CN101915928A

CN101915928A - 双星时差/频差联合定位的方法及装置

Info

Publication number: CN101915928A
Application number: CN 201010227616
Authority: CN
Inventors: 龙宁; 代苏杰; 吕泽均; 周李春
Original assignee: CETC 10 Research Institute
Current assignee: CETC 10 Research Institute
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2030-07-14
Also published as: CN101915928B

Abstract

本发明提出了一种双星时差/频差联合定位的方法及装置，利用本方法可提高计算效和时差和频差的测量精度。本发明通过下述方案予以实现：①时差-频差联合粗估计，计算A(τ，f)＝FFT{r(n；τ)}，τ＝τ1，τ2，Λ，τM。对每一次搜索时差，直接对合成信号

测载频，并标记频谱幅度值和时差值，找出最大位置。②对合成信号

抽取滤波后测载频，粗估计频差。③在粗测频中的估计值的邻域内精确计算频差，精确估计频差。④在粗测时差中的估计值的邻域

内精确计算时差，精确估计时差。⑤精估计时差用相关法估计时差的时间分辨率1/Ts，用插值提高时差估计精度，Ts是信号的采样间隔。本发明利用高采样率的信号计算时差，用低采样率的信号计算频差，时域处理和频域处理相结合，解决了计算效率和时差、频差的测量精度。

Description

双星时差/频差联合定位的方法及装置

技术领域

本发明是关于利用两颗卫星，通过测量地面(或海上)同一个辐射源的达到时差和到达频差信息来实现对信号精确定位的方法及装置。更具体地说，本发明是双星时差/频差联合定位方法及装置。

背景技术

随着电子干扰和反辐射导弹等雷达对抗技术的迅速发展，以雷达为代表的有源探测定位受到越来越严重的挑战。因此无源定位系统成为了军事领域目前研究关注的热点。无源定位系统是自身不发射辐射源，通过采集目标辐射信号来进行定位的一种传感器系统。由于无源定位方法具有能在自身不辐射的条件下，隐蔽地确定辐射源的位置，具有作用距离远、抗干扰能力强，隐蔽接收、不易被对方发觉的优点，对于提高系统在电子战环境下的生存能力和作战效能具有十分重要的作用，在机载电子侦察设备中具有重要的应用价值。因此无源定位技术的研究越来越受到各国的重视。

无源定位有三种基本定位体制：有三种基本定位体制：无源测向定位体制、无源测时差定位体制以及测时差测频差联合定位体制。测向交叉定位体制要求系统具有很高的测向精度，在目前工程可实现的测向精度条件下定位精度低。被动时差定位体制的定位精度高，但时差定位系统至少需要三个定位站，设备复杂。双站时差与频差联合定位体制与前两种体制相比，只需要两个定位站，具有定位精度高、设备复杂度低、成本低等优点。但双站时差与频差联合定位体制对时差和频差的测量精度要求很高，用通常的复模糊函数法计算时差和频差时计算量大，运算速度低，不能满足实时处理要求，难以工程化实现。

针对无源时差定位、无源频差定位以及时差频差联合定位的时差频差测量问题，最近又提出了一种双星时差/频差定位系统。双星定位是利用位置、姿态信息已知的两颗低轨卫星通过测量地面同一辐射源发射信号的到达时间差和达到频率差对辐射源进行定位的一种无源定位系统。由于双星时差、频差联合定位系统要求频差估计精度需达到Hz级，用通常的直接测频算法难以达到要求。

根据信号最优线性处理理论，对信号进行匹配或相关处理可以得到最优检测性能，而且利用信号的相关特性进行时差—频差联合估计，具有很高的估计精度。

若主站接收的辅站转发的辐射源信号为：

r (t) = cu (t - τ_{0}) e^{i 2 π f_{0} t} + n (t), 0 \leq t \leq T - - - (1)

其中：u(t)是主站接收辐射源的直达信号，n(t)是零均值白噪声，τ₀是待估计时延，f₀是待估计多谱勒频移。

根据信号最优线性处理理论，对r(t)进行匹配或相关处理可以得到最优检测性能，匹配滤波器的输出：

A (τ, f) = | {&Integral;}_{0}^{T} u (t) r * (t + τ) e^{- j 2 πft} dt | - - - (2)

