CN109031198A - 一种利用非合作卫星信号实现定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用非合作卫星信号实现定位的方法，利用VLBI测量技术实现对非合作卫星信号的精密测定轨；利用无源雷达探测定位中的时差测量技术，获取三个以上卫星辐射源的非合作卫星信号到定位基准站与用户接收机的时延测量值，从而得到时差测量定位方程组，最终求解方程组得到用户位置。本发明在对卫星信号不解调的情况下，通过定位基准站与用户站同步采集非合作卫星信号，对采集数据进行二阶互模糊函数处理，从而实现非合作信号无源定位的目的。

Description

一种利用非合作卫星信号实现定位的方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及到一种利用非合作的卫星辐射源对目标用户进行定位的方法。

背景技术

传统的卫星导航系统是以合作方式观测卫星下行信号，利用信号的特征值测量接收机与发射机的伪距，从而求取目标接收机的位置。这类导航定位系统具有大区域覆盖、定位精度高等优点，在各领域中得到了广泛应用。但卫星导航系统也存在固有的脆弱性，其信号易受遮蔽或易受电磁干扰，因此，作为一种专用的导航定位系统，其服务能力存在较大的不确定性。

雷达领域最早提出利用非合作辐射源进行无源探测定位，由于接收站和发射站之间没有专门的物理链路进行时间同步与频率同步处理，从而视为非合作式无源定位，即基于外辐射源的无源雷达，其通过接收信号辐射源的直达波信号与空中运动目标的反射回波信号来实现对动目标的探测与定位。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种利用非合作卫星信号实现无源定位的方法，在对卫星信号不解调的情况下，通过定位基准站与用户站同步采集非合作卫星信号，对采集数据进行二阶互模糊函数处理，从而实现非合作信号无源定位的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)利用VLBI技术得到非合作卫星信号到多个VLBI测轨站的时延差，由此测定卫星的轨道，并根据测轨数据与动力学方程，外推预测卫星的轨道，形成卫星的轨道位置数据；

2)地面各VLBI测轨站间通过卫星双向比技术对实现高精度时间同步，其同步精度为1ns；以定位基准站时间为时间测量基准，定位基准站装置氢原子钟，并将时间溯源到UTC(NTSC)；用户与定位基准站间需要利用BPL定时接收机进行粗同步，同步精度优于1us；

3)定位基准站接收非合作卫星下行信号，对信号进行频谱检测，确定系统观测频点，将接收到的射频信号混频变为中频信号后进行数字采样，采集到目标信号并标记上采集时刻时间戳和频点信息；

用户根据西安数据中心发播的观测卫星信号频点，接收非合作卫星下行信号，将接收到的信号进行低噪放大后与本振信号混频为中频信号，对其进行采集，采集到目标信号并标记上采集时刻时间戳和频点信息；

4)西安数据处理中心将卫星坐标、定位基准站位置及其采集的数据根据时间顺序全部发播给用户，用户根据采集时间对定位基准站测量数据和自身测量数据进行数据处理与相关，得到卫星信号到达定位基准站与用户的时差测量值；

5)确定四颗及以上可观测非合作卫星后，对卫星进行定轨，定位基准站和用户分别采集非合作卫星下行信号；对定位方程组

进行线性化，通过迭代求解算出用户坐标(x,y,z)和定位基准站与用户之间的钟差t_u，其中，每颗卫星下行信号到定位基准站和用户接收机的时差测量值为τ_j，卫星坐标为(X_j,Y_j,Z_j)，j＝1,2,3,4…，定位基准站的位置坐标为(X₀,Y₀,Z₀)。

所述步骤1)的具体步骤如下：

1.1)VLBI测定轨系统中的三亚测轨站A、喀什测轨站B、吉林测轨站C，按西安数据处理中心发播的观测纲要，通过VLBI天线接收非合作卫星下行信号，将所接收的信号与本振信号进行混频，下变频为中频信号后经基带转换器，进行数字化采样后记录在数据记录设备上，数据记录设备对观测数据标记上观测时间，再将观测数据统一送往西安数据处理中心；

