地固坐标系,如果辐射源发射的信号为,S,(,t,)，则卫星在,p,i,处接收到的信号为,S,i,(,t,)=,S,t,t,i,(,t,)。假定,S,(,t,)=,A,(,t,)cos,w,t,+,f,(,t,)，其中,A,(,t,)和,f,(,t,)都是慢变函数，即,S,(,t,)是窄带信号，则有由于卫星在任意时刻的位置矢量已知，如果能采取有效的处理方法抑制掉相位对测频的影响，则可以通过对,S,i,(,t,)测频得到该时刻的频率值(包含相应的多普勒频率)：,(10-30),(10-31),如果辐射源发射的信号为S(t)，则卫星在pi处接收到的信,从定位方程可以看出，当,N,3时，可以确定地面上静止辐射源的位置；当,N,4时，可以确定空中静止辐射源的位置。除需要比较精确的低轨卫星轨道参数外，还要采用其他信息(比如测向等方法)剔除其中的镜像位置。这种定位方法不需要已知发射站的频率信息，但捕获信号的概率和能够跟踪的时段依赖于卫星运行路径与信号发射路径的相交程度，测量的实时性差，同时需要很高的频率测量精度来实现和保证定位精度。从上面的原理分析可以看出，单星定位必须依赖于星上设备或星上的准确信息，具有系统灵活、工作方式简单、成本低等优点，但缺点是定位精度和实时性较差。在达到所需条件的情况下，单星定位可以发挥一定的作用。,从定位方程可以看出，当N3时，可以确定地面上静止辐射源,10.5.2多星定位测量技术,多星定位(含三星定位)涵盖的内容较为广泛，一般可以分为对合作用户的卫星导航定位和对非合作上行信号的三星定位体制两大类。卫星导航定位有区域性的双星导航定位和全球导航定位两种，实现技术都非常成熟。美国的Geostar、欧洲的Locstar和我国的北斗一代定位系统都属于利用无线电测距技术的双星导航定位，而美国的GPS定位系统、俄罗斯的Glonass系统、欧洲的GNSS和Galileo系统、国际海事卫星组织的Inmarsat系统等都是成功的全球导航定位系统，此处不再展开介绍卫星导航定位技术。,10.5.2多星定位测量技术多星定位(含三星定位)涵,对于非合作上行信号的三星定位，可以通过三颗卫星透明转发的信号在地面上实现定位。如果是以三颗同步卫星作为空间接收机，则可以组合成空间的三星时差定位体制，实现对地面目标的大地定位。如图10-10所示，假设发射站,r,(,x,，,y,，,z,)到同步卫星,S,i,(,x,i,，,y,i,，,z,i,)的距离为,r,i,，,D,i,+1，,i,代表上行信号到达,S,i,和到达,S,i,+1,之间的时差，则对于,N,个同步卫星有以下线性独立的方程组：,r,i,+1,i,=,c,D,i,+1,i,=,r,i,+1,r,i,(,i,=1,，,2,，,，,N,1)(10-32),其中,对于非合作上行信号的三星定位，可以通过三颗卫星透明转发的,图 10-10空间多星大地定位示意图,图 10-10空间多星大地定位示意图,由于卫星的位置坐标已知，信号到达不同卫星的时差可以通过信号的相关处理估计出来，因此上述方程组中仅有发射站的位置坐标为未知参量，可以求解获得。从方程组的组合关系可以看出，如果发射站具有一定的海拔高度，需要,N,4才能获得精确解，而对于地面发射站，则只需要,N,3即可正确求解，因为此时有采用这种多星空间定位体制，理论上可以获得较高的定位精度(最小误差几千米)，但由于需要配置多套空间接收机，在发射站的信号波束范围内很难同时具备这么多同频段和同极化的卫星，特别是卫星间时差的估计需要通过星间链路传输用于相关的信号，因此工程实现的性价比太低，至今尚没有研制出成熟的系统。