一种基于信号强度变化率的卫星干扰源直接定位方法及定位
装置
技术领域
本发明涉及卫星定位技术领域,具体涉及一种基于信号强度变化率的卫星干扰源直接定位方法及定位装置。
背景技术
随着空间侦察技术与通信技术的日益发展,对于非合作辐射源和干扰源在星载平台上实现高精度无源定位变得十分重要,其在民用和军事领域具有重要的应用价值。在传统的卫星定位方法中,有时差定位、多普勒频移定位、测向定位等。时差定位需要多星同时定位,要求时间频率同步且能同时被干扰源影响,不适用于定位窄波束卫星干扰源。多普勒频移定位要求卫星速度较快且卫星速度、位置相关数据较为精确,不适用于高轨卫星。测向定位对卫星载荷姿态控制和测量要求较高。近年来,出现了一些直接定位方法提高了已有定位方法的精度,但由于其测量数据未有变化,仍有相关限制。
发明内容
发明目的:本发明要解决的技术问题是:如何利用接收信号强度实现单星定位卫星干扰源的问题。提供了一种基于信号强度变化率的卫星干扰源直接定位方法及定位装置,充分利用卫星的运动性,不需要地面的辅助装置,实现单星无源定位,对随卫星移动的窄波束跟踪型干扰源也能有效定位。利用卫星接收信号强度数据,只需要全向天线,受卫星位置误差、速度误差和卫星载荷姿态影响小。利用几何特性,缩小干扰源搜索区域,定位速度快。
技术方案:为实现上述发明目的,本发明采用以下技术方案:
一种基于信号强度变化率的卫星干扰源直接定位方法,包括以下步骤:
(1)获取卫星轨道参数及卫星接收信号相关参数:包括每秒卫星的空间直角坐标、卫星接收信号时刻t、t时刻卫星接收信号强度p0(t);
(2)利用卫星轨道参数估计得到t时刻卫星接收信号时的空间直角坐标,记为x(t);
(3)利用卫星接收信号强度数据估计卫星被干扰时段,利用卫星接收信号相关参数筛选出此时段可用的采集点集合C及其相对应的时刻集合Tc,并利用量化规则估计C中的采集点的信号强度p(tc),tc∈Tc;
(4)利用卫星轨道参数计算卫星在被干扰时段中的覆盖重叠区域Q;
(5)计算干扰源所在圆O;
(6)将干扰源所在圆在覆盖重叠区域里的部分作为初始区域,即O∩Q作为初始区域,基于信号强度变化率最相似在初始区域内搜索干扰源,并利用搜索算法解优化问题。
进一步的,步骤(2)中在1秒内将卫星轨迹近似于直线,则获得t时刻卫星的空间直角坐标估计
其中
是t的下整数。
进一步的,步骤(3)中可用的采集点集合C及其相对应的时刻集合Tc的筛选方法为:
卫星在被干扰源影响的同时也在接收其他信号,将不是干扰源信号的其他信号强度作为噪声,显然噪声不小于0且相对较小;由于噪声,相邻两个信号强度的信号强度变化点将有多个,由于噪声不小于0,有噪声下接收到的信号强度比无噪声下的大,所以当信号强度变化趋势由大变小时,选择最先变小的信号强度变化点;当信号强度变化趋势由小变大时,选择最后变大的信号强度变化点;通过该策略筛选出可用的采集点集合C及其相对应的时刻集合Tc。
进一步的,步骤(3)中利用量化规则估计相应的接收信号强度,t
c时刻,信号强度估计
其中t
c+1表示t
c时刻后下一个卫星采集时刻。
进一步的,步骤(4)中干扰源必定在被干扰时段卫星的覆盖重叠区域内,t时刻卫星的覆盖区域Qt={x|xTx(t)>r2,x∈R3,||x||=r},其中r为地球半径,x表示覆盖区域中某一点的坐标,被干扰时段内卫星的覆盖重叠区域为:
进一步的,步骤(5)中假设信道模型为自由空间传播模型,被干扰时段卫星接收干扰源的信号强度只与卫星与干扰源的距离有关,接收信号强度与距离平方成反比,则
其中t
cmax时刻采集点是C中信号强度最大的采集点,t
cmin时刻采集点是C中信号强度最小的采集点,x
*是估计干扰源位置;通过距离平方比得到干扰源所在的一个球面,记
则干扰源所在球面球心
半径
此球面与地球表面交线为一个圆记作O,圆心
半径
进一步的,步骤(6)中离散化干扰源所在圆,干扰源所在圆所在平面法向量为
