（仪器科学与技术专业论文）单星测频无源定位技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 随着卫星技术的发展和广泛应用，卫星电子侦察、卫星定位以及高精度卫星 定轨等技术凸显出越来越重要的地位，各种天基测量技术的应用研究也越来越多。 其中单星测频无源定位系统因其具有成本低、灵活性好等优点而成为了研究的热 点。本文围绕单星测频无源定位系统进行了如下几方面的研究： 1 研究了单星测频无源定位原理和定位方法。基于定位原理，推导了定位方 程的求解步骤，并分析了定位的理论误差和g d o p 性能。在单星测频定位体制下， 直接对定位方程求解会得到两个实数解，就如何解模糊进行了研究。 2 研究了大多普勒动态范围下的载波频率估计问题。采用基于f f t 的捕获算 法实现了载波频率粗略估计，采用f l l 和p l l 相结合的方式实现了载波频率的高 精度估计。理论分析表明频率估计的误差小于0 0 5 6 h z 。 3 设计出了单星测频无源定位系统的硬件平台星载接收机。接收机包括 射频通道模块、发射通道模块和以f p g a 和d s p 为主要架构的数字信号处理模块。 基于该平台完成了从预处理到捕获再到跟踪的数字信号处理流程，实现了对多普 勒频率的高精度测量。 4 设计了单星测频无源定位技术的测试方案，验证了接收机的测频性能和系 统的定位性能。结果表明，本文研究的单星测频无源定位技术可以实现对地面辐 射源的定位，精度可以达到1 0 0 0 m 。 本文研究的单星测频无源定位技术在星载接收机上得到了实现，并取得了良 好的测试效果，具有重要的实用价值。 主题词：单星无源定位多普勒频率接收机 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t w 池t h ed e v e l o p m e n ta n dw i d ea p p l i c a t i o no fs a t e l l i t et e c h n o l o g y ，s a t e l l i t e e l e c t r o n i c r e c o n n a i s s a n c e ，s a t e l l i t ep o s i t i o n i n g a n dh i g h - p r e c i s i o ns a t e l l i t eo r b i t d e t e r m i n a t i o nt e c h n i q u e sh a sb e c a m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t r e s e a r c ho nv a r i o u s s p a c e - b a s e dm e a s u r e m e mt e c h n o l o g i e si sa l s oi n c r e a s i n g ，i nw h i c hp a s s i v ep o s i t i o n i n g s y s t e mo fs i n g l e - - s a t e l l i t ef r e q u e n c y - m e a s u r e m e n th a sb e e nah o ts p o tb e c a u s eo fi t sl o w c o s ta n df l e x i b i l i t ya d v a n t a g e s l o c a t i n gs o l u t i o n , d o p p l e rf r e q u e n c ym e 嬲u r e m e n ta n d s o m ee n g i n e e r i n gp r o b l e m sa l es t u d i e di nt h i sp a p e r 1 1 圮m a i ne f f o r t sa n dr e s u l t so ft h i sd i s s e r t a t i o nc o n s i s to fs e v e r a li s s u e s ： f i r s t l y ，l o c a t i n gp r i n c i p l ea n dl o c a t i n gm e t h o do ft h i sp a s s i v el o c a l i z a t i o ns y s t e m b ys i n g l es a t e l l i t ea r es t u d i e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h el o c a t i n gp r i n c i