CN113359165A - 多卫星联合定位辐射源的方法、装置及电子设备 - Google Patents

多卫星联合定位辐射源的方法、装置及电子设备 Download PDF

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CN113359165A CN202110620743.9A CN202110620743A CN113359165A CN 113359165 A CN113359165 A CN 113359165A CN 202110620743 A CN202110620743 A CN 202110620743A CN 113359165 A CN113359165 A CN 113359165A
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Abstract

本申请公开了一种多卫星联合定位辐射源的方法、装置及电子设备。本申请针对具有重叠工作频段的非相关多星系统，先获取多个卫星通过标校得到的时间基准误差和频率基准误差，然后在一定时间跨度内，持续进行重叠工作频段内的辐射源信号的模拟转发与地面基带同步采样，并对辐射源信号进行时差和频差处理，最后应用上述时间基准误差和频率基准误差，实现基于时差或时频差的辐射源高精度定位。本申请解决了非相关多星联合高精度定位的难题，可将通信卫星等一切可利用卫星资源纳入到定位系统，且由于信号同步采样是在地面完成，因此通过单次标校后，可以在一定持续时间跨度内，实现将重叠工作频段内的所有辐射源进行高精度定位，大大拓展了其应用范围。

Description

多卫星联合定位辐射源的方法、装置及电子设备
技术领域
本申请涉及无线电定位技术领域，具体涉及一种多卫星联合定位辐射源的方法、装置及电子设备。
背景技术
多星时差(TDOA)或时频差(TDOA/FDOA)定位系统，是获得辐射源高精度定位的手段之一。一般情况下，这种定位系统从开始设计就按照多星编队考虑，星间具有复杂的星间链路与超高稳定的铷钟，通过星间链路实现定位系统的时间基准、频率基准。
然而，现实情况可能较多的卫星设计之初并没有考虑多星定位技术的应用，而只采用了单星定位技术，导致定位精度比较低，而不能满足作战需求；或是某些多星定位系统存在一颗或多颗卫星失效的情况下，同样不能实现多星定位。
发明内容
有鉴于此，本申请的主要目的在于提供了一种多卫星联合定位辐射源的方法、装置及电子设备，用于解决现有有技术中的辐射源定位方法定位精度较差的技术问题。
依据本申请的第一方面，提供了一种多卫星联合定位辐射源的方法，多个卫星具有重叠的工作频段，所述方法包括：
获取所述多个卫星的时间基准误差和频率基准误差；
通过所述多个卫星接收辐射源发射的辐射源信号，调整各个卫星的接收机置频参数，以使所述辐射源信号的频率处于接收机瞬时工作频段内，并将所述辐射源信号模拟转发到地面数据处理系统，其中所述接收机瞬时工作频段位于所述多个卫星重叠的工作频段内；
通过所述地面数据处理系统接收所述辐射源信号并进行基带同步采样，得到采样后的辐射源信号；
获取所述采样后的辐射源信号在接收时刻的测量时差和测量频差；
根据所述多个卫星的时间基准误差和所述采样后的辐射源信号在接收时刻的测量时差建立时差方程，以及根据所述多个卫星的频率基准误差和所述采样后的辐射源信号在接收时刻的测量频差建立频差方程；
通过所述时差方程和所述频差方程，实现对所述辐射源的定位。
依据本申请的第二方面，提供了一种多卫星联合定位辐射源的装置，多个卫星具有重叠的工作频段，所述装置包括：
基准误差获取单元，用于获取所述多个卫星的时间基准误差和频率基准误差；
辐射源信号接收和模拟转发单元，用于通过所述多个卫星接收辐射源发射的辐射源信号，调整各个卫星的接收机置频参数，以使所述辐射源信号的频率处于接收机瞬时工作频段内，并将所述辐射源信号模拟转发到地面数据处理系统，其中所述接收机瞬时工作频段位于所述多个卫星重叠的工作频段内；
地面接收和数字采样单元，用于通过所述地面数据处理系统接收所述辐射源信号并进行基带同步采样，得到采样后的辐射源信号；
测量时差和测量频差获取单元，用于获取所述采样后的辐射源信号在接收时刻的测量时差和测量频差；
时差方程和频差方程建立单元，用于根据所述多个卫星的时间基准误差和所述采样后的辐射源信号在接收时刻的测量时差建立时差方程，以及根据所述多个卫星的频率基准误差和所述采样后的辐射源信号在接收时刻的测量频差建立频差方程；
辐射源定位单元，用于通过所述时差方程和所述频差方程，实现对所述辐射源的定位。
依据本申请的第三方面，提供了一种电子设备，包括：处理器，存储计算机可执行指令的存储器，
所述可执行指令在被所述处理器执行时，实现前述多卫星联合定位辐射源的方法。
依据本申请的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序当被处理器执行时，实现前述的多卫星联合定位辐射源的方法。
本申请的有益效果是：本申请实施例的多卫星联合定位辐射源的方法针对没有时间基准、频率基准，但具有重叠工作频段的非相关多星系统，首先获取多个卫星通过标校得到的时间基准误差和频率基准误差，然后在一定时间跨度内，持续进行重叠工作频段内的辐射源信号的模拟转发与地面基带同步采样，并对采样后的辐射源信号进行时差和频差处理，最后应用标校得到的时间基准误差和频率基准误差，实现基于时差或时频差的辐射源高精度定位。本申请实施例解决了非相关多星联合高精度定位的难题，可以将包含通信卫星及其他卫星(具备透明转发功能)在内的一切可利用卫星资源纳入到定位系统，且由于信号同步采样是在地面完成，因此通过单次标校后，可以在一定持续时间跨度内，实现将重叠工作频段内的所有辐射源信号进行高精度定位，大大拓展了其应用范围。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本申请一个实施例的多卫星联合定位辐射源的方法的流程图；
