張　琪，李思靜（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心深圳監(jiān)測(cè)站，深圳 518120）

衛(wèi)星干擾源定位中第一參考源對(duì)定位精度的影響

張琪，李思靜
（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心深圳監(jiān)測(cè)站，深圳 518120）

本文分析了參考源的使用對(duì)于提高雙星定位精度的作用，指出第一參考源的地理位置與準(zhǔn)確度對(duì)于定位精度至關(guān)重要。理論分析及實(shí)測(cè)結(jié)果均顯示：第一參考源距離干擾源信號(hào)越近，雙星定位精度越高；第一參考源距離干擾源信號(hào)本身時(shí)差線越近，雙星定位精度越高。

雙星定位；參考源；定位精度

衛(wèi)星通信由于具有通信距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣、傳輸容量大等優(yōu)點(diǎn)，近些年越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于軍事偵查、電視廣播、氣象預(yù)報(bào)、資源環(huán)境探測(cè)和災(zāi)害防護(hù)等領(lǐng)域。另一方面，隨著衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)種類(lèi)及業(yè)務(wù)量的不斷增長(zhǎng)，對(duì)地靜止軌道上的衛(wèi)星數(shù)量已接近飽和，加之衛(wèi)星通信透明轉(zhuǎn)發(fā)的工作特點(diǎn)，使得衛(wèi)星干擾數(shù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。一些衛(wèi)星干擾功率非常高，甚至導(dǎo)致整個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器飽和，對(duì)衛(wèi)星上的正常業(yè)務(wù)造成了極其惡劣的影響。為了快速處理衛(wèi)星干擾，恢復(fù)正常通信業(yè)務(wù)，精確的衛(wèi)星干擾源定位結(jié)果尤為關(guān)鍵。本文通過(guò)分析討論了參考源在修正衛(wèi)星干擾源定位誤差中的作用，指出第一參考源的地理位置和準(zhǔn)確度對(duì)定位精度具有決定性的作用，最后通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)了該結(jié)論。

1　雙星定位原理

雙星定位是通過(guò)對(duì)地靜止軌道上被干擾衛(wèi)星（以下稱(chēng)為“主星”）和相鄰衛(wèi)星（以下稱(chēng)為“鄰星”）分別對(duì)干擾信號(hào)的主瓣和旁瓣進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，由地面站兩副接收天線分別接收，通過(guò)測(cè)量和計(jì)算干擾信號(hào)到達(dá)兩副天線的時(shí)間差TDOA和頻率差FDOA，得出干擾源所在的地理位置。其原理如圖1所示。

圖1　雙星定位示意圖

其中，到達(dá)時(shí)間差TDOA是由于同一信號(hào)（干擾信號(hào)）經(jīng)歷兩顆不同衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)接收站的傳播路徑是不同的，從而到達(dá)接收站的時(shí)間會(huì)存在一個(gè)時(shí)間差值；到達(dá)頻率差FDOA則是由于兩顆同步衛(wèi)星的攝動(dòng)速度差異在天線主瓣和旁瓣兩個(gè)信號(hào)傳播路徑上引起了不同的多普勒頻移，兩路信號(hào)在到達(dá)接收站時(shí)存在一個(gè)頻率差值。TDOA曲線與FDOA曲線帶交織出一個(gè)橢圓形區(qū)域，該區(qū)域即為干擾源所在區(qū)域，干擾源位于該區(qū)域內(nèi)，越接近橢圓中心概率越大。

式（1）為雙星定位方程，式中，（x，y，z），（x1，y1，z1），（x2，y2，z2）分別為干擾源上行站、主星（被干擾衛(wèi)星）和鄰星的位置（以地心為坐標(biāo)原點(diǎn)，并假設(shè)地球?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)球體）；分別為主星和鄰星的速度矢量；分別為主星、鄰星與干擾源連線的直線向量；Re為地球半徑；Δt和Δf分別是測(cè)量得到的TDOA和FDOA。

Δt和Δf的測(cè)量則是對(duì)地面站兩副天線接收的兩路信號(hào)做聯(lián)合相關(guān)估計(jì)得到的相關(guān)峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)差和頻差值。目前常見(jiàn)的TDOA估計(jì)方法是廣義互相關(guān)（GCC）法，F(xiàn)DOA估計(jì)方法有最小二乘法、最大似然法、基于高階累積量的FDOA估計(jì)方法等。

2　參考源對(duì)衛(wèi)星干擾源定位精度的影響

從式（2）和（3）可以看出，參考源的使用可以消除在測(cè)量DTO和DFO時(shí)的固有誤差，如轉(zhuǎn)發(fā)器本振頻率漂移誤差、信道不理想引起的誤差等。

假設(shè)有M個(gè)參考發(fā)射源，對(duì)應(yīng)每個(gè)參考發(fā)射源可以得到一個(gè)修正的定位結(jié)果（i=1,2,...,M）?？梢宰C明，當(dāng)M≥4時(shí)，有惟一的定位結(jié)果使得代價(jià)函數(shù)

取得最小值。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也表明使用4個(gè)或以上參考發(fā)射源可以使定位結(jié)果的精度有數(shù)量級(jí)的提升。