p l e ，ac o n c e p t o fg e o 霉a i ) l l i cd i l u t i o no fp r e c i s i o n ( g d o p ) t od e s c r i b et h ep o s i t i o n i n gp r e c i s i o ni s p r o p o s e d ，a n dt h ee x p r e s s i o no ft h eg d o p i sd e d u c e d t h e r ei sa m b i g u i t yi nt h er e a l s o l u t i o no fl o c a t i n ge q u a t i o n f u r t h e rm o r e ，t h i sp r o b l e mi ss t u d i e di nt h i sp a p e r s e c o n d l y ，t h ep r e c i s em e a s u r e m e n to ff r e q u e n c yw i t he n o r m o u sd o p p l e rs h i f ti s s t u d i e d f f t b a s e dc a p t u r ea l g o r i t h mh a sb e e nu s e dt od oar o u g he s t i m a t eo ft h ec a r r i e r f r e q u e n c y ，f l la n dp l lh a sb e e nc o m b i n e dt oa c h i e v eh i g h - p r e c i s i o ne s t i m a t eo ft h e c a r r i e rf r e q u e n c y t h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w st h a tt h ef r e q u e n c ye s t i m a t i o ne r r o ri sl e s s t h a n0 0 5 6 h z t h i r d l y ，t h er e c e i v e rw h i c hi st h eh a r d w a r ep l a t f o r m so fp a s s i v ep o s i t i o n i n gs y s t e m i sd e s i g n e d ，砀er e c e i v e ri n c l u d e sr fc h a n n e lm o d u l ea n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g m o d u l ei nw h i c hf p g aa n dd s pa r et h em a i nf r a m e w o r k b a s e do nt h er e c e i v e r , t h e s o f t w a r ef r o ms o m eo ft h em a j o rp r e - p r o c e s s i n gt oc a p t u r ea n dt h e nt ot r a c k i n gt h ef l o w o fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt or e a l i z eh i g h - p r e c i s i o nm e a s u r e m e n to ft h ed o p p l e r f r e q u e n c y f o u r t h l y ，b a s e do nt h er e c e i v e r , t h e l o c a l i z a t i o na l g o r i t h mi st e s t e d a n d l o c a l i z a t i o ne r r o ri sa l s oa n a l y z e da c c o r d i n gt ot h et e s t i n gd a t a 啊1 er e s u l ts h o w st h a t t h i sp a s s i v el o c a l i z a t i o ns y s t e mw h i c hi sc o m p e s e do fo n el o we a r t ho r b i ts a t e l l i t e sb y m e a s u r i n gd o p p l e r - s h i f tf r e