图2为本申请一个实施例的双星测频定位系统的结构示意图；
图3为本申请一个实施例的卫星、地面标校站及辐射源在地心固连系下的位置关系示意图；
图4为本申请一个实施例的基于非实时模拟转发的标校流程框图；
图5为本申请一个实施例的卫星星下点轨迹与标校站、目标辐射源的位置关系示意图；
图6为本申请一个实施例的未标校的双星时频差定位CEP分布图；
图7为本申请一个实施例的标校后的双星时频差定位CEP分布图；
图8为本申请一个实施例的多卫星联合定位辐射源的装置的框图；
图9为本申请一个实施例中电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本申请的示例性实施例。提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请的范围完整的传达给本领域的技术人员。虽然附图中显示了本申请的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施例所限制。
图1示出了根据本申请一个实施例的多卫星联合定位辐射源的方法的流程示意图，参见图1，本申请实施例的多个卫星具有重叠的工作频段，本申请实施例的多卫星联合定位辐射源的方法包括如下步骤S110至步骤S160：
步骤S110，获取多个卫星的时间基准误差和频率基准误差；
步骤S120，通过所述多个卫星接收辐射源发射的辐射源信号，调整各个卫星的接收机置频参数，以使所述辐射源信号的频率处于接收机瞬时工作频段内，并将所述辐射源信号模拟转发到地面数据处理系统，其中所述接收机瞬时工作频段位于所述多个卫星重叠的工作频段内；
步骤S130，通过所述地面数据处理系统接收所述辐射源信号并进行基带同步采样，得到采样后的辐射源信号；
步骤S140，获取采样后的辐射源信号在接收时刻的测量时差和测量频差；
步骤S150，根据多个卫星的时间基准误差和采样后的辐射源信号在接收时刻的测量时差建立时差方程，以及根据多个卫星的频率基准误差和采样后的辐射源信号在接收时刻的测量频差建立频差方程；
步骤S160，通过时差方程和频差方程，实现对辐射源的定位。
本申请实施例的多卫星联合定位辐射源的方法针对没有时间基准、频率基准，但具有重叠工作频段的非相关多星系统，首先获取多个卫星通过标校得到的时间基准误差和频率基准误差，然后在一定时间跨度内，持续进行重叠工作频段内的辐射源信号的模拟转发与地面基带同步采样，并对采样后的辐射源信号进行时差和频差处理，最后应用标校得到的时间基准误差和频率基准误差，实现基于时差或时频差的辐射源高精度定位。
本申请实施例解决了非相关多星联合高精度定位的难题，可以将包含通信卫星及其他卫星(具备透明转发功能)在内的一切可利用卫星资源纳入到定位系统，且由于信号同步采样是在地面完成，因此通过单次标校后，可以在一定持续时间跨度内，实现将重叠工作频段内的所有辐射源信号进行高精度定位，大大拓展了其应用范围。
需要说明的是，本申请实施例的多卫星联合定位辐射源的方法针对的卫星数量可以是两个，也可以是两个以上的任意数量，例如可以将本申请提出的多卫星联合定位辐射源的方法应用于非相关的双星/三星定位系统，可以通过双星时频差定位技术/三星时差定位技术实现地面静止或慢速目标的高精度定位；或者也可以应用于非相关的四星定位系统，可以通过四星时差定位技术实现空中目标的高精度定位等等。
为了便于对本申请各实施例的理解，下述各实施例均以两个非相关卫星组成的定位系统为例进行说明。
在本申请的一个实施例中，获取多个卫星的时间基准误差和频率基准误差包括：通过地面标校站发射标校信号，并根据标校信号的频率设置各个卫星的接收机置频参数，其中所述标校信号的频率处于所述接收机瞬时工作频段内；通过多个卫星接收标校信号并将标校信号模拟转发到地面数据处理系统进行基带同步采样，得到采样后的标校信号；提取采样后的标校信号的测量时差和测量频差，以及提取采样后的标校信号到达多个卫星的真实时差与真实频差；根据采样后的标校信号的测量时差和采样后的标校信号到达多个卫星的真实时差，确定多个卫星的时间基准误差，以及根据采样后的标校信号的测量频差和采样后的标校信号到达多个卫星的真实频差，确定多个卫星的频率基准误差。
如图2所示，提供了本申请一个实施例的双星测频定位系统的结构示意图。本申请实施例的双星测频定位系统主要包括卫星i和卫星j、地面标校站、辐射源、地面数据处理系统。
基于上述双星测频定位系统，本申请实施例在获取两个卫星的时间基准误差和频率基准误差时，可以先利用卫星i和卫星j分别接收地面标校站发射的标校信号，卫星i和卫星j可以看作是具有重叠工作频段Mf的非相关的且具有模拟转发功能的通信卫星，且地面标校站发射的标校信号的频率需要位于这两个卫星的重叠工作频段Mf内，才能够被卫星i和卫星j同时接收到，同样辐射源发射的辐射源信号的频率也需要位于重叠工作频段Mf内。
此外在模拟转发的场景下，标校信号和辐射源信号的工作频段即接收机瞬时工作频段也需要相同，对此可以通过设置多个卫星上的接收机置频参数与标校时的接收机置频参数相同的方式来保证接收到的标校信号和辐射源信号的频率均处于接收机同一瞬时工作频段内，进而可以应用本申请实施例的定位方案。
