CN106688328B - 卫星两维超长基线相差无源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种卫星两维超长基线相差无源定位方法，该方法在卫星上对地安装三副相同的定位天线，形成等腰直角三角形布局，两条直角边组成两维定位基线，对于高频段，拟在单星上构建天线阵，对于低频段拟在三颗卫星上，分别安装一副相同的定位天线，利用三星绕飞编队飞行，构建低频段两维定位基线。三副天线同时接收目标辐射信号，经过放大和数据采集；终端进行测量、处理，得到信号分别到达两条基线端点的相位差，利用该相位差解算目标在地球上的位置；并利用软件解相差测向的多值模糊，实现无源定位。本方法实现了卫星对地面辐射源高精度定位，系统简单，频域覆盖宽，地域覆盖范围大，定位精度达到1km以内。

Description

卫星两维超长基线相差无源定位方法

技术领域

本发明属卫星无源定位技术领域，卫星两维超长基线相差无源定位方法。

背景技术

卫星无源定位是利用卫星接收目标自身辐射无线电信号对目标进行定位，具有作用距离远、隐蔽性好等特点，因此得到广泛应用。卫星无源定位技术一直是卫星应用技术研究的热点之一。目前卫星无源定位通常可分为单星体制和多星体制。单星体制是采用瞬时测向法对目标定位，基本方案主要有三种。

1)幅度法测向：幅度法测向是利用多副天线(阵)在同一位置，同时接收同一信号，并且使得不同天线(阵)的幅度方向图产生差异，形成不同天线(阵)接收到信号的幅度差是信号到达角(AOA)的函数，利用测量信号幅度差对目标进行瞬时测向定位。常用的方案有比幅、幅度和差等体制。幅度法测向性能主要决定于天线的幅度方向图特性，一般幅度差随信号到达角的变化梯度很难做大，所以幅度法测向的精度较低，在500km轨道高度卫星，定位精度在数十公里，另外由于天线形式和方向图与信号的频率有关，要得到较好的定位性能的幅度法测向系统，往往频带就不能做到很宽。

2)相位法测向：相位法测向是利用多副天线(阵)在卫星的基准面上拉开一定的距离，组成定位基线(基线长度为d)，同时接收同一信号，不同位置的天线(阵)接收到信号相位不等，其相位差φ是信号到达角θ(AOA)的函数；设信号到达不同天线A和B的传输距离差AC为L，信号到达角为θ，得到

L＝dCosθ

则信号传输的相位差为

φ＝2πdCosθ/λ

式中λ为信号波长。根据测量的相位差就能对目标瞬时测向定位，常用的方案有比相、相位和差等体制。相位法测向性能主要决定于基线长度对信号波长的比值(d/λ)，一般相位差随信号到达角的变化梯度是d/λ的函数，即

dφ/dθ＝-2πdSinθ/λ

利用增加基线长度可以提高相位法测向的精度，一般说来相位法测向精度较高，在500km轨道的卫星，定位精度在数公里量级；但是由于信号幅度变化随相位变化呈周期性变化，增加基线长度带来测向解的多值性严重，从而使得解多值模糊困难；又由于相位差梯度函数与信号波长有关，同样，要得到较好的定位性能的相位法测向系统，往往频带也不能做到很宽。

3)时差法测向：时差法测向原理与相位法测向相似，相位法是利用不同位置天线接收信号相位延迟的差异测向，而时差法测向是利用不同位置天线接收信号群延迟的差异测向。时差法测向也是利用多副天线(阵)在卫星的基准面上拉开一定的距离(基线长度d)，同时接收同一信号，不同的天线(阵)接收，得到的信号时差τ是信号到达角θ(AOA)的函数即

L＝dCosθ

τ＝dCosθ/c

式中c为光速。根据测量的时差就能对目标瞬时测向定位。时差法测向性能主要决定于基线长度d，时差随信号到达角的变化梯度是d的函数，即

dτ/dθ＝-dSinθ/c

利用增加基线长度可以提高时差法测向的精度，由于增加基线长度受到卫星本体构形的限制，所以在单星上时差法测向常称为短基线时差测向，短基线时差测向由于时差量很小，而要求的时差测量精度很高，技术难题也很大，在500km轨道卫星，单星短基线时差定位也在数十公里以上，但时差法与信号波长没有关系，时差法测向的频带可以做到很宽。