q u e n c i e sb ys c h e m ec a na c h i e v e t h e p r e c i s i o no fo n e k i l o m e t e r c o n s i d e r i n gt h et e c h n o l o g yd i s c u s s e di n t h i st h e s i sh a sb e e nr e a l i z e d i nt h e r e c e i v e ra n dh a sg o o dp e r f o r m a n c e ，i th a sg o o du t i l i t yv a l u e k e yw o m s ：s i n g l es a t e l l i t e ，p a s s i v el o c a l i z a t i o n ，d o p p l e r - s h i f t f r e q u e n c i e s 。r e c e i v e r 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 单星测频无源定位误差来源1 6 表3 1l e o 卫星多普勒频率变化( z ) 2 5 表5 1 部分定位仿真数据表4 4 表5 2 定位时间选择对定位精度的影响5 l 表5 3 辐射源位置不同对定位精度的影响5 l 表5 4 测频误差0 6 h z 定位误差分布5 2 表5 5 卫星位置误差5 0 m 时的定位误差分布5 3 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图2 1 单星测频无源定位系统示意图7 图2 2 单星测频无源定位处理流程7 图2 3卫星定位中的多普勒效应8 图2 4 单个时刻点的多普勒等频锥面9 图2 5 两个时刻点的多普勒等频锥面9 图2 6 多个时刻点的多普勒等频锥线1 0 图2 7 卫星与辐射源的几何模型1 1 图2 8 单星测频无源定位算法流程图1 4 图2 9 单星测频无源定位解模糊方案一1 5 图2 1 0 单星测频无源定位解模糊方案二1 6 图2 1 l 定位精度几何分析图1 7 图2 1 2 不同大小的g d o p 1 8 图3 1 辐射源与卫星的几何关系2 3 图3 2 辐射源与卫星的角度关系2 4 图3 3 卫星多普勒及其各阶导数变化曲线2 5 图3 4 多普勒频率随最大俯仰角变化情况。2 6 图3 5多普勒频率随卫星高度变化情况2 6 图3 6h y - 1 卫星到辐射源距离变化情况- 2 9 图3 7 三阶环路实现对o ( s ) 跟踪和精确估计3 0 图3 8p l l 的环路测量误差随时间的变化3 1 图4 1 单星测频无源定位星载接收机实物图3 3 图4 2 射频接收通道组成框图3 4 图4 3 射频发射通道组成框图3 5 图4 4 数字基带结构框图3 6 图4 5 数字信号处理模块实物图3 8 图4 6 接收机软件流程图3 9 图4 7 信号预处理流程图4 0 图4 8 预处理后的i 、q 信号图4 0 图4 9 捕获流程图4 1 图4 1 0f f t 结果示意图4 1 图4 1 l 跟踪流程图4 2 图5 1测试验证方案示意图4 3 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图 图 图 图 2s t k 仿真示意图4 4 3 辐射源的设置4 4 4 模拟源实物及其产生信号图4 5 5 模拟源硬件结构图4 6 图5 6 定位测试软件4 6 图5 7 不同c n 下频率测量框图4 7 图5 8 频率测量颤动随载噪比c n o 变化情况4 7 图5 9 频率测量颤动随环路带宽或变化情况。4 8 图5 1 0 定位点的选择4 9 图5 1 1 步进长度随迭代次数的变化4 9 图5 1 2 定位误差随迭代情况变化5 0 图5 1 3 定位收敛情况5 0 图5 1 4 时间跨度2 0 0 s 的数据定位误差分布情况5 1 图5 15 定位误差随测频误差增加变化情况5 2 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：望星趔麴玉鋈定焦技盛砑塞 学位论文作者签名：垒睥日期： 岬年月户日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：垫星型麴五亟定焦盐苤盟究 学位论文作者签名：乏堑趣：型1 作者指导教师签 嗍：垆堋加日 嗍：1 年f 月口日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 自从有人类活动以来，人们对导航定位技术便开始了不断地探索。例如，在 古代进行远海航行时，人们就曾利用北极星等恒星来确定自己的方位。