之后，卫星i和卫星j会分别将标校信号直接模拟转发到地面数据处理系统进行基带同步采样，得到采样后的标校信号，地面数据处理系统采取直接或间接方法，从采样后的标校信号中提取出采样后的标校信号的测量时差和测量频差以及采样后的标校信号到达卫星i和卫星j的真实时差与真实频差。最后根据采样后的标校信号的测量时差和采样后的标校信号到达卫星i和卫星j的真实时差建立起双星定位系统的时间基准误差，根据采样后的标校信号的测量频差和采样后的标校信号到达卫星i和卫星j的真实频差建立起双星定位系统的频率基准误差。
在本申请的一个实施例中，提取采样后的标校信号到达多个卫星的真实时差与真实频差包括：确定地面标校站、各个卫星在地心固连系中的位置矢量和相对速度矢量，以及标校信号的频率；根据地面标校站和各个卫星在地心固连系中的位置矢量，提取采样后的标校信号到达多个卫星的真实时差；根据地面标校站、各个卫星在地心固连系中的位置矢量和相对速度矢量，以及标校信号的频率，提取采样后的标校信号到达多个卫星的真实频差。
如图3所示，提供了本申请一个实施例的卫星、地面标校站及辐射源在地心固连系下的位置关系示意图。
在提取采样后的标校信号到达卫星i和卫星j的真实时差与真实频差时，可以先利用地面数据处理系统获取到的GPS数据确定t1时刻地面标校站(B)在地心固连系(Se)下的位置矢量rb和相对速度矢量vb，卫星i(Si)的位置矢量ri1和相对速度矢量vi1、卫星j(Sj)的位置矢量rj1和相对速度矢量vj1，以及标校信号的频率fb，则标校信号到达Si、Sj的真实时差tij bt与真实频差fij bt可以分别表示为式(1)和式(2)：
Figure BDA0003099768270000081
Figure BDA0003099768270000082
之后，Si、Sj将接收到的标校信号模拟转发到地面数据处理系统进行基带同步采样，对采样后的标校信号通过直接或间接方法提取标校信号到达Si、Sj的测量时差tij bm和测量频差fij bm。那么，基于标校信号建立的非相关多星定位系统的时间基准误差Δtij和频率基准误差Δfij就可以分别表示为式(3)和式(4)：
Δtij＝tij bt-tij bm，(3)
Δfij＝fij bt-fij bm，(4)
在本申请的一个实施例中，根据多个卫星的时间基准误差和采样后的辐射源信号在接收时刻的测量时差建立时差方程，以及根据多个卫星的频率基准误差和采样后的辐射源信号在接收时刻的测量频差建立频差方程包括：确定辐射源、各个卫星在地心固连系中的位置矢量和相对速度矢量，以及辐射源信号的频率；根据辐射源和各个卫星在地心固连系中的位置矢量，以及多个卫星的时间基准误差和采样后的辐射源信号的测量时差，建立时差方程；根据辐射源、各个卫星在地心固连系中的位置矢量和相对速度矢量、辐射源信号的频率，以及多个卫星的频率基准误差和采样后的辐射源信号的测量频差，建立频差方程。
基于上述实施例得到的时间基准误差Δtij和频率基准误差Δfij，可以将其作为补偿值，建立非相关多星定位系统的时差方程和频差方程，获得时差方程和频差方程后，就可以对辐射源进行多星定位了。
具体地，在t2时刻，辐射源信号被Si、Sj接收，卫星上的接收机将信号直接模拟转发到地面数据处理系统进行基带同步采样，地面数据处理系统提取采样后的辐射源信号到达Si、Sj的测量时差tij pm和测量频差fij pm。那么，补偿时间基准误差Δtij和频率基准误差Δfij后，可以得到辐射源信号到达卫星Si、Sj的真实时差tij pt与真实频差fij pt，如下式(5)和式(6)所示：
tij pt＝tij pm+Δtij+ξij，(5)
fij pt＝fij pm+Δfij+εij，(6)
其中，ξij、εij分别为通过标校后，卫星Si、Sj之间的时间基准残留误差、频率基准残留误差，为随机高斯白噪声，其方差随时间推移而变大，在一定时间跨度内可认为是恒值，这里的时间跨度取决于可容忍的定位精度。
在t2时刻，令辐射源在地心固连系中的位置矢量与相对速度矢量分别为rp、vp，Si在地心固连系中的位置矢量与相对速度矢量分别为ri2、vi2，Sj在地心固连系中的位置矢量与相对速度矢量分别为rj2、vj2，辐射源信号的频率fp，则包含辐射源位置的时差方程与频差方程分别可以表示为式(7)和式(8)：
Figure BDA0003099768270000101
Figure BDA0003099768270000102
通过联立上述式(7)和式(8)，即可以求解出辐射源的位置矢量rp和相对速度矢量分别为vp，从而实现对辐射源的高精度定位。
需要说明的是，地面数据处理系统需要具有较高的频率源稳定度，且在定位应用时，星上模拟转发参数(如接收机置频参数)需要与之前标校时保持一致，上述频率补偿才可以直接应用。
此外，上述实施例的t1时刻和t2时刻无需相等即非实时，因此相比于通过伴生信号进行实时标校来实现多星定位的方法，本申请实施例不需要标校信号与辐射源信号同时被卫星上的接收机进行模拟转发，因而其应用具有更高的灵活性与更强的隐蔽性。
在本申请的一个实施例中，通过时差方程和频差方程，实现对辐射源的定位包括：确定辐射源的类型；若辐射源的类型为地面目标，则根据辐射源的位置矢量建立地球面约束方程，并根据地球面约束方程、时差方程和频差方程，实现对辐射源的定位；若辐射源的类型为非地面目标，则直接通过时差方程和频差方程，实现对辐射源的定位。