,(10-33),由于卫星的位置坐标已知，信号到达不同卫星的时差可以通过信,10.6多站无线电测距定轨原理,10.6.1多站无源定轨,如果在待测卫星的可视区域内建立多个接收站，同时接收星上转发下行的某个信号，则可以利用不同位置接收站得到的时差参数建立定位方程，实现对该卫星的无源测轨。如图10-11所示，四个地面接收站的坐标为(,x,i,，,y,i,，,z,i,)，则地面站到待测卫星,S,(,x,，,y,，,z,)的斜距,(10-34),10.6多站无线电测距定轨原理10.6.1多站无源,利用四站同时接收该卫星上的某个非单频信号，可以通过信号的相关处理估计出任意两个站间的时间差，形成多个时间差方程：,c,D,t,m,=,d,i,d,j,(,i,j,m,=1，2，3，4,i,j,)任意选取其中三个都为线性独立方程，可以构成非线性定位方程组，求解过程中需要进行伪线性化，而且大气折射、测量误差、站址误差等系统误差都会直接影响最终的定位精度。,利用四站同时接收该卫星上的某个非单频信号，可以通过信号的,图 10-11多站无源测轨示意图,图 10-11多站无源测轨示意图,通过频率差的测量也可实现定轨。在图10-11中，假定卫星具有一定的漂移速度矢量,v,S,=,v,x,i,+,v,y,j,+,v,z,k,，定义从接收站指向卫星的单位矢量为则卫星漂移速度矢量对到接收站的信号引起的多普勒频率为其中，,f,s,是信号的频率。与时间差相似，我们可以估计得到四个站之间的多普勒频率差别如下：,(10-37),(10-36),(10-35),通过频率差的测量也可实现定轨。在图10-11中，假定卫星,10.6.2站间同步,无源测轨过程隐蔽，但需要寻找符合要求的非单频信号，且各接收测量站之间必须拥有较高的时间同步精度，主站与副站都需要配备高精度的原子钟。由于不同原子钟存在钟差,往往利用卫星双向时间频率传递(TWSTFT)法进行校准。地面站主站和一个副站双方均在同一本地钟面时刻向卫星通信转发器发射时标信号，并接收对方由卫星转发的信号，测量出信号到达时的本地钟面时刻。副站将观测数据通过通信链路传输到主站，主站的试验处理分析系统对数据进行收集处理，获得两地的钟差，从而完成地面系统时间同步。由于信号由,A,到,B,、,C,、,D,和由,B,、,C,、,D,到,A,的传播路径基本相同，影响时延计算的各种误差基本上相互抵消，因此采用该方法进行时间比对能达到很高的测量精度(15 ns)。,10.6.2站间同步无源测轨过程隐蔽，但需要寻找符合,如果掌握了时间同步卫星星钟(如BD-2导航卫星的星钟)与地面站之间的钟差，还可采用卫星双向无线电测距共视法，即如果两个地面站同时对一颗卫星进行双向时间比对(共视)，就可以采用两者相减的办法，扣除卫星钟差的影响，给出两测站之间的钟差。该方法与TWSTFT法具有相同的时间同步精度。一般来说，采用TWSTFT法钟差测定不确定度小于或等于2 ns。为确保系统的同步精度，要进行多站间的卫星双向时间频率传递，系统建设初期尽可能对异地站进行交换钟验证。,如果掌握了时间同步卫星星钟(如BD-2导航卫星的星钟)与,10.6.3多站有源测轨,如果测轨信号由主站1自主发射，则卫星到地面站的斜距为求解多站斜距构成的方程组即可获得卫星的即时位置。由于主站到卫星的斜距可以通过自发自收精确测量，且主站发射的信号往往经过特殊设计而有利于时差测量，因此四个接收站将具备很高的信号时差测量精度，且站间同步的精度也不再直接影响定轨精度，因此经过12 h以上的测量数据可以达到1 km左右的测轨精度。,(10-38),10.6.3多站有源测轨如果测轨信号由主站1自主发射,10.7卫星信号监测与干扰定位系统,10.7.1双星定位系统国内外发展情况,对非合作上行信号的定位主要是用于卫星的安全防护、在轨卫星的频谱资源管理、发射站的态势情报侦察等目的。