真正意义 上的现代导航定位系统则是出现在无线电技术革命之后，这一时间涌现出的无线 电导航定位系统有无线电测向、雷达、罗兰c 、奥米加、台卡等。然而由于无线电 导航定位系统受电波传播和地面发射台只能建立在陆上等条件所限制，通常只能 作为区域性或近程导航系统，定位精度难以进一步提高。随着人类科学技术的发 展，以传统无线电定位技术和空间技术相结合而产生的卫星导航定位技术由于其 全球性、全天候、全天时、高精度和实时性等优点开始极大地改变了人类生活的 现状【。 1 1 1 单星测频无源定位系统的产生和发展 1 9 5 7 年1 0 月前苏联成功发射了第一颗人造卫星后，美国霍普金斯大学应用物 理试验室的吉尔博士和魏分巴哈博士对卫星遥测信号的多普勒频移产生了浓厚的 兴趣。经研究他们认为：利用卫星遥测信号的多普勒效应可对卫星精确定轨；而 该试验室的克什纳博士和麦克卢尔博士则认为已知卫星轨道利用卫星信号的多普 勒效应可确定观测点的位置。霍普金斯大学应用物理试验室研究人员的工作为多 普勒卫星定位系统的诞生奠定了坚实的基础，而当时美国海军正在寻求一种可以 对北极星潜艇中的惯性导航系统进行间断精确修正的方法，于是美国军方便积极 资助霍普金斯大学应用物理试验室开展进一步的深入研究。1 9 5 8 年1 2 月在克什纳 博士的领导下开展了三项研究工作：研制卫星；建立地球重力场模型以便卫 星的精确定轨和准确预报卫星的空间位置；研制多普勒接收机。经过众人的努 力子午卫星仪导航系统于1 9 6 4 年1 月正式建成并投入军方使用，直至1 9 6 7 年7 月该系统才由军方解密供民间使用。此后用户数量迅速增长，在世界各国军民用 领域均得到了广泛应用【2 j 。 子午仪卫星导航系统( t r a n s i t ) 又称多普勒卫星定位系统，这是人类历史上诞 生的第一代卫星导航系统【2 】。在美国t r a n s i t 系统的诱导和启迪下，苏联海军于1 9 6 5 年建立了类似于t r a n s i t 的、称之为c i c a d a 的卫星导航系统。卫星以1 5 0 m h z 和 4 0 0 m h z 两个频率为全球的用户提供定位导航信号。 随着第二代导航定位系统g p s 、g l o n a s s 、g a l i l e o 和我国的北斗定位系 统的建立，基于单星多普勒定位技术的定位系统不再占主导地位，但是，目前国 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 际上还有众多的低轨( l e o ，l o we a r t ho r b i t ) 卫星系统利用多普勒测频技术提供 定位服务，包括国际搜索救援卫星系统c o s p a s s a r s a t ，海洋环境系统a r g o s ， 美国的低轨气象卫星系统n o a a 等，一些低轨通信系统也采用了多普勒定位技术， 比如g l o b a ls t a r 。此外，正在建设的g a l i l e o 系统也采用了多普勒定位体制提供 搜索救援定位服务p j 。 本课题来源于国家某专项子项目，用于建立一个具有数据通讯能力的星地系 统，并可以利用单星测频定位技术实现对特定目标的定位。 1 1 2 课题研究的意义 自1 9 5 7 年前苏联将世界第一颗卫星送入环地轨道以来，人类已经向浩瀚的宇 宙发射了大量的人造卫星，这些卫星被广泛用于科学研究，特别是在近代通讯、 天气预报、地球资源探测、灾害救治和军事侦察等方面，已成为一种不可或缺的 工具。确定敌方辐射源位置是对其进行电子干扰和武力摧毁的前提条件，而目前 对敌方纵深进行大面积电子侦察的唯一手段是电子侦察卫星，它在以下几方面具 有不可替代的作用： 1 ) 获取敌预警探测和防空系统的电子情报； 2 ) 对热点地区电子侦察； 3 ) 海洋监视。 高精度无源探测定位，特别是基于现代小卫星技术的天基无源定位，因其自 身不辐射电磁声光信号而具有很好的隐蔽性，并具有探测距离远等优点，在民用 和军事领域有广泛的应用前景，因此各国都在大力发展该技术，其定位精度和速 度也在不断提高。 根据天基无源定位系统的技术需求，主要有以下几个不同的技术发展层次： 1 ) 单星定位成本低、质量轻、体积小； 2 ) 双星定位定位精度较高、成本低、周期短； 3 ) 多星编队飞行定位定位精度高、应用范围广、技术复杂，是未来很有 前途的应用方式； 4 ) 星座定位定位精度较高、地面覆盖范围宽，重访周期短，技术比较复 杂。 在这些方式中，单星定位具有自身成本低、质量轻、体积小等优势，而且它 可以通过增加测量信息和多种定位方式相互配合的途径提高定位精度和实时性， 目前单星定位在航空、航天、海洋监测、电子对抗特定的领域有着广泛的应用。 因此研究单星测频无源定位系统有很大的现实意义。 首先，单星测频无源定位技术有着广泛的应用前景。