多星无源定位体制是利用多颗卫星组成星座，由星座卫星间距构成定位基线，使基线长度大大增加，主要方案有两种。

1)三星时差定位方案：三星时差定位方案是由三颗异轨卫星组成三角形构形同向同步运行，通过测量信号到达三星的时间差，实现对地面目标瞬时时差定位。为了保持星座构形的稳定性，卫星轨道通常采用临界倾角(63.4度)圆轨道，三星异轨星座构形是形状周期变化的三角形，同轨卫星间距保持不变，异轨卫星在两颗同轨卫星之间左右相对穿行，当运行到轨道交会处，三角形构形就变成直线。利用三星位置连线就组成两条相交的时差定位基线，一条基线测得到时差在平面内的等时差线为双曲线簇，等时差线在空间形成旋转双曲面簇；在三颗同向同步飞行的卫星上分别测量信号的到达时，一次测量可得到两个独立的时差，分别对应两叶旋转双曲面，两叶旋转双曲面与地球表面相交，在卫星可见范围的交点即为目标的位置。

三星时差定位由于基线较长，定位精度有了提高。目前在100公里基线长度，时差精度100ns的情况下，该方案的定位精度在4公里量级。定位最佳区域是在星下点附近，因此这种定位方案是以侦收目标天线副瓣信号为主，具有截获概率高的优点，但对系统灵敏度要求较高。三星时差定位精度与三星异轨星座构形关系很大，包括基线的长度和三角形的形状，由于三星异轨同步运行星座无法始终保持最佳的定位构形，特别在高纬度地区(即轨道交会区域，三角形构形呈直线)，定位精度很差。因此三星异轨同步飞行星座构形的设计、建立和保持非常关键；另一方面，数据的定位处理也是一项复杂的技术，如何用数据处理方法来提高定位精度也是核心技术之一。

2)双星时差频差定位方案：双星时差频差定位方案是由两颗同轨卫星保持一定的距离同向同步运行，组成双星同轨星座，双星位置连线组成定位基线，在两颗同向同步运行的卫星上分别测量信号的频率和到达时，由于目标相对两星的径向速度一般不同，信号多普勒频率不等，两星测得的信号频率也就不等；又由于目标到两星的距离一般不等，两星测得信号的到达时不同；利用测量信号到达双星的频率差和时间差也能实现对目标的瞬时定位。双星时差频差定位的等时差线在平面上的形状为双曲线簇，等频差线在平面上的形状为“8”字形封闭曲线簇，两簇曲线正交，封闭曲线簇的两个汇聚点为双星位置。

双星一次测量可得到一个时差和一个频差，一个时差对应一叶旋转双曲面，一个频差对应一个“8”字形的旋转封闭曲面，两个曲面与地球表面相交得到对称的两个交点，其中一个交点就是目标的位置，另一个是可剔除的虚假目标。

双星时差频差定位需要的卫星数量少，同样实现瞬时定位，而且在基线100公里左右，时差精度100ns，频差精度在Hz量级，定位精度也能达到数公里量级。另一方面，双星时差频差定位方案的定位精度最佳区域是在基线地面投影的两侧，而不是在星下点附近，因此该定位方案能适应侦收目标天线的主瓣辐射信号，可以降低系统的高灵敏度的压力，同时该系统还可用来侦察目标天线的主瓣特征，获取更多技术参数，对目标识别更为有利，但是要达到Hz量级的频差测量精度，技术难度较大。

综上背景技术所述，现有卫星无源定位的精度受到很大限制，一般定位精度在数公里～数十公里水平，还不能完全满足应用的需求。另一方面现有的定位系统复杂，卫星重量在500公斤以上，定位精度较高的卫星重量要达到2吨以上，同时测量数据量大，数据处理方法复杂。

发明内容

本发明所要解决的问题是现有卫星无源定位的精度受到很大限制，一般定位精度在数公里～数十公里水平，还不能完全满足应用的需求。另一方面现有的定位系统复杂，卫星重量在500公斤以上，定位精度较高的卫星重量要达到2吨以上，同时测量数据量大，数据处理方法复杂。

