CN116609807B - 一种用于计算隐蔽卫星导航系统伪距测量误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于计算隐蔽卫星导航系统伪距测量误差的方法，其步骤包括：1)设置若干天线作为发射天线，各所述发射天线分别发射隐蔽导航信号至对应的静止轨道通信卫星，各所述静止轨道通信卫星将收到的隐蔽导航信号转发至抗干扰数字多波束天线接收机；2)接收天线接收被隐蔽利用的卫星转发器载波信号发送给数据处理单元；数据处理单元计算得到该信号的功率值、带宽、调制方式和功率谱密度；3)接收机计算收到信号的功率、载噪比和功率谱密度；4)数据处理单元计算隐蔽深度、抗干扰品质因数以及该背景业务信号存在时的等效载噪比；5)对于调制方式为BPSK调制时，数据处理单元计算得到热噪声导致的码相位测量误差均方差。

Description

一种用于计算隐蔽卫星导航系统伪距测量误差的方法

技术领域

本发明属于卫星导航领域，尤其涉及一种计算隐蔽卫星导航系统的伪距测量误差的方法。

背景技术

GNSS全球卫星导航系统，包括中国的北斗卫星导航系统(BDS)、美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)和欧盟的伽利略卫星导航系统(GALILEO)。这些系统在军事及民用领域都发挥了重要作用。然而，GPS类卫星导航系统面对干扰非常脆弱。美国在20世纪90年代的后期，对提高GPS抗干扰能力作了耗钱耗时的重大努力。在卫星系统上提高发射功率，和采用新M码，以及采用点波束发射；在接收机上，使用天线空间滤波技术，以及各种接收机滤波算法和抗干扰算法等，共约能提高50dB抗干扰能力。加上扩频增益约50dB的抗干扰能力，总共可达到抗约100dB左右干扰的能力。但是在如潮水般的阻塞和干扰下，仍无济于事。所以对GPS或GNSS来说阻塞和干扰仍然是致命的。原因有两条：第一，GPS卫星与地面用户的距离有两万多千米，功率衰减超10⁸，即1亿倍以上。为减少互相干扰，国际电联限制卫星的发射功率，即仅用几十瓦。强大的机载干扰功率可超过几千瓦，而蜂群干扰机距离可以很近，所以GPS在压制性干扰下，极其脆弱，成为致命的弱点；第二，尽管在对待欺骗性干扰时，GPS对军码采取了反利用抗欺骗措施(A-S)，并定期变更其码，与接收机使用新的军码。但由于GPS使用中轨卫星，为专用的导航卫星，卫星数量仅为30颗左右，可用频率仅有三个(L1、L2、和L5)，是公开的，数量极少，且带宽受限，极其缺少抗干扰的回旋余地，极易被阻塞和干扰。

与GNSS需要发射专用导航卫星不同的是，隐蔽卫星导航系统可以“借用”已经在轨正常工作的C/Ku/Ka频段GEO、SIGSO(小倾角同步轨道)等轨道的通信卫星，这类卫星的数量在全球范围内多达300颗以上。地面主控站发射功率仅为正常信号功率百分之一甚至以下的微弱隐蔽导航信号，并采用高速率的测距码，在提高测距精度的同时，使得该信号的功率谱密度非常低，实现与正常通信卫星业务信号共享转发器带宽和功率，定位接收机配置高增益的数字多波束天线，实现对3颗以上的卫星信号的接收，并通过气压测高获得接收机的高程。由于卫星星座均由通信卫星组成，星上有丰富的频率资源，可以将接收机的工作状态、检测到干扰信号等的状态信息回传至隐蔽导航信号控制中心站，进行换星、换频、换码等抗干扰的决策；控制中心站还可以为接收机下达控制等指令信息，实现导航通信一体化。为了实现整个系统的隐蔽性，隐蔽导航定位控制中心采取车载站的形式，便于隐藏与机动；对卫星轨道的测定，采取无源测定轨的方式。

发明内容

本发明的目的在于解决隐蔽卫星导航系统中，面对隐蔽利用的各种业务背景信号以及各种系统参数、接收机参数，如何快速确定当前的伪距测量误差，如果测距误差太大，导致系统定位误差超出系统要求，则需要更换隐蔽利用的卫星或卫星转发器，以及系统、接收机的参数。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于计算隐蔽卫星导航系统伪距测量误差的方法，该方法包括以下步骤：

(1)隐蔽导航中心站内的3副天线(即图1中的T2～T4，口径为1.8米以上)发射隐蔽导航信号至静止轨道通信卫星，静止轨道通信卫星将收到的隐蔽导航信号转发至抗干扰数字多波束天线接收机；