星载无源定位技术不仅 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 在海洋监测，而且在航海、航空、航天、测控、电子对抗及卫星通信等领域都有 广泛的用途，它不但为各种运动载体提供安全保障服务，还能对频繁出现的卫星 干扰源进行精确定位，从而为卫星通信提供可靠的安全防护措施。星载无源定位 系统以卫星为平台对辐射源进行无源定位，不受国界和天气条件的限制，具有作 用距离远、覆盖范围大的特点，能为准确、迅速、及时地发现目标提供重要保障。 其次，相对于专用的定位系统，虽然单星定位的精度较低，定位时间较长， 但它在许多方面有着自己的优势。首先，单星定位系统实现简单，成本低，研制 周期短，它只需要一颗卫星就可以完成对目标的定位，同时对星钟的长期稳定度 远不如专用的卫星导航系统那么严格，因此星上接收机不必采用昂贵的时钟，可 以节省成本。其次，单星定位系统应用更为灵活，它可以嵌入到各种卫星通讯中。 比如目前正在运行的海洋环境监测系统a r g o s ，卫星在完成对数据信息收集的同 时，解算出载波的频率，完成对目标的定位。另外，在一些特定应用场合，单星 定位更有优势，比如在研究候鸟迁徙路线时，仅仅在鸟类身上装上一个简单的信 号放射装置就可以完成。这种场合对定位精度的要求不太高，信息量要求不大， 但对定位装置的功耗、体积要求苛刻，其中目前使用的信号源加天线装置仅有十 几克，这是g p s 接收机所目前所达不到的，并且成本比g p s 接收机要低很多。 另外，航天技术的发展为单星测频无源定位技术的应用提供了机遇。随着卫 星测控技术的发展和信号处理能力的增强，星载接收机对信号源频率测量的精度 和速度以及卫星轨道数据预报的精度都得到了很大提高，单星测频无源定位的精 度也随之提高，应用也必更加广泛。尤其近年来随着卫星通讯技术的发展，低轨 l e o ( l o we a r t ho r b i t ) 卫星系统越来越受到重视，相对于同步静止卫星，低轨 卫星角速度大，存在较大的多普勒频移，多普勒的瞬间变化率也相当大，对单星 定位更为有利。 最后，单星测频无源定位技术对提高卫星定轨精度有很大帮助。随着我国未 来军用卫星的发展，侦察卫星对定轨精度和实时性都提出了较高的要求，目前我 国的航天测控网定轨精度不高，必须探索高精度测定轨系统。法国八十年代建立 了d o r i s ( d o p p l e ro r b i t o g r a p h ya n dr a d i o - p o s i t i o n i n gi n t e g r a t e do ns a t e l l i t e ) 定轨定位系统【4 ，5 1 ，它定位精度较高，径向定轨精度可以达到2 - - - 3 c m ，测速精度达 到0 3 0 5 m m s ，其定轨方式和定轨技术也是基于多普勒定位原理，因此对我国 测控网的建设和发展具有很大的借鉴意义，研究单星测频无源定位技术对相应的 多普勒定轨技术的研究有所帮助。 1 2 单星测频无源定位系统国内外研究现状 第一代导航定位系统t r a n s i t 系统的空间部分由分别位于不同平面上的6 颗卫 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 星构成，卫星轨道高度为1 0 7 5 k m ，轨道倾角约为9 0 。，轨道周期约为1 0 7 分钟。 卫星发送3 9 9 9 6 8 m h z 调制有卫星轨道数据及国际标准时间的连续波作为定位信 号。中心站可以测定卫星的轨道数据，并推算出1 6 日的轨道精确值。注入站每隔 1 2 小时将此数据注入到卫星。t m a s i t 系统利用d o p p l e r 频移采用求解距离差的方 法进行定位，卫星在世界标准时u t c 的偶数分钟时刻开始发出长度为2 分钟的含 有轨道数据的两个连续波信号。用户从接收的卫星信号中提取d o p p l e r 频移及卫星 轨道信息，计算出每2 分钟卫星与推算的用户位置之间距离差。同时用户机可以 获得每2 分钟信号d o p p l e r 频移的积累值。由于该值相当于这2 分钟的前后卫星与 用户位置的距离差，因此将这个积累值和在相应时间段内卫星与推算位置的距离 差，加上航向、轨迹、天线高度等数据，就可以计算出用户的位置。将计算出的 用户位置数据重新作为推算值重复上述过程，进行逐次逼近计算。当连续两次的 位置数据之差达到一定小的时候，即可将此数据作为当前用户的位置。 t r a n s i t 系统用户采用的是利用单颗卫星进行定位的算法。由于只能进行二维 定位，因此系统的主要使用者为海上用户。由于原理上的限制，系统提供给用户 的定位精度很低，对于静止用户定位精度为o 0 5 海里，而对于航行用户来说，定 位精度为0 3 - - 0 5 海里。另外，由于系统只有6 颗卫星，因此无法做到全天时定 位，一般来说，进行一次定位所需要时间为8 - 1 4 分钟。而两次定位的间隔又可 能为1 - 2 小时。