1.2)西安数据处理中心根据数据观测时间识别出各个测轨站同一时刻的数据，对数据做VLBI相关处理，计算得卫星发射信号的同一个波前到达各个测轨站的时间差Δτ_A,B、Δτ_B,C和Δτ_C,A；

1.3)三亚测轨站A、喀什测轨站B、吉林测轨站C将各自坐标发送至西安数据处理中心，根据卫星信号到各个测轨站之间的时间差，通过求解观测方程组得到卫星的坐标，所述的观测方程组为

其中，(X,Y,Z)为卫星坐标，各测轨站坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，i＝A,B,C，c为光速。

所述的步骤1)需要求解多个非合作卫星坐标时，重复执行步骤1.1)～1.3)，计算得卫星坐标为(X_j,Y_j,Z_j),j＝1,2,3,…。

所述的步骤4)中，假设定位基准站和用户的接收信号分别表示为x₁(t)、x₂(t)：

其中s(t)为非合作卫星所发信号的复包络，A为传播系数比值，D为信号间的相对时延，f_d表示信号间的频率差，w₁(t),w₂(t)为与信号一起被接收的观测噪声及干扰，[0,T)表示观测区间；

定位基准站接收信号x₁(t)与用户接收信号x₂(t)之间的二阶互模糊函数定义为x₁(t)频移之后与x₂(t)的相关输出如果s(t)、w₁(t)、w₂(t)都是零均值的，并且在经历了任意的时延τ和频移f之后，仍然能够保持相互独立，则当T趋于无穷大时，

即为源信号s(t)的二阶自模糊函数，其中，

时延D和频偏f_d的估计由函数最大值所对应的变量τ和f给出，即

通过求取时差测量值τ后，卫星信号到达定位基准站与用户的时差测量方程cτ＝ρ_j-ρ_o,j＝r_i-r_o,j+ct_u，其中，τ为时差测量值，即非合作卫星信号到达定位基准站与用户的时差值，为卫星至用户的几何距离，r_o,j为卫星至定位基准站的几何距离，t_u为定位基准站与用户之间的钟差，定位基准站的位置坐标为(X₀,Y₀,Z₀)，卫星坐标为(X_j,Y_j,Z_j)，待求的用户位置坐标为(x,y,z)。

本发明的有益效果是：将甚长基线干涉测量技术与无源雷达探测技术相结合，首次引入到卫星导航定位中，与传统的GNSS系统相比，本发明自身并不发射专用的导航信号，隐蔽性强，不易受到干扰与攻击；与无源雷达相比，定位目标不局限于空中动目标，应用范围更广。因此，本发明一方面具有隐蔽性好、战场生存力高等优点；另一方面可以扩展我国的定位手段，丰富现有定位服务体系。同时本发明中的定位方法也是对关系我国国民经济和国防建设的卫星导航系统的一种补充和备份。

附图说明

图1是非合作卫星信号定位系统组成示意图；

图2是定位基准站系统组成示意图；

图3是用户接收系统组成示意图；

图4是本发明实施例1构成图；

图5是信号的到达时差估计算法实现框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的技术方案是，利用VLBI测量技术实现对非合作卫星信号的精密测定轨；利用无源雷达探测定位中的时差测量技术，获取三个以上卫星辐射源的非合作卫星信号到定位基准站与用户接收机的时延测量值，从而得到时差测量定位方程组，最终求解方程组得到用户位置。

本实施例中根据搭建的试验验证平台，采集四颗卫星下行信号，利用非合作卫星信号进行三维定位的方法步骤如下：

(1)非合作卫星的测定轨

非合作卫星的测定轨基本原理：利用VLBI技术得到非合作卫星信号到多个VLBI测轨站的时延差，由此测定空间卫星的轨道，并根据测轨数据与动力学方程，外推预测卫星的轨道，形成卫星的轨道位置数据。