因为
在xoy平面的概率为0,所以用ν
1,[1,0,0],[0,1,0]进行施密特变换,其中
e
1=[1,0,0]、e
2=[0,1,0],得到ν
1,α
1,α
2三个两两正交的单位向量,具体的而言,α
1=e
1-ν
1 Te
1ν
1,α
2=e
2-ν
1 Te
2ν
1-α
2 Te
2α
2。所以干扰源所在圆上的点x
i=O
2+r
2 cosθ
iα
1+r
2sinθ
iα
2,其中θ
i为x
iO
2与α
1的夹角;对干扰源所在圆等分,每段长接近1km,所以干扰源所在圆上点集合
最后用搜索算法求解以下优化问题:
得到的解x
*就是干扰源估计位置。
本发明还提供了一种上述定位方法采用的定位装置,该定位装置为无源定位装置,其包括信号采集模块和数据处理模块,数据处理模块执行以下指令:
根据信号采集模块接收到的信号强度进行数据预处理,估计被干扰时段采集点的位置坐标,筛选出可用采集点且估计其接收信号强度;
根据被干扰时段采集点的位置坐标计算卫星覆盖重叠区域;
根据筛选出的信号强度最强和最弱的可用采集点计算出干扰源所在圆;
根据筛选出的可用采集点在卫星覆盖重叠区域内干扰源所在圆上基于信号强度变化率最相似搜索干扰源位置。
有益效果:与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)能不依靠地面装置,即不需要地面观测站的辅助,利用卫星移动性,实现单星高精度无源定位;
(2)只需要全向天线,克服了由于卫星位置和速度不精确导致的定位精度下降问题;
(3)能够对覆盖区域小、覆盖区域随卫星移动的窄波束跟踪型干扰源有效定位。
附图说明
图1是本发明方法流程图;
图2是本发明实施卫星波束型干扰源定位模型图;
图3是本发明实施确定干扰源所在圆的模型图;
图4是本发明实施估计干扰源位置散点图;
图5是本发明实施估计干扰源位置局部放大散点图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明,以下所述,仅为本发明中的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内,可理解想到的变换或替换,都应涵盖在本发明的包含范围之内,因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
如图1所示,本发明的一种基于信号强度变化率的卫星干扰源直接定位方法,包括以下步骤:
步骤1:获取卫星轨道参数及卫星接收信号相关参数:包括每秒卫星的空间直角坐标、卫星接收信号时刻t、t时刻卫星接收信号强度p0(t);
如图2所示,单个干扰源发射窄波束信号持续跟踪干扰卫星,假设地球表面近似为一个球面,半径为r=6371km。干扰源信号强度远大于其他信号强度,同一频段卫星每隔一段时间会采集一次覆盖区域内的信号强度,t时刻卫星接收信号强度p(t),卫星接收信号强度用n个码值表示1dBm。通过星历可以得到每秒卫星的空间直角坐标。
步骤2:利用卫星轨道参数估计得到t时刻卫星接收信号时的空间直角坐标,记为x(t);
在1秒内将卫星轨迹近似于直线,则可获得t时刻卫星的空间直角坐标估计
其中
是t的下整数。
步骤3:利用卫星接收信号强度数据估计卫星被干扰时段,利用卫星接收信号相关参数筛选出此时段可用的采集点集合C及其相对应的时刻集合Tc,并利用量化规则估计C中的采集点的信号强度p(tc),tc∈Tc;
由于干扰源信号强度远大于其他信号强度,所以容易得到卫星被干扰时段T。但由于得到的接收信号强度是被量化过的,所以绝大部分信号强度数据严重失真,本发明通过量化规则可以估计得到信号强度较为精确的点及相应的信号强度。筛选出此时段信号强度变化的采集点,实际情况中,卫星在被干扰源影响的同时也在接收其他信号,将不是干扰源信号的其他信号强度作为噪声,显然噪声不小于0且相对较小。由于噪声,相邻两个信号强度的信号强度变化点将有多个,由于噪声不小于0,有噪声下接收到的信号强度比无噪声下的大,所以当信号强度变化趋势由大变小时,选择最先变小的信号强度变化点;当信号强度变化趋势由小变大时,选择最后变大的信号强度变化点。通过以上策略筛选出可用的采集点集合C及其相对应的时刻集合T