依赖用户在地球上所处位置的不同，两次定位的间隔最坏时能达 到十几小时。 c i c a d a 系统是前苏联开发的类似于t r a n s i t 系统的被动式d o p p l e r 卫星定位 导航系统，主要针对海面船舶作业用户。其基本定位原理与t m a s i t 系统相同。该 系统使用4 颗卫星，卫星轨道倾角为8 3 。，卫星的轨道周期约为1 0 7 分钟。卫星 以1 5 0m h z 和4 0 0m h z 两个频率为全球的用户提供定位导航信号。c i c a d a 系统 的定位精度为0 2 英里。 c o s p a s s a r s a t 系统是目前正在运行的基于多普勒频移定位的国际低轨道 搜救卫星系统，它是1 9 8 1 年美国、前苏联、法国和加拿大四国联合开发的，旨在 利用卫星提供全球搜索和救援的信息服务系统。目前，主要有美国提供的5 颗和 俄罗斯提供的2 颗低高度极轨卫星组成极轨道卫星系统，此外，还有2 颗美国的 热备用卫星在轨道上处于待命状态。信号源的发射频率为1 2 1 5 m h z 、2 4 3 m h z 和 4 0 6 m h z ，2 0 0 9 年2 月1 日已统- n4 0 6 m h z 。它是一套典型的单星无源定位系统， 与子午仪导航系统不同的是，它是在地面上有大量的信号源向卫星发出求救信号， 卫星通过不同时刻接受到的信号结合自己的轨道参数算出多普勒频偏，进而完成 对海上遇难目标的定位，理论定位精度可以达到2 0 0 m 。 a r g o s 是法国和美国联合建立的一个数据收集和定位的卫星通讯系统l o j 。它 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 利用极轨卫星传送各种环境监测数据，并对测量仪器的运载体进行定位。在高纬 度地区( 北极圈和南极圈) 不可能利用地球同步卫星通讯，a r g o s 系统为这些地区 的水文、气象监测仪器提供了一种很好的通讯手段。a r g o s 系统将定位精度分成 了7 级，即3 、2 、l 、0 、a 、b 、z ，其精度依次降低，其中3 级精度小于1 5 0 m ， 2 级精度介于1 5 0 - - 3 5 0 m 之间，1 级精度介于3 5 0 - - 1 0 0 0 m 之间，0 级精度大于 1 0 0 0 m ，由于a 、b 、z 级误差太大，因此在现实中很少使用。在获得的位点当中， 精度优于1 5 0 m 的3 级精度仅有6 8 的获得率。 由于单星测频无源定位系统实现起来较为灵活，目前已广泛应用于电子对抗 领域，许多国家都已自主研发了电子侦察卫星并投入使用，典型卫星有美国“号 角 ( t r u m p e t ) 卫星、“弹射座椅 ( j u m p s e a t ) 卫星，n o s s 系统海洋监视卫 星，而俄罗斯e o r s a t s 电子侦察卫星和海洋监视卫星都是基于单星多普勒定位体制 1 7 。由于应用背景的敏感性，目前对于l e o 卫星测频定位方法研究的文献较少， 且国外对此项技术多持保密态度。 我国也对单星多普勒定位技术进行了广泛的研究，并应用于天文大地测量、 石油勘探和地球物理学科中【8 】o2 0 0 3 年5 月2 5 日国产第三颗地球同步轨道导航卫 星“北斗一号顺利升空，标志着我国卫星定位系统的建立l 9 j 。“北斗 导航定位 系统是基于双星定位的，其定位的几何原理与g p s 相差无几，关键的不同在于它 们是如何测量“用户到卫星之间的真实距离一。因此国内目前的重点研究的定位 算法是基于多星定位的，对单星定位的研究较少。随着海洋监测和电子对抗领域 的需求，特别是近几年来小卫星技术的发展，星载接收机处理能力的大大增强， 单星定位技术的讨论逐渐增多，浙江嘉兴的中电科技集团公司第三十六研究所、 总参某所、国防科大等单位对该定位体制均有研究。 总而言之，目前对于单星测频无源定位方法研究的文献较少，且国外对此项 技术较为保密。 1 3 论文研究的主要内容 本文主要研究了单星测频无源定位技术，目的是利用现有的l e o 卫星资源， 实现地面辐射源的定位，测量误差要求在1 0 0 0 m 以内。论文研究的主要内容包括 单星定位的算法，卫星多普勒的测量，并以研制的某l e o 通讯卫星载荷为平台， 实现了单星测频无源定位技术，最后通过试验验证了单星测频无源定位技术的功 能和性能，并通过测试数据分析了各种因素对定位误差的影响。 论文由六章组成。绪论部分介绍了论文研究的背景、意义和国内外研究的现 状。第二章阐述了单星测频无源定位的原理，推导了定位方程，并提出了基于t a y l o r 展开的最d - - 乘迭代算法。第三章主要研究了l e o 卫星的多普勒特性，并设计了 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 f l l 与p l l 相结合的跟踪环路，实现大多普勒条件下的载波同步和频率的高精度 估计。