若没有噪声干扰，在τ＝τ₀，f＝f₀时A(τ，f)取得最大值。

这种联合估计的优点是无需知道信号的调制方式，可以对任意信号进行估计；但需要进行二维搜索，计算量大，可以通过变步长搜索以减小计算量。由于模糊函数的计算量很大，实时计算和硬件实现都较困难，迄今为止已有许多改进算法。因为模糊函数

A (τ, f) = {&Integral;}_{0}^{T} s_{1} (t) s_{2}^{*} (t + τ) e^{- j 2 πft} dt - - - (3)

= {&Integral;}_{0}^{T} r (t; τ) e^{- j 2 πft} dt, r (t; τ) = s_{1} (t) s_{2}^{*} (t + τ)

其中：

(a)r(t；τ)定义为信号s₁(t)，s₂(t)的混和积；

(b)s₁(t)是辐射源的发射信号，s₂(t)是反射回波信号，且

，τ是时延，f_d是多谱勒频率。

所以，A(τ，f)是r(t；τ)的傅立叶变换，r(t；τ)是复信号，并且，A(τ，f)的最大峰值处所对应的时延和频率就是信号的真实时延和多谱勒频率的相反数。因此，可以利用FFT计算模糊函数可以大大减小计算量。

由于FFT的频率分辨率为1/T，T是信号的积分时间，为了增大积分时间，将r(t；τ)先通过一个低通滤波器并降低采样率后再计算FFT可以进一步提高测频精度。然而，这种方法在双星(站)时差、频差联合定位系统中并不适用。

双星(站)时差、频差联合定位系统的最大多谱勒频移为20KHz左右，但要求积分时间小于100ms，采用FFT方法的频率分辨率为10Hz，不能满足频率精度小于1Hz的要求，因此，上述算法只适用于多谱勒频移较小或多谱勒频移变化缓慢或测频精度要求不高时的场合。

发明内容

为了克服测向交叉定位的定位精度低、三站时差定位的设备复杂的缺陷，提高定位精度，减小定位设备的复杂度，降低定位设备的功耗，本发明提出一种具有定位精度高、覆盖区域大、实时性好，实用快速，能够有效缩短模糊函数计算时间的双星时差/频差联合定位的方法及装置。

本发明的目的可以通过以下措施来达到。本发明所提出的一种双星时差/频差联合定位的方法，包括如下步骤：

①时差-频差联合粗估计，计算A(τ，f)＝FFT{r(n；τ)}，τ＝τ1，τ2，Λ，τM；其中：

(a)r(t；τ)定义为信号s_r(t)，s_d(t)的混和积；

q＝M/2，τ＝τ1，τ2，Λ，τM，τ∈[0，M]，M为时延搜索次数。

(b)s_d(t)是辐射源的发射信号(主站信号)，s_r(t)是反射回波信号(辅站信号)；

对每一次搜索时差，直接对合成信号

测载频，并标记频谱幅度值和时差值，找出最大位置

②对合成信号

抽取滤波后测载频，粗估计频差；

③在粗测频中的估计值的邻域

内精确计算频差，精确估计频差；

④在粗测时差中的估计值的邻域内精确计算时差，精确估计时差；

⑤精估计时差

用相关法估计时差的时间分辨率1/Ts，用插值提高时差估计精度，Ts是信号的采样间隔。

本发明相比于现有技术的有益效果在于：提高了计算效率，保证了时差和频差的测量精度。本发明利用高采样率的信号计算时差，用低采样率的信号计算频差，时域处理和频域处理相结合，解决了计算效率和时差、频差的测量精度。计算机仿真实验表明，本发明定位精度高、覆盖区域大、实时性好、运算速度快。实用快速的计算算法的时差、频差测量精度和定位精度高，外场试验验证了其有效性和正确性

本发明提出一种双星时差、频差联合定位方法，能够满足实时处理的要求，可广泛应用于航海、航空、宇航、侦察、测控、救援和地球物理学等各类军、民用系统，并可以直接应用于卫星、地面、机载、舰载等平台上。

