CN110068340B - 基于频率补偿的双星时差频差联合无源定位装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于频率补偿的双星时差频差联合无源定位装置及方法，装置包括信号接收模块、报文广播源航空器速度矢量估算模块、频差处理模块、时差测量模块频率补偿模块和定位解算模块。本发明通过位于信号接收模块中的两个ADS‑B报文接收机分别获取来自目标航空器上的ADS‑B报文，并根据两个ADS‑B报文接收机的数据和接收到的报文数据实现对目标航空器的定位，解决了星载ADS‑B无法对高速移动辐射源进行定位的问题。

Description

基于频率补偿的双星时差频差联合无源定位装置及方法
技术领域
本发明涉及航空器定位领域，具体涉及一种基于频率补偿的双星时差频差联合无源定位装置及方法。
背景技术
ADS-B(广播式自动相关监视)是一种适用于航空监视领域的监视技术，携带该ADS-B Out设备的航空器通过卫星导航对自身进行定位，并将定位信息按照ADS-B技术文档规范制定的方式进行编码广播，航空监视系统则接收并译码报文信息，实现对当前空域内航空器的监视。由于地面部署的ADS-B报文接收站受限于地形变化，并且无法覆盖辽阔的海洋，目前已将ADS-B接收机架设于卫星之上，单个观测站的覆盖范围极大，监视范围不受限制，可以尽快的实现全球范围的广域覆盖，建立天地一体化的监视系统。但是覆盖范围过大，报文的交叠率更高，就必然对报文解算算法提出了更高的要求。Galati G,PetrochilosN等人则采用了投影算法(Projection Algorithm,PA)来解交织，但该算法难用于多重交织的解调。Wang H等人则采用独立分量分析的方法对于交织报文进行分离，但是独立分量算法的复杂度极高，研究还处于研究仿真阶段，同时对于星载接收机来说，受限于功率、体积的限制，目前难以实用。陈为桢提出了一种基于干扰抵消的解交织技术，首先对交织信号中的大功率报文进行处理，然后再将接收的交织信号与还原的大功率信号比对，从中提取出小功率报文，但是这种算法的准确度是基于对较大功率信号的解调精准度，也没有考虑多普勒频移对于信号的影响，以及该算法对于多重交织的处理性能较差。上述这些报文解交织算法目前还无法实际运用到星载ADS-B的航空监视系统中。由于星载观测站资源的稀缺，三颗以上星载ADS-B报文接收机同时覆盖一个区域的可能较小，同轨双星的观测模型更符合实际情况。但是目前的双星时差/频差无源定位主要是运用于固定辐射源的定位模型，不适用于星载ADS-B情形下大尺度高速运动辐射源的观测。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于频率补偿的双星时差频差联合无源定位方法解决了星载ADS-B无法对高速移动辐射源进行定位的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种基于频率补偿的双星时差频差联合无源定位装置，其包括信号接收模块，所述信号接收模块的信号输出端分别与报文广播源航空器速度矢量估算模块的信号输入端、频差处理模块的信号输入端和时差测量模块的信号输入端相连接；所述报文广播源航空器速度矢量估算模块的信号输出端与频率补偿模块的信号输入端相连接；所述频率补偿模块的信号输出端与频差处理模块的信号输入端相连接；所述频差处理模块的信号输出端和时差测量模块的信号输出端分别与定位解算模块的信号输入端相连接；所述定位解算模块的信号输出端作为整个装置的信号输出端；
所述信号接收模块，用于通过两个ADS-B报文接收机接收当前ADS-B广播源航空器所广播的报文；
所述时差测量模块，用于根据两个ADS-B报文接收机所接收报文的报文广播时刻差值得到信号到达的时间差；
所述报文广播源航空器速度矢量估算模块，用于获取该航空器的速度矢量估计信息；
所述频率补偿模块，用于根据航空器的速度矢量估计信息和观测站得到的观测频率得到频率补偿数据；
所述频差处理模块，用于根据两个ADS-B报文接收机所接收报文的载波频率差值得到信号到达的频率差，并根据频率补偿数据对频率差进行修正，得到修正后的频率差；
所述定位解算模块，用于根据时间差和修正后的频率差对航空器进行定位。
提供一种基于频率补偿的双星时差频差联合无源定位方法，其包括以下步骤：