第四章研究了单星测频无源定位技术的具体实现，主要讨论了单星测频无 源定位系统中的关键环节星载接收机的设计。第五章对论文研究的单星测频 无源定位技术进行了试验验证，并根据试验数据对误差进行了分析。第六章是对 论文研究工作的总结和对后续工作的展望。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章单星测频无源定位方法及精度分析 单星测频无源定位是利用接收机多次测量所获得的信号多昔勒频率来确定目 标( 辐射源) 位置。定位系统如图2l 所示，当卫星经过地面辐射源上空时，卫星 接收来自辐射源的信号，测量出接收信号的频率。通常l e o 卫星经过辐射源上空 的时间有1 0 2 0 分钟，在这段时间里，卫星测量出多个不同时刻的信号频率，打 上时间戳，并存储起来。当卫星经过地面站上空时，地面站向卫星发出指令，回 收卫星测得的信号的多普勒频率，由于卫星的星历是己知的( 通过地面测控手段 可以获得) ，读取卫星的时间戳，将卫星测频的时刻与该时刻卫星的星历对应起 来，就可以得到测频时刻卫星的位置坐标和速度。将以上数据共同送到数据处理 中心，经过一定的处理，即可求解出辐射源的坐标，完成对目标的定位，信号处 理的流程如图2 2 所示。 低轨卫星 即曩 - - 二 、 图21 单星测频无榷定位系统示意翻 图2 2 为单星铡频无源定位系统处理流程图： 图2 2 单星测颇无源定位处理流程 第7 页 太黧 硷 一 一 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 1 单星测频无源定位原理和定位模型 2 1 1单星测频无源定位的基本原理 单星测频无源定位的原理来源于多普勒效应，多普勒效应是为纪念奥地利物 理学家约翰克里斯琴多普勒( 1 8 0 3 - - , 1 8 5 3 ) 而命名的，他于1 8 4 2 年首先提出了 这一理论。多普勒通过试验发现，声波频率在声源移向观察者时变高，在远离观 察者时变低，这种现象称作多普勒效应。 石 图2 3 卫星定位中的多晋勒效应 多普勒效应不仅仅适用于声波，它在无线电波和光波等连续辐射波的传播中 同样存在。如图2 3 所示，对于一个静止在地面上或空中的辐射源，在f l 时刻，当 卫星向辐射源靠近时，卫星此时接收到的频率 大于辐射源发出的频率石；在t 2 时刻，卫星经过辐射源上空，辐射源与卫星的连线与卫星运动方向垂直时，二者 的相对速度为零，卫星接收到的频率五等于辐射源发出的频率石；在t 3 时刻，卫 星远离辐射源时，卫星接收到的频率石小于辐射源发出的频率石。 根据多普勒效应，某一时刻如卫星接收到的信号频率z 与辐射源的发射频率石 有如下关系： z ：il + 醴1 石( 2 - 1 ) l c j 其中z 为卫星在t i 时刻接收到的频率，矿为t i 时刻卫星的速度，包为卫星和辐射源 连线与卫星速度方向的夹角，c 是光速，二是辐射源发射的频率。在上式中，该时 刻卫星的速度可以通过卫星的轨道预报得知，假设辐射源的发射频率已知，只要 卫星测得此时接收到的频率，就可以求出夹角谚的值。在空间中，某时刻与卫星 运动方向成只角的所有坐标点组成一个以卫星位置为顶点、圆锥角为包的圆锥面， 第8 页 国防科学技术大学研究生院硬十学位论文 辐射源的位置就在此曲线上，如下图所示。 幽2 4 单个时刻点的多普勒等频锥面 同理，对于两个时刻点f i 和t 2 ，可以得到两个等频锥面，对应的等频锥面的圆 锥角分别为岛和b ，两个锥面与地球表面相交形成两条等频锥线，这两条等频锥 线相交于点1 和点2 ，如图2 5 所示，它们其中的一点即为辐射源所在的位置。 百鲜 圈2 5 掰个时刻点的多普勒等频锥面 以此类推，卫星在_ v 个不同时刻形成个不同的锥面，与地球表面相交得到 v 条不同的等频锥线，由于这些锥面的圆锥角互不相等，因此条等频锥线存在 共同的交点，该点对应的也就是辐射源的位置点。图2 6 所示为卫星一次从辐射源 上空经过形成的多条等频锥线，其中钡0 频的时间间隔取一分钟。图中虚线表示卫 星运动时在地球表面的投影，称为卫星轨迹，从图中可以看出由于几何上的对称 性，这些交线相交于与卫星轨迹相对称的左右两个点，其中一个是目标的真实点， 一个是目标的镜像点，也叫模糊点，在实际应用中必须利用一定的方法将模糊点 剔除，论文后面将会进一步讨论这个问题。 第9 页 妇 国防科学技术大学研究生院硕十学何论文 图2 6 多个时刻点的多普勒等频锥线 综上所述，假如已知辐射源的发射频率序，只要选取两个或两个以上的时刻 点，就可以完成对地面上某静止辐射源的定位；如果选取三个或三个以上的时刻 点，就可以完成对空中静止辐射源的定位。如果发射频率序未知，只要选取三个 或三个以上的时刻点，就可以完成对地面上某静止辐射源的定位，取四个或四个 以上的时刻点，就可以完成对空中静止辐射源的定位，在完成定位的同时，可以 用测量的多普勒频率完成对辐射源发射频率的估计。 