实际应用场景下，辐射源的类型可以有两种，一种是地面辐射源，一种是非地面辐射源，如果根据先验信息确定当前待定位的辐射源是地面辐射源，那么该辐射源的位置还服从地球面约束，如下式(9)所示：
Figure BDA0003099768270000111
其中，[xp,yp,zp]T＝rp，a、e分别为地球半长轴和扁率。
联立方程(7)、(8)和(9)，进而通过求解方程组可以实现辐射源的高精度定位。
需要说明的是，在工程应用中，由于模拟转发是将接收到的标校信号和辐射源信号实时传输到地面进行基带同步采样的，因此需要地面接收站时刻在卫星可视范围内，保证模拟转发信号能够被地面实时接收，进而才能保证定位精度。
在本申请的一个实施例中，在通过地面标校站发射标校信号之前，该方法还包括：通过地面数据处理系统确定多个卫星的转发通道相对时延误差和多个卫星的定位精度；根据多个卫星的转发通道相对时延误差和多个卫星的定位精度，确定是否执行通过地面标校站发射标校信号的步骤。
在本申请的一个实施例中，该方法还包括：对多个卫星的时间基准误差和频率基准误差进行精度分析；根据时间基准误差的精度分析结果计算时差测量总误差，以及根据频率基准误差的精度分析结果计算频差测量总误差；其中，时差测量总误差为时间基准残留误差、定位时累计时间内的时差误差和时差估计误差之和，频差测量总误差为频率基准残留误差、定位时累计时间内的频差误差和辐射源信号的频差估计误差之和；根据时差测量总误差和频差测量总误差对辐射源的定位结果进行精度评估。
为了进一步衡量上述实施例的多卫星联合定位辐射源的方法的定位精度，本申请对标校后的时间基准和频率基准进行了精度分析，并在此基础计算出了定位系统的时差测量总误差与频差测量总误差。
如图4所示，提供了本申请一个实施例的基于非实时模拟转发的标校流程框图。地面标校站发射的标校信号被卫星Si和Sj接收后，模拟转发到地面数据处理系统进行基带同步采样，地面数据处理系统通过提取采样后的标校信号分别到达Si和Sj的时间差和频率差，结合卫星平台的定位精度，获得标校后的非相关多星定位系统的时间基准精度与频率基准精度。
具体计算过程如下：
(1)标校后时间基准精度分析
基于地面标校信号，可以对两星之间模拟转发通道相对时延进行标定，同时引入上、下行路径时延误差、累计时间内的时差误差及地面处理误差，则标校后的时间基准残留误差主要包含：
(a)上行路径时延误差：由地面标校站和卫星的距离引起，由于地面标校站位置固定，其误差主要由卫星位置误差决定，由于卫星位置误差随时间变化，所以该误差无法消除。假设两颗卫星的定轨精度分别为σsi、σsj，则两星之间由于上行路径传播的时延误差可以表示为
Figure BDA0003099768270000121
(b)下行路径时延误差：由接收站和卫星的距离引起，由于地面接收站位置固定，其误差主要由卫星位置误差决定，由于卫星位置误差随时间变化，所以该误差无法消除，则两星之间由于下行路径传播的时延误差同样可以表示为
Figure BDA0003099768270000122
(c)标校时累计时间内的时差误差：由卫星平台之间的相对运动造成，轨道相近时该值比较小，轨道相差较大时该值比较大。该值表现为不确定的随机误差，可表示为σrt；
(d)地面同步采样及标校信号时差估计误差：主要为标校信号时频差估计的时间误差σct。
综上考虑，基于地面标校信号，通过非实时模拟转发标校后的时间基准残留误差，即时间基准精度，按照标准差形式可以表示为：
Figure BDA0003099768270000131
从上述公式(10)可以看出，通过地面对卫星之间的转发通道相对时延进行标定时，两次引入了卫星的定位误差。当卫星定位精度非常高的时候，可以采取该方法，获得较高的时间基准精度。但是，当卫星定位精度比较差时，通过标校反而造成时间基准精度变差。因此是否需要进行标校取决于两星转发通道相对时延误差δs与卫星定位精度的相对大小关系：
Figure BDA0003099768270000132
当满足上述关系式时，进行地面标校可以提高时间基准精度；当不满足上述关系式时，将不进行地面标校，可以将辐射源信号在地面进行的同步采样时间作为定位系统的时间基准。
对于第二种情况，地面计算得到的辐射源信号时差需要减去模拟转发时的下行路径时延，才能反映信号到达定位系统的真实时差，则会引入卫星的自定位位置误差，将该误差作为时间基准残留误差考虑。那么，时间基准残留误差主要包含：
(a)转发通道相对时延误差：转发通道时延由有效载荷转发通道模拟器件的固有特性决定，该时延在较长的时间内相对稳定，故两星转发通道相对时延误差也相对固定，可表示为δs；
(b)下行路径时延误差；
(c)地面同步采样时间误差：由地面同步实现，该值比较小，可表示为σtt。
综上考虑，不进行地面标校，定位系统的时间基准残留误差，即时间基准精度，按照标准差形式可以表示为：
Figure BDA0003099768270000141
(2)标校后频率基准精度分析
基于地面标校信号，可以对两星之间模拟转发通道相对频率误差(固定偏差)进行标定，同时引入上、下行多普勒频移误差、累计时间内的频差误差及地面处理误差，则标校后的频率基准残留误差主要包含：
(a)上行多普勒频移误差：由地面标校站和卫星的相对运动速度在相对位置矢量上的投影引起，由于地面标校站位置固定，其误差主要由卫星位置、速度误差决定，由于卫星位置、速度误差随时间变化，所以该误差无法消除，表现为不确定的随机误差。
假设两颗卫星的速度测量误差分别为σvi、σvj，标校源上行频率为fb，则最大多普勒频移误差可分别表示为
Figure BDA0003099768270000142