本发明提出一种卫星两维超长基线相差无源定位方法，该方法对于低频段采用三颗卫星编队飞行构建两维超长基线，三颗卫星呈等腰直角三角形构形编队飞行，其中一颗卫星设计为中心卫星，另外两颗卫星设计为绕飞卫星，在每颗卫星对地面上分别安装一副相同的测向定位天线，使得三副天线组成两维超长基线等腰直角三角形天线阵。

对于高频段采用在单颗卫星上安装三副相同的对地测向天线，天线用伸展机构拉大天线间距离，并同样呈等腰直角三角形构形，组成超长基线测向定位天线阵；三角形的两条直角边构成两维测向定位的基线，两维超长基线的长度(即三角形的两条直角边)设计满足d/λ大于20以上(d为基线长度，λ为信号波长)；天线波束都对地，接收地面的辐射源信号，两维超长基线相差测向定位系统由四部分组成：天线阵、接收机、参数测量和数据处理。

本发明采用两维超长基线测量信号到达的相差，实现卫星对地面辐射源高精度定位，有效的克服了卫星无源定位技术难度大，系统复杂，定位精度低的技术的瓶颈。取得了系统简单，频域覆盖宽，地域覆盖范围大，定位精度达到1km以内的有益效果。

本项发明采用超长基线测量信号相差进行无源定位，使得卫星无源定位精度取得突破，把卫星无源定位精度提高到1km以内。

本项发明采用球坐标系，推出卫星两维定位解析数学模型，使得卫星两维定位处理简单，为采用软件解模糊提供了有利条件。

本项发明在相差定位的瓶颈技术-解多值模糊技术上取得突破。相差测向定位精度高，但其多值性的解模糊一直是提高定位精度的瓶颈，因为提高精度需要拉大基线长度，必然带来定位多值性严重，通常采用多基线方案解模糊，使得天线数量和接收通道数成倍增加，星上硬件大幅度增加，导致卫星技术复杂，重量增大，成本升高；本项发明应用软件解模糊，突破解多值模糊的瓶颈，使硬件成倍减少，卫星重量大大减轻，卫星成本大幅度降低。

卫星无源定位具有覆盖范围宽，隐蔽性好，技术成熟而得到广泛应用，但是由于定位精度较低，往往不能满足用户需求，卫星应用受到一定限制。本项发明使卫星无源定位精度上升一个台阶，同时使空域覆盖能力和频域覆盖能力大大扩展，以软件解模糊替代硬件解模糊，系统简化，应用领域扩大，应用前景看好。

附图说明

图1 卫星两维超长基线相差定位天线示意图

图2 卫星两维超长基线相差定位技术原理框图

图3 两维超长基线相差数学模型坐标系

具体实施方式

如图1所示卫星两维超长基线相差定位天线示意图，图中是由三副相同天线组成的天线阵分别安装在测向定位的三个基准点，组成等腰直角三角形天线阵，要求三副天线方向图的一致性好；天线阵中两条直角边的端点天线分别组成两维正交的定位基线，基线的长度设计是测向定位方案的关键之一，需要根据定位精度要求、信号的波长、解模糊方案、系统的频域覆盖和空域覆盖要求等因素，进行综合研究。