测定轨具体步骤如下：

①VLBI测定轨系统中的三亚测轨站A、喀什测轨站B、吉林测轨站C，按西安数据处理中心发播的观测纲要，通过13米的VLBI天线接收非合作卫星下行信号，将所接收的信号与本振信号进行混频，下变频为中频信号后经基带转换器，进行数字化采样，后记录在数据记录设备上，数据记录设备对观测数据要标记上观测时间，再将观测数据统一送往西安数据处理中心。

②西安数据处理中心根据数据观测时间识别出各个测轨站同一时刻的数据，对数据做VLBI相关处理，计算得卫星发射信号的同一个波前到达各个测轨站的时间差分别为Δτ_A,B，Δτ_B,C，Δτ_C,A。

③三亚测轨站A、喀什测轨站B、吉林测轨站C将各自坐标发送至西安数据处理中心，根据步骤②获得的卫星信号到各个测轨站之间的时间差，通过求解观测方程组(1)即可得到卫星的坐标。

其中，(X,Y,Z)为卫星坐标，各测轨站坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，i＝A,B,C，c为光速。式(1)可写为：

式中，L_A为c²(Δτ_A,B+Δτ_B,C)²，L_B为c²(Δτ_B,C+Δτ_C,A)²，L_C为c²(Δτ_C,A+Δτ_A,B)²，而各测轨站时间差Δτ_A,B，Δτ_B,C，Δτ_C,A由步骤②计算得，为 i站坐标(X_i,Y_i,Z_i)已知。

方程组(2)是一个线性方程组，用矩阵形式可表示为：

则方程组(2)可写为：

Hx＝a (5)

方程(3)由含有三个未知数的三个线性方程组成，通过求解方程组可直接求出频点为3822MHz的非合作卫星坐标(X,Y,Z)。通过在一段时间内测量出多组数据，重复上述步骤，即可求出多个时间点的卫星坐标。需要求解多个非合作卫星坐标时，重复上述步骤，计算得卫星坐标为(X_j,Y_j,Z_j),j＝1,2,3,...。

(2)系统的时间同步

首先，为了精确测量卫星位置，地面各VLBI测轨站间需保持高精度的时间同步。各个测轨站间通过卫星双向比技术对实现高精度时间同步，其同步精度为1ns。

其次，系统以定位基准站时间为时间测量基准，因此，定位基准站需装置高准确度和高稳定度的氢原子钟，并将时间溯源到UTC(NTSC)。

最后，为了精确测量卫星至用户与卫星至定位定位基准站之间的时差值，即使用户接收机不可能装置高精度原子钟，仍需配置高稳晶振。由此，用户和定位基准站之间存在一个时间偏差t_u。基于非合作卫星信号的无源定位中的这个时间偏差t_u也可以作为一个未知数进行求解，但为了确保两路数据的相关性，提高相关处理效率，用户机与定位基准站间需要利用BPL定时接收机进行粗同步，同步精度优于1us。

(3)用户与定位基准站的非合作卫星信号接收

定位基准站采用3.7米抛物面天线接收非合作卫星下行信号，通过频谱仪对卫星信号进行频谱检测，确定系统观测频点：3822MHz、3845MHz、3720MHz和3767MHz，通过将接收到的射频信号混频变为中频信号后进行数字采样，采集到的目标信号需要标记上采集时刻时间戳和频点信息。

用户接收机根据西安数据中心发播的观测卫星信号频点，采用全向天线接收非合作卫星下行信号，将接收到的信号通过低噪声放大器放大后，与本振信号混频为中频信号，对其进行采集，采集到的目标信号需要标记上采集时刻时间戳和频点信息。

(4)卫星到达定位基准站和用户接收机的时差测量

西安数据处理中心将由第(1)步获取的卫星坐标(X_j,Y_j,Z_j),j＝1,2,3,…、定位基准站位置及其采集的数据根据时间顺序全部发播给用户接收机，用户接收机根据采集时间对定位基准站测量数据和自身测量数据进行数据处理与相关，得到卫星信号到达定位基准站与用户接收机的时差测量值。