S1、通过两个ADS-B报文接收机分别获取ADS-B广播源航空器所广播的报文；
S2、通过两个ADS-B报文接收机所接收报文的报文广播时刻差值得到信号到达的时间差；
S3、获取该航空器的速度矢量估计信息；
S4、根据航空器的速度矢量估计信息和观测站得到的观测频率得到频率补偿数据；
S5、根据两个ADS-B报文接收机所接收报文的载波频率差值得到信号到达的频率差，并根据频率补偿数据对频率差进行修正，得到修正后的频率差；
S6、根据时间差和修正后的频率差对航空器进行定位。
进一步地，步骤S4的具体方法包括以下子步骤：
S4-1、根据公式
Figure BDA0002039866270000031
获取航空器的速度矢量估计信息
Figure BDA0002039866270000032
其中
Figure BDA0002039866270000033
为航空器第一次测向结果；
Figure BDA0002039866270000034
为第一次测向后间隔tS时间时的测向结果；
S4-2、根据公式
Figure BDA0002039866270000041
Figure BDA0002039866270000042
获取补偿中间参数fdopshift1和fdopshift0；其中fT为航空器发送信号的频率；c为电磁波传播速率；
Figure BDA0002039866270000043
和
Figure BDA0002039866270000044
分别为两个ADS-B报文接收机在航空器第一次测向时的位置矢量；
S4-3、根据公式
f补偿＝fdopshift0-fdopshift1
得到频率补偿数据f补偿。
进一步地，步骤S5的具体方法包括以下子步骤：
S5-1、根据公式
Δfd＝f1-f0
获取两个ADS-B报文接收机所接收报文的载波频率差值得到信号到达的频率差Δfd；其中f1和f0分别为两个ADS-B报文接收机所接收报文的载波频率；
S5-2、根据公式
Δf′d＝Δfd+f补偿
得到修正后的频率差Δf′d；其中f补偿为频率补偿数据。
进一步地，步骤S6的具体方法为：
根据公式
Figure BDA0002039866270000045
获取航空器的坐标(x,y,z)；其中(x0,y0,z0)和(x1,y1,z1)分别为两个ADS-B报文接收机的坐标；c为电磁波传播速度；(vx0,vy0,vz0)和(vx1,vy1,vz1)分别为两个ADS-B报文接收机的运行速度；λ为航空器所辐射电磁波的波长；Δf′d为修正后的频率差；Δt为两个ADS-B报文接收机所接收报文的报文广播时刻差值得到信号到达的时间差；r为当前航空器所在正球面的半径长度。
本发明的有益效果为：本发明可通过两个ADS-B报文接收机分别获取来自目标航空器上的ADS-B报文，并根据两个ADS-B报文接收机的数据和接收到的报文数据实现对目标航空器的定位，解决了星载ADS-B无法对高速移动辐射源进行定位的问题。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，该基于频率补偿的双星时差频差联合无源定位装置包括信号接收模块，所述信号接收模块的信号输出端分别与报文广播源航空器速度矢量估算模块的信号输入端、频差处理模块的信号输入端和时差测量模块的信号输入端相连接；所述报文广播源航空器速度矢量估算模块的信号输出端与频率补偿模块的信号输入端相连接；所述频率补偿模块的信号输出端与频差处理模块的信号输入端相连接；所述频差处理模块的信号输出端和时差测量模块的信号输出端分别与定位解算模块的信号输入端相连接；所述定位解算模块的信号输出端作为整个装置的信号输出端；
所述信号接收模块，用于通过两个ADS-B报文接收机接收当前ADS-B广播源航空器所广播的报文；
所述时差测量模块，用于根据两个ADS-B报文接收机所接收报文的报文广播时刻差值得到信号到达的时间差；
所述报文广播源航空器速度矢量估算模块，用于获取该航空器的速度矢量估计信息；
所述频率补偿模块，用于根据航空器的速度矢量估计信息和观测站得到的观测频率得到频率补偿数据；
所述频差处理模块，用于根据两个ADS-B报文接收机所接收报文的载波频率差值得到信号到达的频率差，并根据频率补偿数据对频率差进行修正，得到修正后的频率差；