3　第一參考源對(duì)衛(wèi)星干擾源定位精度的影響

3.1理論分析

上文中對(duì)雙星定位原理，以及參考源信號(hào)在改善定位精度上的作用作了較為詳細(xì)的介紹。在實(shí)際的雙星定位系統(tǒng)中，為了降低成本和計(jì)算量，在采集端使用兩塊采集卡。首先同時(shí)對(duì)目標(biāo)信號(hào)（干擾源）和第一參考源進(jìn)行采集，接下來(lái)依次對(duì)第一參考源和其余參考源進(jìn)行采集。在計(jì)算定位結(jié)果和繪制定位橢圓時(shí)，首先以第一參考源的位置作為基準(zhǔn)點(diǎn)，以第一參考源與目標(biāo)信號(hào)的DTO，DFO差值為距離得出粗略定位結(jié)果；接下來(lái)根據(jù)第2，3……次對(duì)第一參考源的采樣結(jié)果，將其余參考源的采樣數(shù)據(jù)回溯到目標(biāo)信號(hào)采集時(shí)刻，對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步修正。因此第一參考源的地理位置和經(jīng)緯度的準(zhǔn)確度對(duì)于定位結(jié)果至關(guān)重要。由式（2）也可以看出，第一參考源的地理位置越接近于目標(biāo)信號(hào)，參考源的使用對(duì)于消除信道不規(guī)則等共有誤差的效果越好。而其余參考源則主要用來(lái)消除星歷誤差，即衛(wèi)星位置和速度的不準(zhǔn)確度帶來(lái)的FDOA誤差[2]。 3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)以中星10號(hào)衛(wèi)星（110.5°E）上某一位于深圳（已知上行站實(shí)際經(jīng)緯度）的C頻段上行信號(hào)作為目標(biāo)信號(hào)，目標(biāo)信號(hào)上行中心頻點(diǎn)為5953MHz，帶寬約為5MHz。定位采用亞洲7號(hào)（105.5°E）作為鄰星，分別在深圳、上海、成都、西安、烏魯木齊、北京這6個(gè)地區(qū)發(fā)射一上行信號(hào)作為參考源。多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出定位時(shí)差線與實(shí)際上行站的最大距離，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　單參考源實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：第一參考源距離目標(biāo)信號(hào)越近，雙星定位得到的時(shí)差線越靠近目標(biāo)信號(hào)本身，可以理解為得到的定位結(jié)果精度越高；第一參考源距離目標(biāo)時(shí)差線越近（這里的目標(biāo)時(shí)差線是指采用目標(biāo)信號(hào)本身作為第一參考源得到的雙星定位目標(biāo)時(shí)差線，因此是準(zhǔn)確的時(shí)差線），雙星定位得到的時(shí)差線越靠近目標(biāo)信號(hào)本身，定位結(jié)果精度越高。

進(jìn)一步，仍然以上述中星10號(hào)C頻段上行信號(hào)作為目標(biāo)信號(hào)，采用5個(gè)參考源，第一參考源分別位于深圳、北京、上海和西安，進(jìn)行多次雙星定位實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　多個(gè)參考源實(shí)驗(yàn)結(jié)果

可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍能夠較好地支持上述結(jié)論。在實(shí)際工作中也發(fā)現(xiàn)，若采用基于TDOA的三星定位方法，即使采用單參考源，只要該參考源距離目標(biāo)信號(hào)或目標(biāo)時(shí)差線足夠近（50km內(nèi)），也能夠?qū)⒍ㄎ痪瓤刂圃?～5km。

最后，仍以該信號(hào)作為目標(biāo)信號(hào)，對(duì)第一參考站的經(jīng)緯度進(jìn)行錯(cuò)誤處理。仍采用5個(gè)參考源，且其余4個(gè)參考源位置準(zhǔn)確，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3　錯(cuò)誤的第一參考源位置定位結(jié)果

結(jié)果顯示，不準(zhǔn)確的第一參考源位置會(huì)對(duì)定位精度產(chǎn)生極其嚴(yán)重的影響。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文從理論上分析了參考源信號(hào)的采用對(duì)于提高雙星定位精度的作用，并指出第一參考源的地理位置與準(zhǔn)確度對(duì)于定位精度至關(guān)重要。實(shí)測(cè)結(jié)果也顯示：第一參考源距離目標(biāo)信號(hào)越近，雙星定位精度越高；第一參考源距離目標(biāo)信號(hào)本身時(shí)差線越近，雙星定位精度越高。該結(jié)論對(duì)于衛(wèi)星干擾源定位工作中參考源的選取具有一定的參考意義。

The Role of the 1st Reference Signal in Satellite Interference Localization

Zhang Qi, Li Sijing
(The State Radio Monitoring Center Shenzhen Station, Shenzhen, 518120)

This article point out that the 1st reference signal plays a key role in improving localization accuracy, based on analysis of using the reference signals in dual-satellite localization. The analysis and experiment results all reveal: 1. The smaller of the distance between the 1st reference signal and the interference, the higher of the localization accuracy; 2. The smaller of the distance between the 1st reference signal and the TDOA line of the interference, the higher of the localization accuracy.

Dual-satellite localization; Reference signal; Localization accuracy

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.02.013

TN927+.2文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2016）02-0066-03

張 琪，女，1989年生，湖南岳陽(yáng)人，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心深圳監(jiān)測(cè)站助理工程師，主要從事衛(wèi)星信號(hào)定位和衛(wèi)星信號(hào)監(jiān)測(cè)工作。李思靜，女，1986年生，湖北荊州人，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心深圳監(jiān)測(cè)站助理工程師，主要從事無(wú)線電監(jiān)測(cè)工作。

[1] 翟文中．衛(wèi)星干擾源精確定位的位置校正算法[J]．電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2005.6

[2] Riccardo Bardelli, David Haworth, Nigel Smith. Interference localization for the EUTE LSAT satellite system[J] .IEEE , Globecom 95, Nov. 1995:13-17.