如图2所示是卫星两维超长基线相差定位技术原理框图，图中包括接收机、参数测量仪、数据处理器。

接收机是用来对天线接收信号进行放大，通常采用信道化宽开折叠接收机方案，要求三路接收机的幅相特性的一致性好，经过放大的信号再送到参数测量设备。

参数测量是对三路信号分别进行信号的技术参数测量，并且对基线两端接收信号的到达相位差进行测量，然后再把测量数据送到数据处理设备。

数据处理主要是一台计算机，对测量数据进行各种处理，主要包括多信号的分选处理、相差配对处理、信号的技术参数处理、信号识别处理和定位处理和解模糊处理等过程。

两维超长基线相差测向定位是利用测量辐射源信号到达基线两端两副天线(定位基准点)的相位差测向，由于相位差是信号到达角和信号频率的函数，因此通过测量相差和信号频率就能对信号辐射源测向。由于信号相差随信号的到达方向的变化梯度大，相差测向精度较高，特别利用加大天线的间距，即增加基线长度，达到超长基线，可以进一步提高测向定位精度；再根据卫星测量平台相对于地面的位置就能实现对地面辐射源高精度定位。但是由于信号相位变化是以2π为周期而周期性变化，相差的测量值不能确定相差的真实值，而是以2π为周期的多值，多值就定出多个目标位置，因此出现相差测向存在多值模糊问题，要得出定位的真实解，就需要从多值解中解出真实解，即所谓解多值模糊，通常解模糊方法是增加天线和接收通道，采用多基线相关处理解出真实解；对于超长的定位基线，虽然定位精度高，但出现多值更多，解多值模糊问题将更加复杂。本发明采用软件解模糊方案，方法如下。

如图3所示，是两维超长基线相差数学模型坐标系，根据测得的一组相差Φ₁和Φ₂，计算所有可能的相差值，

即Φ₁+2k₁π＝2πd/λSinθCosφ (λ为信号波长，Φ₁为相差，k₁为整数)

天线S₀和天线S₂组成定位基线的相差为

Φ₂+2k₂π＝2πd/λSinθSinφ (λ为信号波长，Φ₂为相差，k₂为整数)

根据目标的定位数学模型

φ＝Arcctg(Φ₁/Φ₂)

并分别进行定位计算，算出所有的定位点，组成一组定位解，然后再对目标进行多次测量相差，可得到多组相差值，重复上述过程，可得到多组定位解，利用测量平台与目标位置有相对运动特性，根据真实目标多次定位的解必然收敛于真实目标位置，而虚假目标定位解必然呈发散状态，因此可以在所有定位解中解出收敛的定位解，即得到真实目标的定位解，达到解模糊的目的。

经过理论分析：考虑相差测量总误差为10°，当d/λ＝20时，则测向精度为0.083°，对于500公里轨道高度，定位精度约为0.73公里。当d/λ＝50时，则测向精度为0.033°，对于500公里轨道高度，定位精度约为0.3公里。经过计算机仿真，仿真结果与理论分析一致。

Claims (1)

1.卫星两维超长基线相差无源定位方法，其特征在于：定位体制为卫星测向定位，对于低频段采用三颗卫星编队飞行构建两维超长基线，三颗卫星呈等腰直角三角形，其中一颗卫星为中心卫星，另外两颗卫星为绕飞卫星，在每颗卫星对地面上分别安装一副相同的测向定位天线，使得三副测向定位天线组成两维超长基线等腰直角三角形天线阵；对于高频段采用在单颗卫星对地面上安装三副相同的测向定位天线，根据需要，测向定位天线用伸展机构拉大天线间距离，同样呈等腰直角三角形构形，组成超长基线测向定位天线阵；三角形的两条直角边构成两维测向定位的基线，两维超长基线的长度设计能满足d/λ大于20以上，其中，d为基线长度，λ为信号波长；

天线S₀和天线S₁组成超长基线的相差为

Φ₁+2k₁π＝2πd/λSinθCosφ其中，Φ₁为相差；k₁为整数；天线S₀和天线S₂组成超长基线的相差为

Φ₂+2k₂π＝2πd/λSinθSinφ其中，Φ₂为相差；k₂为整数；目标的定位数学模型为

φ＝Arcctg(Φ₁/Φ₂)

> $\begin{array}{cc}r=aCos\mathrm{\θ}-\sqrt{{\mathrm{Re}}^2-a^2{\mathrm{Sin}}^2\mathrm{\θ}}& a=h+\mathrm{Re},\end{array}$

超长基线相差定位的多值性采用计算机软件替代硬件解模糊方案：

步骤1、由k生成多值差；

步骤2、算出所有的定位点，组成一组定位解；

步骤3、对目标进行多次测量相差，得到多组相差值；

步骤4、重复上述过程，得到多组定位解；

步骤5、利用测量平台与目标位置有相对运动特性，根据真实目标多次定位的解收敛于真实目标位置，虚假目标定位解呈发散状态，解出收敛的定位解，即得到真实目标的定位解，达到解模糊。