所述定位解算模块，用于根据时间差和修正后的频率差对航空器进行定位。
如图2所示，该基于频率补偿的双星时差频差联合无源定位方法包括以下步骤：
S1、通过两个ADS-B报文接收机分别获取ADS-B广播源航空器所广播的报文；
S2、通过两个ADS-B报文接收机所接收报文的报文广播时刻差值得到信号到达的时间差；
S3、获取该航空器的速度矢量估计信息；
S4、根据航空器的速度矢量估计信息和观测站得到的观测频率得到频率补偿数据；
S5、根据两个ADS-B报文接收机所接收报文的载波频率差值得到信号到达的频率差，并根据频率补偿数据对频率差进行修正，得到修正后的频率差；
S6、根据时间差和修正后的频率差对航空器进行定位。
步骤S4的具体方法包括以下子步骤：
S4-1、根据公式
Figure BDA0002039866270000071
获取航空器的速度矢量估计信息
Figure BDA0002039866270000072
其中
Figure BDA0002039866270000073
为航空器第一次测向结果；
Figure BDA0002039866270000074
为第一次测向后间隔tS时间时的测向结果；
S4-2、根据公式
Figure BDA0002039866270000075
Figure BDA0002039866270000076
获取补偿中间参数fdopshift1和fdopshift0；其中fT为航空器发送信号的频率；c为电磁波传播速率；
Figure BDA0002039866270000077
和
Figure BDA0002039866270000078
分别为两个ADS-B报文接收机在航空器第一次测向时的位置矢量；
S4-3、根据公式
f补偿＝fdopshift0-fdopshift1
得到频率补偿数据f补偿。
步骤S5的具体方法包括以下子步骤：
S5-1、根据公式
Δfd＝f1-f0
获取两个ADS-B报文接收机所接收报文的载波频率差值得到信号到达的频率差Δfd；其中f1和f0分别为两个ADS-B报文接收机所接收报文的载波频率；
S5-2、根据公式
Δf′d＝Δfd+f补偿
得到修正后的频率差Δf′d；其中f补偿为频率补偿数据。
步骤S6的具体方法为：根据公式
Figure BDA0002039866270000081
获取航空器在正球面模型中的坐标(x,y,z)；其中(x0,y0,z0)和(x1,y1,z1)分别为两个ADS-B报文接收机在正球面模型中的坐标；c为电磁波传播速度；(vx0,vy0,vz0)和(vx1,vy1,vz1)分别为两个ADS-B报文接收机的运行速度；λ为航空器所辐射电磁波的波长；Δf′d为修正后的频率差；Δt为两个ADS-B报文接收机所接收报文的报文广播时刻差值得到信号到达的时间差；r为当前航空器在正球面模型中的半径长度。
综上所述，本发明通过两个ADS-B报文接收机分别获取来自目标航空器上的ADS-B报文，并根据两个ADS-B报文接收机的数据和接收到的报文数据实现对目标航空器的定位，解决了星载ADS-B无法对高速移动辐射源进行定位的问题。

Claims (4)

1.一种基于频率补偿的双星时差频差联合无源定位装置，其特征在于：包括信号接收模块，所述信号接收模块的信号输出端分别与报文广播源航空器速度矢量估算模块的信号输入端、频差处理模块的信号输入端和时差测量模块的信号输入端相连接；所述报文广播源航空器速度矢量估算模块的信号输出端与频率补偿模块的信号输入端相连接；所述频率补偿模块的信号输出端与频差处理模块的信号输入端相连接；所述频差处理模块的信号输出端和时差测量模块的信号输出端分别与定位解算模块的信号输入端相连接；所述定位解算模块的信号输出端作为整个装置的信号输出端；
所述信号接收模块，用于通过两个ADS-B报文接收机接收当前ADS-B广播源航空器所广播的报文；
所述时差测量模块，用于根据两个ADS-B报文接收机所接收报文的报文广播时刻差值得到信号到达的时间差；
所述报文广播源航空器速度矢量估算模块，用于获取该航空器的速度矢量估计信息；
所述频率补偿模块，用于根据航空器的速度矢量估计信息和观测站得到的观测频率得到频率补偿数据；
所述频差处理模块，用于根据两个ADS-B报文接收机所接收报文的载波频率差值得到信号到达的频率差，并根据频率补偿数据对频率差进行修正，得到修正后的频率差；