模糊函数通常被用作是时延和多普勒频移联合估计问题的主要处理工具之一，广泛应用与雷达探测技术中。本发明将其用于求取非合作卫星信号到定位基准站和用户接收机的到达时差(TDOA)和频差。假设两个接收平台的信号分别表示为x₁(t)、x₂(t)：

其中s(t)为非合作卫星所发信号的复包络，A为传播系数比值，D为信号间的相对时延，f_d表示信号间的频率差，w₁(t),w₂(t)为与信号一起被接收的观测噪声及干扰，[0,T)表示观测区间。

定位基准站接收信号x₁(t)与用户接收机接收信号x₂(t)之间的二阶互模糊函数定义为x₁(t)频移之后与x₂(t)的相关输出，

如果s(t)、w₁(t)、w₂(t)都是零均值的，并且在经历了任意的时延τ和频移f之后，仍然能够保持相互独立，则当T趋于无穷大时，

其中，

上式即为源信号s(t)的二阶自模糊函数。根据三角不等式以及施瓦兹(Schwartz)不等式，有

也就是说

因此，时延D和频偏f_d的估计可以由函数最大值所对应的变量τ和f给出，即

二阶模糊函数可以视为相关函数的推广，当对x(t)进行的频移f正好能够补偿信号间的频率差f_d时，两个无频差信号的相关输出就应该在信号间的相对时延D处取得最大。通过求取时差测量值τ后，卫星信号到达定位基准站与用户接收机的时差测量方程为：

cτ＝ρ_j-ρ_o,j＝r_i-r_o,j+ct_u (14)

其中，τ为时差测量值，即非合作卫星信号到达定位基准站与用户接收机的时差值，r_j为卫星至用户接收机的几何距离，ro,_j为卫星至定位基准站的几何距离，t_u为定位基准站与用户接收机之间的钟差，定位基准站的位置坐标为(X₀,Y₀,Z₀)，卫星坐标为(X_j,Y_j,Z_j)，(j＝1,2,3,…)，待求的用户位置坐标为(x,y,z)。

(5)用户的定位解算

系统确定四颗及以上可观测非合作卫星后，测定轨系统对卫星进行定轨，定位基准站和用户接收机分别采集非合作卫星下行信号。根据测量原理，由公式(14)可得关于x,y,z,t_u的定位方程组：

其中，每颗卫星下行信号到定位基准站和用户接收机的时差测量值为τ_j,j＝1,2,3,4。

对方程组(15)进行线性化，通过迭代求解即可算出用户站坐标(x,y,z)和站间时钟偏差t_u。

本发明利用现有在轨卫星资源，由定位基准站和用户接收机以非合作方式同时观测卫星，由于不受卫星下行信号体制、频段和调制方式的限制，通过被动接收即可实现对用户的高精度定位，该方法的卫星星座构成可灵活配置，是一种新的不依赖于现有卫星导航的广覆盖的定位方法，其在GNSS遭到拒止的情况，仍可提供定位服务。本发明的定位精度优于30米。

Claims (4)

1.一种利用非合作卫星信号实现定位的方法，其特征在于包括下述步骤：

1)利用VLBI技术得到非合作卫星信号到多个VLBI测轨站的时延差，由此测定卫星的轨道，并根据测轨数据与动力学方程，外推预测卫星的轨道，形成卫星的轨道位置数据；

2)地面各VLBI测轨站间通过卫星双向比技术对实现高精度时间同步，其同步精度为1ns；以定位基准站时间为时间测量基准，定位基准站装置氢原子钟，并将时间溯源到UTC(NTSC)；用户与定位基准站间需要利用BPL定时接收机进行粗同步，同步精度优于1us；

3)定位基准站接收非合作卫星下行信号，对信号进行频谱检测，确定系统观测频点，将接收到的射频信号混频变为中频信号后进行数字采样，采集到目标信号并标记上采集时刻时间戳和频点信息；