c。然后利用量化规则估计相应的接收信号强度,以四舍五入量化规则为例,t
c时刻,信号强度估计
其中t
c+1表示t
c时刻后下一个卫星采集时刻。
步骤4:利用卫星轨道参数计算卫星在被干扰时段中的覆盖重叠区域Q;
干扰源必定在被干扰时段卫星的覆盖重叠区域内。t时刻卫星的覆盖区域Qt={x|xTx(t)>r2,x∈R3,||x||=r},其中r为地球半径,其中x是一个三维变量,是集合中的代表元,具体就是覆盖区域中某一点的坐标;被干扰时段内卫星的覆盖重叠区域为:
步骤5:计算干扰源所在圆O;
假设信道模型为自由空间传播模型,被干扰时段卫星接收干扰源的信号强度只与卫星与干扰源的距离有关,接收信号强度与距离平方成反比,则
其中t
cmax时刻采集点是C中信号强度最大的采集点,t
cmin时刻采集点是C中信号强度最小的采集点,x
*是估计干扰源位置。如图3所示,通过距离平方比可得到干扰源所在的一个球面,记
则干扰源所在球面球心
半径
此球面与地球表面交线为一个圆记作O,圆心
半径
步骤6:将干扰源所在圆在覆盖重叠区域里的部分即O∩Q作为初始区域,基于信号强度变化率最相似在初始区域内搜索干扰源,并利用搜索算法解优化问题;
首先离散化干扰源所在圆。干扰源所在圆所在平面法向量为
因为
在xoy平面的概率为0,所以用ν
1,[1,0,0],[0,1,0]进行施密特变换,其中
e
1=[1,0,0]、e
2=[0,1,0],得到ν
1,α
1,α
2三个两两正交的单位向量,具体的而言,α
1=e
1-ν
1 Te
1ν
1,α
2=e
2-ν
1 Te
2ν
1-α
2 Te
2α
2。所以干扰源所在圆上的点x
i=O
2+r
2 cosθ
iα
1+r
2 sinθ
iα
2,其中θ
i为x
iO
2与α
1的夹角。对干扰源所在圆等分,每段长接近1km,所以干扰源所在圆上点集合
最后用搜索算法求解以下优化问题:
得到的解x
*就是干扰源估计位置。
上述定位方法所采用的定位装置为无源定位装置,其包含信号采集模块和数据处理模块,数据处理模块执行以下指令:
根据所述信号采集模块接收到的信号强度进行数据预处理,估计被干扰时段采集点的位置坐标,筛选出可用采集点且估计其接收信号强度;
根据所述被干扰时段采集点的位置坐标计算卫星覆盖重叠区域;
根据所述筛选出的信号强度最强和最弱的可用采集点计算出干扰源所在圆;
根据所述筛选出的可用采集点在卫星覆盖重叠区域内干扰源所在圆上基于信号强度变化率最相似搜索干扰源位置。
下面通过具体仿真对本发明的技术方案进行进一步阐述。仿真中,干扰源是一个窄波束持续跟踪干扰卫星2.5个小时,干扰源在干扰卫星时位置不变且信号强度不变,同一频段卫星每隔一段时间会采集一次覆盖区域内的信号强度,卫星接收信号强度用10个码值表示1dBm。卫星轨道数据为中轨卫星真实数据。假设干扰源信号传播为自由空间传播。噪声信号强度服从对数正态分布,干扰源信号与噪声信号信噪比均值为20dB。
重复独立仿真100次,图4中标记“×”给出了干扰源在地球上的估计位置,球面为地球面,由于估计位置相对集中,所以100个估计位置重叠在一块。图5给出了图4的局部放大图,反应了干扰源估计位置与实际位置的误差距离。其中每个圆圈为一次仿真得到的干扰源估计位置,小球与大球球心均为真实干扰源位置,小球半径20km,大球半径50km。从图5中可以看出,大多数情况下估计误差在20km以内,绝大多数情况下估计误差在50km以内,基于信号强度变化率直接定位方法能够实现良好的定位效果。