所述定位解算模块，用于根据时间差和修正后的频率差对航空器进行定位；
其中频率补偿模块的具体工作过程包括：根据公式
Figure FDA0002570753510000011
获取航空器的速度矢量估计信息
Figure FDA0002570753510000021
其中
Figure FDA0002570753510000022
为航空器第一次测向结果；
Figure FDA0002570753510000023
为第一次测向后间隔tS时间时的测向结果；
根据公式
Figure FDA0002570753510000024
Figure FDA0002570753510000025
获取补偿中间参数fdopshift1和fdopshift0；其中fT为航空器发送信号的频率；c为电磁波传播速率；
Figure FDA0002570753510000026
和
Figure FDA0002570753510000027
分别为两个ADS-B报文接收机在航空器第一次测向时的位置矢量；
根据公式
f补偿＝fdopshift0-fdopshift1
得到频率补偿数据f补偿。
2.一种基于频率补偿的双星时差频差联合无源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过两个ADS-B报文接收机分别获取ADS-B广播源航空器所广播的报文；
S2、通过两个ADS-B报文接收机所接收报文的报文广播时刻差值得到信号到达的时间差；
S3、获取该航空器的速度矢量估计信息；
S4、根据航空器的速度矢量估计信息和观测站得到的观测频率得到频率补偿数据；
S5、根据两个ADS-B报文接收机所接收报文的载波频率差值得到信号到达的频率差，并根据频率补偿数据对频率差进行修正，得到修正后的频率差；
S6、根据时间差和修正后的频率差对航空器进行定位；
所述步骤S4的具体方法包括以下子步骤：
S4-1、根据公式
Figure FDA0002570753510000031
获取航空器的速度矢量估计信息
Figure FDA0002570753510000032
其中
Figure FDA0002570753510000033
为航空器第一次测向结果；
Figure FDA0002570753510000034
为第一次测向后间隔tS时间时的测向结果；
S4-2、根据公式
Figure FDA0002570753510000035
Figure FDA0002570753510000036
获取补偿中间参数fdopshift1和fdopshift0；其中fT为航空器发送信号的频率；c为电磁波传播速率；
Figure FDA0002570753510000037
和
Figure FDA0002570753510000038
分别为两个ADS-B报文接收机在航空器第一次测向时的位置矢量；
S4-3、根据公式
f补偿＝fdopshift0-fdopshift1
得到频率补偿数据f补偿。
3.根据权利要求2所述的基于频率补偿的双星时差频差联合无源定位方法，其特征在于，所述步骤S5的具体方法包括以下子步骤：
S5-1、根据公式
Δfd＝f1-f0
获取两个ADS-B报文接收机所接收报文的载波频率差值得到信号到达的频率差Δfd；其中f1和f0分别为两个ADS-B报文接收机所接收报文的载波频率；
S5-2、根据公式
Δf′d＝Δfd+f补偿
得到修正后的频率差Δf′d；其中f补偿为频率补偿数据。
4.根据权利要求2所述的基于频率补偿的双星时差频差联合无源定位方法，其特征在于，所述步骤S6的具体方法为：
根据公式
Figure FDA0002570753510000041
获取航空器的坐标(x,y,z)；其中(x0,y0,z0)和(x1,y1,z1)分别为两个ADS-B报文接收机的坐标；c为电磁波传播速度；(vx0,vy0,vz0)和(vx1,vy1,vz1)分别为两个ADS-B报文接收机的运行速度；λ为航空器所辐射电磁波的波长；Δf′d为修正后的频率差；Δt为两个ADS-B报文接收机所接收报文的报文广播时刻差值得到信号到达的时间差；r为当前航空器所在正球面的半径长度。
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