用户根据西安数据中心发播的观测卫星信号频点，接收非合作卫星下行信号，将接收到的信号进行低噪放大后与本振信号混频为中频信号，对其进行采集，采集到目标信号并标记上采集时刻时间戳和频点信息；

4)西安数据处理中心将卫星坐标、定位基准站位置及其采集的数据根据时间顺序全部发播给用户，用户根据采集时间对定位基准站测量数据和自身测量数据进行数据处理与相关，得到卫星信号到达定位基准站与用户的时差测量值；

5)确定四颗及以上可观测非合作卫星后，对卫星进行定轨，定位基准站和用户分别采集非合作卫星下行信号；对定位方程组

进行线性化，通过迭代求解算出用户坐标(x,y,z)和定位基准站与用户之间的钟差t_u，其中，每颗卫星下行信号到定位基准站和用户接收机的时差测量值为τ_j，卫星坐标为(X_j,Y_j,Z_j)，j＝1,2,3,4…，定位基准站的位置坐标为(X₀,Y₀,Z₀)。

2.根据权利要求1所述的利用非合作卫星信号实现定位的方法，其特征在于所述步骤1)的具体步骤如下：

1.1)VLBI测定轨系统中的三亚测轨站A、喀什测轨站B、吉林测轨站C，按西安数据处理中心发播的观测纲要，通过VLBI天线接收非合作卫星下行信号，将所接收的信号与本振信号进行混频，下变频为中频信号后经基带转换器，进行数字化采样后记录在数据记录设备上，数据记录设备对观测数据标记上观测时间，再将观测数据统一送往西安数据处理中心；

1.2)西安数据处理中心根据数据观测时间识别出各个测轨站同一时刻的数据，对数据做VLBI相关处理，计算得卫星发射信号的同一个波前到达各个测轨站的时间差Δτ_A,B、Δτ_B,C和Δτ_C,A；

1.3)三亚测轨站A、喀什测轨站B、吉林测轨站C将各自坐标发送至西安数据处理中心，根据卫星信号到各个测轨站之间的时间差，通过求解观测方程组得到卫星的坐标，所述的观测方程组为

其中，(X,Y,Z)为卫星坐标，各测轨站坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，i＝A,B,C，c为光速。

3.根据权利要求2所述的利用非合作卫星信号实现定位的方法，其特征在于：所述的步骤1)需要求解多个非合作卫星坐标时，重复执行步骤1.1)～1.3)，计算得卫星坐标为(X_j,Y_j,Z_j),j＝1,2,3,…。

4.根据权利要求1所述的利用非合作卫星信号实现定位的方法，其特征在于：所述的步骤4)中，假设定位基准站和用户的接收信号分别表示为x₁(t)、x₂(t)，

其中s(t)为非合作卫星所发信号的复包络，A为传播系数比值，D为信号间的相对时延，f_d表示信号间的频率差，w₁(t),w₂(t)为与信号一起被接收的观测噪声及干扰，[0,T)表示观测区间；

定位基准站接收信号x₁(t)与用户接收信号x₂(t)之间的二阶互模糊函数定义为x₁(t)频移之后与x₂(t)的相关输出如果s(t)、w₁(t)、w₂(t)都是零均值的，并且在经历了任意的时延τ和频移f之后，仍然能够保持相互独立，则当T趋于无穷大时，

即为源信号s(t)的二阶自模糊函数，其中，

时延D和频偏f_d的估计由函数最大值所对应的变量τ和f给出，即

通过求取时差测量值τ后，卫星信号到达定位基准站与用户的时差测量方程cτ＝ρ_j-ρ_o,j＝r_i-r_o,j+ct_u，其中，τ为时差测量值，即非合作卫星信号到达定位基准站与用户的时差值，为卫星至用户的几何距离，r_o,j为卫星至定位基准站的几何距离，t_u为定位基准站与用户之间的钟差，定位基准站的位置坐标为(X₀,Y₀,Z₀)，卫星坐标为(X_j,Y_j,Z_j)，待求的用户位置坐标为(x,y,z)。