不管是我国当前在轨运行的卫星还是要侦察利用的敌方卫星，都不具备安装星载设备的条件，而双同步卫星定位体制在定位条件方面容易满足，且定位精度等综合性能较好，因此得到了广泛的研究和应用。国外对卫星上行信号定位问题的研究起步较早，现有比较成功的卫星干扰源定位系统主要有英国的SatID系统、美国的TLS 2000系统和法国的HyperLoc系统。三套系统的核心处理技术都是利用上行信号通过双同步卫星引起的时差/频率差进行定位，然后根据具体情况采取有效的手段进行查证。,10.7卫星信号监测与干扰定位系统10.7.1双星定,1982年，英国国防评估研究局(Defense Evaluation and Research Agency，DERA)开始研究利用时间差和频率差进行UHF频段移动通信信道的干扰定位问题，S.Stein等人对利用模糊函数估计时间差和频率差参数开展了大量的模型和方法研究；1986-1990年又开展了利用SHF频段的卫星信道进行干扰源定位的研究；1993年开始，以DERA为主的EUTELSAT研究小组对卫星干扰源定位的各种关键技术进行了详细的研究，D.P.Haworth、N.G.Smith等人分析设计了系统模型与框架。,1982年，英国国防评估研究局(Defense Eval,在这些研究的基础上，DERA与英国Merlin国际通信有限公司合作，联合生产了相应的定位系统SatID。配置相应频段的射频前端后，SatID系统可以在几分钟内完成对卫星上行信号的定位，误差为5100 km，现在已经在欧洲、北美、新加坡等地进行了部署。作为卫星技术领先的国家，美国在卫星上行信号定位研究方面起步比英国更早。20世纪70年代末，美国麻省理工学院(MIT)的林肯实验室就开展了利用卫星对地面发射源进行定位的研究工作。该研究的初始定位目标是地面的跳频发射源，虽然在1986年的“Captain Midnight”事件发生之后，主要研究方向转向了卫星干扰源定位，但原有研究仍在继续，Alexander Sonnenschein 等人还就此发表了专门的研究文章。,在这些研究的基础上，DERA与英国Merlin国际通信有,1987年，美国海军航空指挥部与DERA联手，开展了UHF卫星信道的干扰源定位技术研究。另外，美国海军研究生院自20世纪90年代以来持续研究利用时间差和频率差的定位技术。1996年、1997年和2000年，利用双同步卫星进行上行信号定位的关键技术在美国和欧洲申请了专利，标志着整个定位系统的核心技术已经成熟。此后，具有美国军方背景的Interferometrics公司将上述研究和关键技术成功进行了系统设计和产品定型，并于1999年推出了商业化定位系统TLS Model 2000。该系统在美国本土进行了部署。该系统定位时间通常为30 min以内，定位误差为520 km。图10-12是其设备组成框图。,1987年，美国海军航空指挥部与DERA联手，开展了UH,图 10-12TLS Model 2000设备组成框图,图 10-12TLS Model 2000设备组成框图,2004年，法国THALES Land&Joint宣布研制成功了一套卫星频谱监测和上行信号定位设备HyperLoc系统，该系统主要由THALES公司的合作承包商法国的Nova Grid公司研究完成频谱分析、上行信号定位、信号仿真分析等核心处理软件，具备卫星频谱监测和转发器分析能力，可以在515 min内处理完成几秒的信号数据，在L频段的典型定位误差为80 km，在Ku频段的典型定位误差为150 km。由于该技术可以直接应用于对军事目标上行信号的定位，具有良好的军用价值，因此上述几套系统都对其核心处理技术申请了专利保护，并对中国(特别是军方)保密，所以我们很难获得核心处理技术的相关资料。