(2)用隐蔽导航中心站内的大口径天线，接收被隐蔽利用的卫星转发器载波信号，此信号被称为“背景业务信号”，并利用数据处理单元对该背景业务信号的功率、带宽、调制方式，进行测量与分析，得到功率值P_b(dBw)、带宽B_b(MHz)，及调制方式(包括BPSK、QPSK，等)，得到其功率谱密度S_b(f)；卫星转发器载波信号由其他用户产生发射至静止轨道通信卫星；

(3)计算抗干扰数字多波束天线接收机内的隐蔽导航信号功率，得到其功率值为C_s(dBw)、载噪比C_s/N₀，功率谱密度S_s(f)；N₀为接收信号的噪声功率谱密度；

(4)计算隐蔽深度d＝C_s/P_b；

(5)计算抗干扰品质因数

(6)计算在该背景业务信号存在时的等效载噪比其中，R_c为隐蔽导航信号的测距码速率；

(7)对于BPSK调制，采用非相干超前减滞后功率型DLL鉴相器时，可根据下式计算得到热噪声导致的码相位测量误差均方差σ_tDLL，单位为码片；

式中，B_n表示抗干扰数字多波束天线接收机DLL码跟踪环的噪声带宽，(C_s/N₀)_eff为等效载噪比，B_fe为射频前端带宽(即抗干扰数字多波束天线接收机的射频前端带宽)，T_c为隐蔽导航信号测距码宽度T_coh为相关积分时间，D为抗干扰数字多波束天线接收机超前减滞后相关器的间距(码片数)，即可得到在各种“背景业务信号”及系统、接收机参数条件下的测距误差值。

本发明的技术方案解决了隐蔽卫星导航系统测距误差快速评估问题，具有以下优点：

本发明建立了一种对于工作频段C、Ku、Ka频段都适用的隐蔽卫星导航系统伪距测量精度的估计方法，可以快速地对各种隐蔽利用的业务背景信号下的测距精度进行评估，还可以对隐蔽卫星导航系统的关键参数以及接收机参数的适用性进行评估。

附图说明

图1为系统组成图。

图2为本发明计算隐蔽卫星导航系统的伪距测量误差的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，结合具体实施例，参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明一种隐蔽卫星导航系统伪距测量精度计算方法的系统组成图。在隐蔽导航通信中心站内设置有4副16米口径天线及射频、基带单元，其中天线T1专门用于对隐蔽利用卫星转发器的载波业务信号进行监测和分析；天线T2、T3、T4用于发射隐蔽导航信号。

本发明计算隐蔽卫星导航系统的伪距测量误差的方法流程图如图2所示，其步骤包括：

步骤1，天线T1采用轮询的方式，对可视范围内卫星各转发器的载波业务信号分时进行观测，其接收到的射频信号，经低噪声放大器放大后，接入频谱分析仪，并输出给计算机，对载波信号的频谱等进行测量与分析，得到该转发器上载波信号的功率、带宽、调制方式，得到功率值P_b(dBw)、带宽B_b(MHz)、基带信息速率R_b，及调制方式(包括BPSK、QPSK等)，得到其功率谱密度S_b(f)。

步骤2，将隐蔽导航信号从天线T2、T3、T4分别发射至卫星S1、S2、S3，转发后，三个导航信号经由抗干扰数字天线接收、放大后，输入到接收机进行解算定位。

步骤3，已知隐蔽导航信号的发射功率，根据链路计算，得到该信号经过多波束天线接收后的功率值C_s(dBw)、无背景业务信号情况下的载噪比C_s/N₀(dB-Hz)，隐蔽导航信号的调制方式为BPSK，测距码速率为R_c＝20Mcps，T_c＝1/R_c，其归一化功率谱密度S_s(f)为：

S_s(f)＝T_csinc²(πfT_c) (1)

步骤4，根据步骤1中通过天线T1得到的背景业务信号的功率值Pb1(dBw)，通过链路计算，得到该信号通过多波束天线接收后的信号功率值Pb(dBw)，其调试方式为BPSK，基带信息速率R_b＝18Mbps，T_b＝1/R_b,其功率谱密度S_b(f)为：

S_b(f)＝T_bsinc²(πfT_b) (2)

步骤5，计算隐蔽深度d:

d＝C_s/P_b, (3)

步骤6，将式(1)和式(2)代入到式(4)中，计算得到抗干扰品质因数Q，

步骤7，计算在该背景信号存在时的等效载噪比，

对于BPSK调制，将式(3)得到的等效载噪比值代入公式(4)，计算采用非相干前减后功率法的DLL鉴相器的热噪声导致的码相位测量误差均方差，单位为码片；

其中，B_n表示抗干扰数字多波束天线接收机DLL码跟踪环的噪声带宽，(C_s/N₀)_eff为等效载噪比，B_fe为接收机射频前端带宽(即抗干扰数字多波束天线接收机的射频前端带宽)，T_c为隐蔽导航信号测距码宽度，T_coh为相关积分时间，D为超前减滞后相关器的间距(码片数)，即可得到在各种“背景业务信号”及系统、接收机参数条件下的测距误差值。