(
Figure BDA0003099768270000143
为Si的天线波束边缘到Si与地心连线的最大夹角)、
Figure BDA0003099768270000144
(
Figure BDA0003099768270000145
为Sj的天线波束边缘到Sj与地心连线的最大夹角)，则两星之间上行多普勒频移误差σudij可以表示为：
Figure BDA0003099768270000146
(b)转发通道相对频率漂移误差：转发通道相对频率误差主要由卫星有效载荷频率源误差与通道特性决定，分为固定偏差与短期漂移误差。通过地面标校后，固定偏差可补偿，短期漂移误差不可补偿，且随时间变化，与频率源的短期稳定度相关。
假设两颗卫星的转发频率分别为fti、ftj，频率稳定度分别为σfi、σfj，则通过标校后可获得的转发通道最大相对频率漂移误差σfij为：
Figure BDA0003099768270000151
(c)下行多普勒频移误差：由接收站和卫星的相对运动速度在相对位置矢量上的投影引起，由于接收站位置固定，其误差主要由卫星位置、速度误差决定，由于卫星位置、速度误差随时间变化，所以该误差无法消除，该值表现为不确定的随机误差。两颗卫星的最大多普勒频移误差可分别表示为
Figure BDA0003099768270000152
(
Figure BDA0003099768270000153
为Si的模拟转发波束边缘到Si与地心连线的最大夹角)、
Figure BDA0003099768270000154
(
Figure BDA0003099768270000155
为Sj的模拟转发波束边缘到Sj与地心连线的最大夹角)，则两星之间下行多普勒频移误差σddij可以表示为：
Figure BDA0003099768270000156
(d)标校时累计时间内的频差误差：由卫星平台之间的相对运动造成，轨道相近时该值比较小，轨道相差较大时该值比较大。该值表现为不确定的随机误差，可表示为σrf；
(e)地面变频通道频率漂移：模拟转发信号在地面进行下变频同步采样时，变频通道存在频率的固定偏差与漂移误差，前者通过标校可以补偿，后者不可补偿，且随时间变化，与地面频率源的短期稳定度相关。
假设地面频率源稳定度为σd，则通过标校后，可获得的地面变频通道频率漂移误差σfd可以表示为：
σfd＝|fti-ftj|σd，(16)
(f)地面标校信号频差估计误差：主要为标校信号时频差估计的频率误差σcf。
综上考虑，基于地面标校信号，通过非实时模拟转发标校后的频率基准残留误差，即频率基准精度，按照标准差形式可以表示为：
Figure BDA0003099768270000161
从上式(17)可以看出，频率基准精度与频率源的稳定度有关，而频率源稳定度又与时间跨度有关(时间跨度越长，稳定度越差)，所以基准频率精度随时间变化，通过地面标校后，在一定时间跨度内可以认为是恒值。
基于上述实施例，通过地面标校后就得到了定位系统的时间基准精度与频率基准精度。那么，基于非实时模拟转发标校后的非相关多星联合高精度定位系统的时差测量总误差可表示为时间基准精度、定位时累计时间内的时差误差和时差估计误差之和；频差测量总误差可表示为频率基准精度、定位时累计时间内的频差误差和目标信号的频差估计误差之和。基于时差测量总误差、频差测量总误差、卫星定位精度和定位方程组，可以获得系统定位精度的CEP(Circular Error Probable，圆概率误差)分布，具体推导本申请实施例不再详述。
为了验证本申请实施例的多卫星联合定位辐射源的方法的定位效果，本申请实施例还提供了双星联合定位辐射源的定位精度分析过程。首先建立非相关低轨卫星与高轨卫星联合的高精度定位系统，然后给出该定位系统的CEP分布。
令低轨卫星处于800km高的太阳同步轨道，天线波束宽度为120度，高轨卫星为地球同步轨道，天线波束宽度为5度，它们的相对位置关系如图5所示。
令低轨卫星的位置自定位误差为5m(1σ)、速度自定位误差为0.1m/s(1σ)，高轨卫星的位置自定位误差为500m(1σ)、速度自定位误差为1m/s(1σ)。由于两星没有协同设计考虑，它们之间没有频率基准，或者说频率基准的误差非常大(几十kHz或几百kHz以上)，根本无法进行双星联合的时频差定位。
为了方便进行对比分析，暂将两星的频率基准误差减小为1kHz考虑，由于定位时累计时间内的频差误差和目标信号的频差估计误差相对比较小，可忽略不计，故频差测量总误差可近似为1kHz。令两星转发通道相对时延误差为100ns，地面同步采样时间误差为20ns，则不进行标校时，时间基准精度如下表1所示。
表1
高轨卫星定位精度(m) 500
低轨卫星定位精度(m) 5
转发通道相对时延误差(ns) 100
下行路径时延误差(ns) 1667
地面同步采样时间误差(ns) 20
时间基准精度(ns) 1670
令定位时累计时间内的时差误差为1000ns，目标信号的时差估计误差为600ns，则时差测量总误差为2037ns，如下表2所示。
表2
时间基准精度(ns) 1670
定位时累计时间内的时差误差(ns) 1000
信号时差估计误差(ns) 600
时差测量总误差(ns) 2037
令目标信号上行频率为300MHz，则不进行地面标校进行双星时频差定位的CEP分布如图6所示。从图6中可以看出，虽然已经将两星频率基准误差减小为1kHz(实际误差将更大)，但是进行双星时频差定位的精度很差，根本无法实际应用。