国内对该定位体制的研究开展较少，只有西南电子电信技术研究所开展了系统研制工作，2005年9月研制成功了STD“天眼”系统(别名)，并几经改进。,2004年，法国THALES Land&Joint宣,10.7.2美国的TLS Model 2000系统,TLS Model 2000系统设备包括一个标准的19英寸设备机架(主设备机架)、一个独立的服务器计算机(TLS服务器)以及一个或多个操作员工作站。图10-12是一个TLS Model 2000系统的硬件组成框图，显示了系统硬件之间的连接关系。,1.各部分组成及功能,1)TLS Model 2000主设备机柜 TLS Model 2000系统主设备机柜中的设备选择和接收C波段、Ku波段射频输入和经相应下变频器转换为9501450 MHz范围的信号，供TLS系统使用。,10.7.2美国的TLS Model 2000系统T,2)TLS服务器 TLS 服务器是以Oracle 8.0建立的TLS数据库的主机，其主要功能包括：(1)接收来自TLS GUI工作站的测试参数，并将测试指令发送到TLS Model 2000主设备机柜执行。(2)处理 TLS Model 2000设备返回的数据，以确定未知信号的定位过程。3)TLS的操作员工作站操作员工作站是工作站级PC计算机，它是TLS GUI的主机，提供TLS Model 2000 系统的操作接口。操作员工作站还装有标绘和显示位置椭圆的地理信息系统。,2)TLS服务器 TLS 服务器是以Orac,2.TLS Model 2000 工作流程,1)计划TLS对话首先，操作员掌握干扰信号(未知信号)所在卫星(称为主卫星)转发器和本振。了解未知信号的特征，即下行中心频率、调制带宽、占空比(间歇性信号)和频率的流动特征(扫频信号)。根据这些信息，操作员选择适当的测量参数以优化定位地理信息。(1)邻近卫星的选择。选择邻近卫星的主要原则是：与主星有相同的上行频率范围；与主星有相同的上行极化；定位站在邻近卫星的下行波束覆盖内；,2.TLS Model 2000 工作流程1),与主星有相同的上行波束覆盖；与主星同在地球静止轨道一定角度内。此外，要考虑是否有足够的相位校准和位置校准信号、主星与邻星获取高精度星历的可能性以及FDOA灵敏度等因素。(2)FDOA定位线。另外一个因素可能会影响到邻星选择的是卫星测量时间FDOA的方向。与TDOA不同，给定卫星的FDOA是一个在轨道周期(1天)内方向显著变化的过程。简单地说，如果采取TLS测量，FDOA几乎平行于TDOA，由此产生的位置椭圆带将沿固定TDOA线被拉长。在这种情况下，操作员应当既考虑选择不同的卫星，或安排在相邻的时间段频差联合一致的方向进行更加有利的附加测量。搜索地图功能是选择最佳时间进行这种测量的有利工具。,与主星有相同的上行波束覆盖；与主星同在地球,2)系统设置和数据采集(1)系统初始化。TLS Model 2000系统在操作界面启动时自动初始化。(2)选择射频波段。选择下行射频波段(或射频子频带)，如标准C或Ku波段。(3)射频源的选择。指定两个射频源供TLS处理。射频源由两部分组成：卫星信号和RF输入。卫星信号包括卫星、下行频段和极化。RF输入源指接收天线和极化。(4)导入卫星星历文件。(5)确定频偏。(6)选择和测量相位校准信号。选择已知位置的信号进行相位校准测量。,2)系统设置和数据采集(1)系统初始化。TLS,(7)检测和测量未知信号。获得相位校准信号后，可检测和测量未知信号及位置校准信号。(8)选择和测量位置校准信号。TLS Model 2000通过测量