附图说明

下面结合附图和实施举例对本发明进一步说明。

图1是本发明双星时差、频差联合定位方法示意图。

图2是本发明双星时差、频差联合定位装置图。

图3是本发明双星时差、频差联合定位装置在外场试验中的时差测量误差分布图。

图4是本发明双星时差、频差联合定位装置在外场试验中的频差测量误差分布图。

图5是本发明双星时差、频差联合定位装置外场试验中的试验相对定位误差分布图与理论相对定位误差(相对CEP)分布图。

具体实施方式

图1描述了双星时差、频差联合定位方法示意图。在图1中，具体实施步骤如下：(1)用超外差接收机接收主星和辅星上收到的射频信号，并将其变到某一中频上，得到中频信号A、B；(2)用模数转换器对主星和辅星上收到的A、B进行采样，得到C、D；(3)用数字下变频器对C、D进行正交变换，得到E、F；(4)用数字滤波器对E、F进行低通滤波，得到G、H；(5)在FPGA内利用下述方法进行时差、频差测量，得到时差、频差I、J。

针对双星时差、频差联合定位系统的多谱勒频移大、多谱勒频移变化迅速的特殊应用环境和测频差精度要求高的特殊要求，在FPGA内进行时差、频差测量，得到时差、频差I、J的方法如下：

①时差-频差联合粗估计，计算A(τ，f)＝FFT{r(n；τ)}，τ＝τ1，τ2，Λ，τM。其中：

(a)r(t；τ)定义为信号s_r(t)，s_d(t)的混和积；

q＝M/2，τ＝τ1，τ2，Λ，τM，τ∈[0，M]，M为时延搜索次数。

对每一次搜索时差，直接对合成信号

测载频，并标记频谱幅度值和时差值，找出最大位置

②对合成信号

抽取滤波后利用FFT测载频，粗估计频差。

③在粗测频中的估计值的邻域

内精确计算频差，精确估计频差，计算方法如下：

θ = 2 πf (n + {\hat{τ}}_{d 0}) T_{s}

r(n)＝s_d(q+n)*e^jθ

A_{f \max} = \underset{N, f}{Σ} s_{r} (n + {\hat{τ}}_{d 0}) r^{*} (n)

其中：

n＝1，2，Λ，N

q＝M/2

④在粗测时差中的估计值的邻域

内精确计算时差，精确估计时差，计算方法如下：

θ = 2 π {\hat{f}}_{d 1} (n + τ) T_{s}

r(n)＝s_d(q+n)*e^jθ

A_{τ \max} = \underset{N, τ}{Σ} s_{r} (n + τ) r^{*} (n)

其中：

n＝1，2，Λ，N

q＝M /2

⑤精估计时差

由于利用相关法估计时差的时间分辨率为1/Ts，Ts是信号的采样间隔。可以利用插值来提高时差估计精度，可采用Lagrange插值、Newton插值、Hermite插值及样条插值等。设沿

作模糊函数的时间截面，即得距离模糊函数R(τ)，取峰值点R(t₁)及附近的两个点R(t₀)，R(t₂)。利用Lagrange多项式对这三个点进行插值，Lagrange插值多项式为

R(t)＝at²+bt+c，

a = \frac{1}{2} [R (t_{2}) + R (t_{0})] - R (t_{1}), b = \frac{1}{2} [R (t_{2}) - R (t_{0})], c = R (t_{0})

因此，精确估计的时差为

\hat{τ} = {\hat{τ}}_{d} - \frac{b}{2 a}

(6)利用得到的I、J，在DSP内利用下述方法进行定位计算，对未知的辐射源位置进行定位。

在地固坐标系中，双星时差、频差联合定位方程为：

\{\begin{matrix} cΔt = | | r_{2} | | + d - | | r_{1} | |, r_{1} = P - M, r_{2} = P - N \\ cΔ f_{d} / f_{c} = V_{MP} - V_{NP} \\ = \frac{V_{Mx} (x - M_{x}) + V_{My} (y - M_{y}) + V_{Mz} (z - M_{z})}{| | r_{1} | |} - \frac{V_{Nx} (x - N_{x}) + V_{Ny} (y - N_{y}) + V_{Nz} (z - N_{z})}{| | r_{2} | |} \\ = \frac{V_{M} r_{1}^{T}}{| | r_{1} | |} - \frac{V_{N} r_{2}^{T}}{| | r_{2} | |} \\ x^{2} / a^{2} + y^{2} / a^{2} + z^{2} / (a^{2} (1 - e^{2})) = 1 \end{matrix} - - - (4)