为了解决双星联合的高精度定位，必须进行地面标校。如图5所示，地面存在标校站(BJZ)与目标辐射源(Ship)，低轨卫星与高轨卫星首先共视标校站，通过标校站发射标校信号(频率为280MHz)，低轨卫星和高轨卫星同时将标校信号模拟转发到地面，通过地面系统进行系统标校。按照实施案例给出的初始条件，显然不满足公式(11)，则时间基准不进行标校，此时的时间基准精度与时差测量总误差的计算分别入如表1、表2所示，为1670ns和2037ns。而两星频率基准必须进行地面标校，通过标校后可以将其固定误差消除，最终可获得的频率基准精度按照公式(17)计算。
表3给出了频率基准精度计算的初始条件及最终结果，表3中卫星频率源稳定度与地面频率源稳定度都给出了时稳精度，那么标校后的两星频率基准精度将在1小时之内优于该计算值，时间跨度大于1小时后需要重新进行频率标定。
表3
Figure BDA0003099768270000181
Figure BDA0003099768270000191
令定位时累计时间内的频差误差为2.2Hz，目标信号的频差估计误差为1.0Hz，则频差测量总误差为24.1Hz，如下表4所示。
表4
频率基准精度(Hz) 24.0
定位时累计时间内的频差误差(Hz) 2.2
信号频差估计误差(Hz) 1.0
频差测量总误差(Hz) 24.1
经过地面标校后，双星时频差定位的CEP分布如图7所示。从图7中可以看出，在低轨星下点附近的定位精度优于5km，实现了对辐射源的高精度定位。
与前述多卫星联合定位辐射源的方法同属于一个技术构思，本申请实施例还提供了装置。图8示出了本申请一个实施例的多卫星联合定位辐射源的装置的框图，参见图8，多卫星联合定位辐射源的装置800包括：基准误差获取单元810、辐射源信号接收和模拟转发单元820、地面接收和数字采样单元830、测量时差和测量频差获取单元840、时差方程和频差方程建立单元850以及辐射源定位单元860。其中，
基准误差获取单元810，用于获取多个卫星的时间基准误差和频率基准误差；
辐射源信号接收和模拟转发单元820，用于通过所述多个卫星接收辐射源发射的辐射源信号，调整各个卫星的接收机置频参数，以使所述辐射源信号的频率处于接收机瞬时工作频段内，并将所述辐射源信号模拟转发到地面数据处理系统，其中所述接收机瞬时工作频段位于所述多个卫星重叠的工作频段内；
地面接收和数字采样单元830，用于通过所述地面数据处理系统接收所述辐射源信号并进行基带同步采样，得到采样后的辐射源信号；
测量时差和测量频差获取单元840，用于获取采样后的辐射源信号在接收时刻的测量时差和测量频差；
时差方程和频差方程建立单元850，用于根据多个卫星的时间基准误差和采样后的辐射源信号在接收时刻的测量时差建立时差方程，以及根据多个卫星的频率基准误差和采样后的辐射源信号在接收时刻的测量频差建立频差方程；
辐射源定位单元860，用于通过时差方程和频差方程，实现对辐射源的定位。
在本申请的一个实施例中，基准误差获取单元810具体用于：通过地面标校站发射标校信号，并根据标校信号的频率设置各个卫星的接收机置频参数，其中所述标校信号的频率处于所述接收机瞬时工作频段内；通过多个卫星接收标校信号并将标校信号模拟转发到地面数据处理系统进行基带同步采样，得到采样后的标校信号；提取采样后的标校信号的测量时差和测量频差，以及提取采样后的标校信号到达多个卫星的真实时差与真实频差；根据采样后的标校信号的测量时差和采样后的标校信号到达多个卫星的真实时差，确定多个卫星的时间基准误差，以及根据采样后的标校信号的测量频差和采样后的标校信号到达多个卫星的真实频差，确定多个卫星的频率基准误差。
在本申请的一个实施例中，基准误差获取单元810具体用于：确定地面标校站、各个卫星在地心固连系中的位置矢量和相对速度矢量，以及标校信号的频率；根据地面标校站和各个卫星在地心固连系中的位置矢量，提取采样后的标校信号到达多个卫星的真实时差；根据地面标校站、各个卫星在地心固连系中的位置矢量和相对速度矢量，以及标校信号的频率，提取采样后的标校信号到达多个卫星的真实频差。
在本申请的一个实施例中，时差方程和频差方程建立单元850具体用于：确定辐射源、各个卫星在地心固连系中的位置矢量和相对速度矢量，以及辐射源信号的频率；根据辐射源和各个卫星在地心固连系中的位置矢量，以及多个卫星的时间基准误差和采样后的辐射源信号的测量时差，建立时差方程；根据辐射源、各个卫星在地心固连系中的位置矢量和相对速度矢量、辐射源信号的频率，以及多个卫星的频率基准误差和采样后的辐射源信号的测量频差，建立频差方程。
在本申请的一个实施例中，辐射源定位单元860具体用于：确定辐射源的类型；若辐射源的类型为地面目标，则根据辐射源的位置矢量建立地球面约束方程，并根据地球面约束方程、时差方程和频差方程，实现对辐射源的定位；若辐射源的类型为非地面目标，则直接通过时差方程和频差方程，实现对辐射源的定位。
在本申请的一个实施例中，该装置还包括：信道化采样参数设置单元，用于设置多个卫星上的接收机信道化采样参数与标校时的接收机信道化采样参数相同。
在本申请的一个实施例中，该装置还包括：标校判断单元，用于通过地面数据处理系统确定多个卫星的转发通道相对时延误差和多个卫星的定位精度；根据多个卫星的转发通道相对时延误差和多个卫星的定位精度，确定是否执行通过地面标校站发射标校信号的步骤。