下面结合实例，介绍根据本发明的上述计算隐蔽卫星导航系统伪距测量误差的方法的具体实施情况。

以下实施例中所得计算结果均依据本发明的隐蔽卫星导航系统伪距测量误差的计算方法。

隐蔽导航信号调制方式为BPSK，测距码速率R_c为20Mcps，多波束天线接收增益为20dBi，隐蔽导航信号经过多波束天线接收后的功率Ps＝-158.5dBw，无背景业务信号时的接收载噪比C_s/N₀＝47.19dB-Hz；。

背景信号经过多波束天线接收后的功率Pb＝-138.5dBw，隐蔽深度d＝0.01。

抗干扰品质因数Q为：

在该背景信号存在时的等效载噪比为：

即在背景业务信号的影响下，隐蔽导航信号的载噪比下降了0.63dB。

当接收机B_n＝2Hz，T_coh＝2ms，D＝1/2chip，B_fe＝40MHz，此时的伪距测量误差为0.0039码片，约为0.06米。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于计算隐蔽卫星导航系统伪距测量误差的方法，其步骤包括：

1)设置若干天线作为发射天线，各所述发射天线分别发射隐蔽导航信号至对应的静止轨道通信卫星，各所述静止轨道通信卫星将收到的隐蔽导航信号转发至抗干扰数字多波束天线接收机；

2)设置一大口径天线作为接收天线，所述接收天线接收被隐蔽利用的卫星转发器载波信号，记为背景业务信号并将其发送给数据处理单元；所述数据处理单元对该背景业务信号进行测量与分析，得到该背景业务信号的功率值P_b、带宽B_b、调制方式和功率谱密度S_b(f)；

3)抗干扰数字多波束天线接收机计算收到的隐蔽导航信号的功率C_s、载噪比C_s/N₀和功率谱密度S_s(f)并发送给数据处理单元；N₀为接收信号的噪声功率谱密度；

4)所述数据处理单元计算隐蔽深度d＝C_s/P_b、抗干扰品质因数以及该背景业务信号存在时的等效载噪比/>其中，R_c为隐蔽导航信号的测距码速率；

5)对于调制方式为BPSK调制时，所述数据处理单元采用非相干超前减滞后功率型DLL鉴相器计算得到热噪声导致的码相位测量误差均方差σ_tDLL。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述码相位测量误差均方差 式中，B_n表示抗干扰数字多波束天线接收机的噪声带宽，B_fe为抗干扰数字多波束天线接收机射频前端的带宽，T_c为隐蔽导航信号的测距码宽度，T_coh为相关积分时间，D为超前减滞后相关器的间距。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据处理单元包括低噪声放大器、频谱分析仪和计算机；所述背景业务信号经所述低噪声放大器放大后输入所述频谱分析仪进行处理得到载波信号的频谱并发送给所述计算机。

4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，设置三个1.8米以上口径天线作为所述发射天线，设置一个5米以上口径天线作为所述接收天线。

5.一种用于计算隐蔽卫星导航系统伪距测量误差的系统，其特征在于，包括若干发射天线、一副接收天线、抗干扰数字多波束天线接收机和数据处理单元；

所述发射天线，用于发射隐蔽导航信号至对应的静止轨道通信卫星；

所述抗干扰数字多波束天线接收机，用于接收静止轨道通信卫星转发的隐蔽导航信号并对其进行处理得到隐蔽导航信号的功率C_s、载噪比C_s/N₀和功率谱密度S_s(f)后发送给数据处理单元；N₀为接收信号的噪声功率谱密度；

所述接收天线，用于接收被隐蔽利用的卫星转发器载波信号，记为背景业务信号并将其发送给数据处理单元；

所述数据处理单元，用于对该背景业务信号进行测量与分析，得到该背景业务信号的功率值P_b、带宽B_b、调制方式和功率谱密度S_b(f)；以及计算隐蔽深度d＝C_s/P_b、抗干扰品质因数以及该背景业务信号存在时的等效载噪比/>其中，R_c为隐蔽导航信号的测距码速率；对于调制方式为BPSK调制时，采用非相干超前减滞后功率型DLL鉴相器计算得到热噪声导致的码相位测量误差均方差σ_tDLL。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述数据处理单元包括低噪声放大器、频谱分析仪和计算机；所述背景业务信号经所述低噪声放大器放大后输入所述频谱分析仪进行处理得到载波信号的频谱并发送给所述计算机。

7.根据权利要求5或6所述的系统，其特征在于，所述码相位测量误差均方差 式中，B_n表示抗干扰数字多波束天线接收机的噪声带宽，B_fe为抗干扰数字多波束天线接收机射频前端的带宽，T_c为隐蔽导航信号的测距码宽度，T_coh为相关积分时间，D为超前减滞后相关器的间距。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述发射天线口径在1.8米以上，所述接收天线口径在5米以上。