其中：

(a)辐射源坐标为P＝[x y z]，主星坐标为

辅星坐标为主星速度为

辅星速度为

P＝[x y z]为待求的未知数。

(b)r₁和r₂分别是辐射源P到主星M和辅星N的距离；V_MP为M向P靠近的速度，V_NP为N向P靠近的速度；

(c)a为地球长轴，e²为第一偏心率平方；

(d)Δt和Δf_d为时差和频差，f_c为信号载频，c为光速，d为双星距离。在地平坐标系中，双站时差/频差联合定位方程为：

\{\begin{matrix} cΔt = | | r_{2} | | + d - | | r_{1} | | \\ cΔ f_{d} / f_{c} = V_{PM} - V_{PN} \\ = \frac{V_{Px} (M_{x} - x) + V_{Py} (M_{y} - y)}{| | r_{1} | |} - \frac{V_{Px} (N_{x} - x) + V_{Py} (N_{y} - y)}{| | r_{2} | |} = \frac{V_{P} r_{1}^{T}}{| | r_{1} | |} - \frac{V_{P} r_{2}^{T}}{| | r_{2} | |} \\ r_{1} = M - P, r_{2} = N - P \end{matrix} - - - (5)

其中：

(a)设辐射源坐标为P＝[x y h]，主站坐标为

辅站坐标为

辐射源速度为

x，y为待求的未知数。

(b)r₁和r₂分别是辐射源P到主站M和辅站N的距离；V_PM为P向M靠近的速度，V_PN为P向N靠近的速度；

(c)Δt和Δf_d为时差和频差，f_c为信号载频，c为光速，d为主、辅站间距。

解(5)式即可对未知的辐射源进行定位。

图2是本发明双星时差、频差联合定位装置图。该装置由1片DSP、2片FPGA、1片模数转换器、2片SDRAM和1个电源模块组成。电源模块将28V转换为5V、3.3V、2.5V和1.8V，给DSP、FPGA、模数转换器和SDRAM供电。主星收到的信号A通过星间数传LVDS接口传送到辅星上的双星时差、频差联合定位装置中。辅星上的双星时差、频差联合定位装置用FPGA(现场可编程门阵列)上的同步串口接收A。辅星上利用一个ADC(模数转换器)直接中频采样辅星的模拟中频信号得到B。用数字下变频器对A、B进行正交变换，得到C、D。用数字滤波器对C、D进行低通滤波得到E、F。利用SDRAM存储器缓存E、F。从SDRAM存储器中读出E、F，在2片FPGA内共同完成时差、频差测量，得到时差、频差G、H。利用得到的G、H，在DSP(数字信号处理器)内进行定位计算，对未知的辐射源位置进行定位。该装置中所用到的步串口、数字下变频器、数字滤波器都在FPGA内实现。

本发明双星时差、频差联合定位装置具有电路结构简单、元器件少，功耗低的特点，时差、频差联合定位方法全部由硬件实现，计算速度快，能够满足实时处理的要求。

图3～图5是本发明双星时差、频差联合定位装置在外场试验中的测试结果。

图3是本发明双星时差、频差联合定位装置在外场试验中的时差测量误差分布图，其中横坐标采样序号指第几次时差测量，纵坐标是时差测量误差，单位是纳秒，图中可以看出时差测量误差集中在50纳秒以内，中间值(小圆圈表示)表示所有时差测量误差中的中间值，从图中可以看出中间值为20纳秒左右。

图4是本发明双星时差、频差联合定位装置在外场试验中的频差测量误差分布图，其中横坐标采样序号指第几次频差测量，纵坐标是频差测量误差，单位是赫兹，图中可以看出频差测量误差集中在1赫兹以内，中间值(小圆圈表示)表示所有频差测量误差中的中间值，从图中可以看出中间值为0.7赫兹左右。

图5是本发明双星时差、频差联合定位装置在外场试验中的定位误差分布图。图中的圆点和方框分别表示试验相对定位误差与理论相对定位误差，即相对圆概率误差(相对CEP)。根据外场试验中的时差、频差测实测值(含有测量误差和系统误差)推算出的理论绝对定位精度，即圆概率误差(CEP)和理论相对定位精度，即相对圆概率误差(相对CEP)。从图中可以看出，试验相对定位误差集中在2％以下，并且，试验相对定位误差与理论相对定位误差上一致的，验证了双星时差、频差联合定位方法的有效性和双星时差、频差联合定位装置的有效性。