在本申请的一个实施例中，该装置还包括：精度分析单元，用于对多个卫星的时间基准误差和频率基准误差进行精度分析；时差测量总误差和频差测量总误差计算单元，用于根据时间基准误差的精度分析结果计算时差测量总误差，以及根据频率基准误差的精度分析结果计算频差测量总误差；其中，时差测量总误差为时间基准残留误差、定位时累计时间内的时差误差和时差估计误差之和，频差测量总误差为频率基准残留误差、定位时累计时间内的频差误差和辐射源信号的频差估计误差之和；精度评估单元，用于根据时差测量总误差和频差测量总误差对辐射源的定位结果进行精度评估。
需要说明的是：
图9示意了电子设备的结构示意图。请参考图9，在硬件层面，该电子设备包括存储器和处理器，可选地还包括接口模块、通信模块等。存储器可能包含内存，例如高速随机存取存储器(Random-Access Memory，RAM)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器等。当然，该电子设备还可能包括其他业务所需要的硬件。
处理器、接口模块、通信模块和存储器可以通过内部总线相互连接，该内部总线可以是ISA(Industry Standard Architecture，工业标准体系结构)总线、PCI(PeripheralComponent Interconnect，外设部件互连标准)总线或EISA(Extended Industry StandardArchitecture，扩展工业标准结构)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图9中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
存储器，用于存放计算机可执行指令。存储器通过内部总线向处理器提供计算机可执行指令。
处理器，执行存储器所存放的计算机可执行指令，并具体用于实现以下操作：
获取多个卫星的时间基准误差和频率基准误差；
通过所述多个卫星接收辐射源发射的辐射源信号，并调整各个卫星的接收机置频参数，以使所述辐射源信号的频率处于接收机瞬时工作频段内，其中所述接收机瞬时工作频段位于所述多个卫星重叠的工作频段内；
通过多个卫星接收所述辐射源信号并将所述辐射源信号模拟转发到地面数据处理系统进行基带同步采样，得到采样后的辐射源信号；
获取采样后的辐射源信号在接收时刻的测量时差和测量频差；
根据多个卫星的时间基准误差和采样后的辐射源信号在接收时刻的测量时差建立时差方程，以及根据多个卫星的频率基准误差和采样后的辐射源信号在接收时刻的测量频差建立频差方程；
通过时差方程和频差方程，实现对辐射源的定位。
上述如本申请图8所示实施例揭示的多卫星联合定位辐射源的装置执行的功能可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
该电子设备还可执行图1中多卫星联合定位辐射源的方法执行的步骤，并实现多卫星联合定位辐射源的方法在图1所示实施例的功能，本申请实施例在此不再赘述。
本申请实施例还提出了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储一个或多个程序，该一个或多个程序当被处理器执行时，实现前述的多卫星联合定位辐射源的方法，并具体用于执行：
获取多个卫星的时间基准误差和频率基准误差；
通过所述多个卫星接收辐射源发射的辐射源信号，并调整各个卫星的接收机置频参数，以使所述辐射源信号的频率处于接收机瞬时工作频段内，其中所述接收机瞬时工作频段位于所述多个卫星重叠的工作频段内；
通过多个卫星接收所述辐射源信号并将所述辐射源信号模拟转发到地面数据处理系统进行基带同步采样，得到采样后的辐射源信号；
获取采样后的辐射源信号在接收时刻的测量时差和测量频差；
根据多个卫星的时间基准误差和采样后的辐射源信号在接收时刻的测量时差建立时差方程，以及根据多个卫星的频率基准误差和采样后的辐射源信号在接收时刻的测量频差建立频差方程；
通过时差方程和频差方程，实现对辐射源的定位。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其特征在于包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种多卫星联合定位辐射源的方法，其特征在于，多个卫星具有重叠的工作频段，所述方法包括：
获取所述多个卫星的时间基准误差和频率基准误差；
通过所述多个卫星接收辐射源发射的辐射源信号，调整各个卫星的接收机置频参数，以使所述辐射源信号的频率处于接收机瞬时工作频段内，并将所述辐射源信号模拟转发到地面数据处理系统，其中所述接收机瞬时工作频段位于所述多个卫星重叠的工作频段内；
通过所述地面数据处理系统接收所述辐射源信号并进行基带同步采样，得到采样后的辐射源信号；
获取所述采样后的辐射源信号在接收时刻的测量时差和测量频差；
根据所述多个卫星的时间基准误差和所述采样后的辐射源信号在接收时刻的测量时差建立时差方程，以及根据所述多个卫星的频率基准误差和所述采样后的辐射源信号在接收时刻的测量频差建立频差方程；
通过所述时差方程和所述频差方程，实现对所述辐射源的定位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述多个卫星的时间基准误差和频率基准误差包括：
通过地面标校站发射标校信号，并根据标校信号的频率设置各个卫星的接收机置频参数，其中所述标校信号的频率处于所述接收机瞬时工作频段内；
通过多个卫星接收所述标校信号并将所述标校信号模拟转发到地面数据处理系统进行基带同步采样，得到采样后的标校信号；
提取所述采样后的标校信号的测量时差和测量频差，以及提取所述采样后的标校信号到达所述多个卫星的真实时差与真实频差；
根据所述采样后的标校信号的测量时差和所述采样后的标校信号到达所述多个卫星的真实时差，确定所述多个卫星的时间基准误差，以及根据所述采样后的标校信号的测量频差和所述采样后的标校信号到达所述多个卫星的真实频差，确定所述多个卫星的频率基准误差。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述提取所述采样后的标校信号到达所述多个卫星的真实时差与真实频差包括：
确定所述地面标校站、各个卫星在地心固连系中的位置矢量和相对速度矢量，以及标校信号的频率；
根据所述地面标校站和各个卫星在地心固连系中的位置矢量，提取所述采样后的标校信号到达所述多个卫星的真实时差；
根据所述地面标校站、各个卫星在地心固连系中的位置矢量和相对速度矢量，以及标校信号的频率，提取所述采样后的标校信号到达所述多个卫星的真实频差。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述多个卫星的时间基准误差和所述采样后的辐射源信号在接收时刻的测量时差建立时差方程，以及根据所述多个卫星的频率基准误差和所述采样后的辐射源信号在接收时刻的测量频差建立频差方程包括：
确定辐射源、各个卫星在地心固连系中的位置矢量和相对速度矢量，以及辐射源信号的频率；
根据所述辐射源和各个卫星在地心固连系中的位置矢量，以及所述多个卫星的时间基准误差和所述采样后的辐射源信号的测量时差，建立时差方程；
根据所述辐射源、各个卫星在地心固连系中的位置矢量和相对速度矢量、辐射源信号的频率，以及多个卫星的频率基准误差和所述采样后的辐射源信号的测量频差，建立频差方程。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述时差方程和所述频差方程，实现对辐射源的定位包括：
确定所述辐射源的类型；
若所述辐射源的类型为地面目标，则根据辐射源的位置矢量建立地球面约束方程，并根据所述地球面约束方程、所述时差方程和所述频差方程，实现对辐射源的定位；
若所述辐射源的类型为非地面目标，则直接通过所述时差方程和所述频差方程，实现对辐射源的定位。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在通过地面标校站发射标校信号之前，所述方法还包括：
通过地面数据处理系统确定多个卫星的转发通道相对时延误差和多个卫星的定位精度；
根据所述多个卫星的转发通道相对时延误差和多个卫星的定位精度，确定是否执行通过地面标校站发射标校信号的步骤。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对所述多个卫星的时间基准误差和频率基准误差进行精度分析；
根据时间基准误差的精度分析结果计算时差测量总误差，以及根据频率基准误差的精度分析结果计算频差测量总误差；
其中，所述时差测量总误差为时间基准残留误差、定位时累计时间内的时差误差和时差估计误差之和，所述频差测量总误差为频率基准残留误差、定位时累计时间内的频差误差和辐射源信号的频差估计误差之和；
根据所述时差测量总误差和所述频差测量总误差对所述辐射源的定位结果进行精度评估。
8.一种多卫星联合定位辐射源的装置，其特征在于，多个卫星具有重叠的工作频段，所述装置包括：
基准误差获取单元，用于获取所述多个卫星的时间基准误差和频率基准误差；
辐射源信号接收和模拟转发单元，用于通过所述多个卫星接收辐射源发射的辐射源信号，调整各个卫星的接收机置频参数，以使所述辐射源信号的频率处于接收机瞬时工作频段内，并将所述辐射源信号模拟转发到地面数据处理系统，其中所述接收机瞬时工作频段位于所述多个卫星重叠的工作频段内；
地面接收和数字采样单元，用于通过地面数据处理系统接收所述辐射源信号并进行基带同步采样，得到采样后的辐射源信号；
测量时差和测量频差获取单元，用于获取所述采样后的辐射源信号在接收时刻的测量时差和测量频差；
时差方程和频差方程建立单元，用于根据所述多个卫星的时间基准误差和所述采样后的辐射源信号在接收时刻的测量时差建立时差方程，以及根据所述多个卫星的频率基准误差和所述采样后的辐射源信号在接收时刻的测量频差建立频差方程；
辐射源定位单元，用于通过所述时差方程和所述频差方程，实现对所述辐射源的定位。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述基准误差获取单元具体用于：
通过地面标校站发射标校信号，并根据标校信号的频率设置各个卫星的接收机置频参数，其中所述标校信号的频率处于所述接收机瞬时工作频段内；
通过多个卫星接收所述标校信号并将所述标校信号模拟转发到地面数据处理系统进行基带同步采样，得到采样后的标校信号；
提取所述采样后的标校信号的测量时差和测量频差，以及提取所述采样后的标校信号到达所述多个卫星的真实时差与真实频差；
根据所述采样后的标校信号的测量时差和所述采样后的标校信号到达所述多个卫星的真实时差，确定所述多个卫星的时间基准误差，以及根据所述采样后的标校信号的测量频差和所述采样后的标校信号到达所述多个卫星的真实频差，确定所述多个卫星的频率基准误差。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器，存储计算机可执行指令的存储器，
所述可执行指令在被所述处理器执行时，实现所述权利要求1至7之任一所述多卫星联合定位辐射源的方法。
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