另外，也可以用等频差面的方式定位，当n = 4 时，由4 个多普勒频率可以得 到3 个独立的频差，对应的3 个互不相同的等频差面在辐射源处相交，因此也可 以用3 个等频差面对三维空间中的一个静止辐射源定位，当n = 3 时，可以用2 个 等频差面对地面上的一个静止辐射源定位【lo j 。 从以上分析可以看出，本定位原理主要适用于以下场景：首先，由于本定位 原理并不能对目标实时定位，而是收集多个时刻的测频数据后对辐射源定位，因 此待定位的辐射源应为静止目标或运动速度较慢的目标，否则多个锥面与地面交 线没有共同的交点，无法实现定位；其次，辐射源的发射频率要具有较高的短期 稳定度，在卫星一次经过辐射源上空时，如果由于温度等因素造成辐射源的发射 频率抖动较大，卫星在不同时刻测量的多普勒频率就不具有共同的参照性，同样 造成等频锥线不存在共同的交点，导致无法定位；最后，对卫星平台的选择也有 要求，卫星本身必须与地面有较大相对速度，因此该原理不适合于地球同步轨道 卫星。而l e o 卫星与地面的相对速度较大，有较大的多普勒频移和多普勒变化率， 比较适合用作单星测频无源定位。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 1 - 2 定位模型和定位方程 图2 7 卫星与辐射源的几伺模型 如图2 7 所示，地心地固坐标系中，待求的地面上静止辐射源的坐标为 s ( x ，y ，z ) ，地球的半径为，。在t i 时刻测频时，卫星所在位置p l 的坐标是( 五，k ，互) ， 卫星的速度是矿( z ，e ，之) ，测得的频率为z ，卫星速度矢量露与卫星和辐射源连 线只i 的夹角是毋，卫星到辐射源的距离为4 。由卫星和辐射源的相对位置关系可 得4 的表达式为： 碣2 = ( 五- x ) 2 + ( z y ) 2 + ( 互一z ) 2 ( 2 - 2 ) 考虑到测频误差，将式( 2 1 ) 中卫星在t i 时刻接收到的频率，表示为： z ：f ，。+ 醴 挑 仫3 ， l c j 其中石是地面辐射源的发射频率，c 是光速，岛是频率的测量误差。将卫星的位置、 速度和辐射源的坐标值代入到式( 2 3 ) 得： z = 小+ z 百x - x , + e 等+ 之鲁卜 c 2 4 ， 其中，i = 1 ，2 n 。 式( 2 - 4 ) 中t i 时刻卫星的位置坐标( 五，l ，互) 和卫星的速度矢量矿( 墨，：，之) 都 能够通过地面测控手段获得，可以视为已知量，辐射源该时刻到达卫星的频率z 通 过卫星接收机测量得到，辐射源的发射频率石也假定为已知的( 对于弄未知的情 况，以相同的方法讨论) ，待求量为辐射源的坐标( 工，y ，z ) 。 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 如果不考虑测量误差，式( 2 - 4 ) 是一个含有三个未知数的非线性方程，对应 三个不同时刻的测量值，可以得到三个不同的方程，联立这三个方程组成一个非 线性方程组，利用解析的方法即可求解这个方程组即可得到辐射源的坐标( x ，y ，z ) 。 但是在考虑测量误差的情况下，利用式( 2 - 4 ) 不能求得目标的真实位置，所求的 解都带有一定的误差，并且随着所选的计算数据不同，得到的坐标值也不同。 2 2 基于t a y l o r 级数展开的最d - - 乘迭代算法 基于2 1 节的定位模型，辐射源的定位问题转化为非线性方程组的求解问题。 非线性方程组的求解通常使用t a y l o r 级数展开的方法，将非线性方程组线性化， 而后通过最小二乘迭代来求解。 2 2 1坐标位置的初始估计 利用t a y l o r 级数展开非线性方程时，首先要知道辐射源的初始估计值，用 ( ，y o ，z o ) 来表示。在这里，利用卫星与辐射源距离最近点时刻( t c a - t i m eo f c l o s e s t a p p r o a c h ) 二者的几何关系来求解初始估计值，设此时刻为t o 。在t o 时刻，卫星的 坐标为( k ，r o ，z o ) ，速度矢量为矿o ( x o ，残，z o ) ，辐射源的坐标为( 而，z o ) ，运动 方向与卫星和辐射源连线方向的夹角o o 为9 0 度，二者的相对速度为零，因此卫星 接收到的频率等于辐射源的发射频率石。在地心地固坐标系中，根据该时刻卫星 和辐射源的几何关系，得到以下三个方程： 而2 + 2 + z 0 2 = ，2 ( 2 5 ) k 黾+ k + z o 气= x o x o + k r o + r o z o ( 2 - 6 ) x o x o + z o y o + z o z o = l r 2 + p 2 一引 ( 2 - 7 ) 其中，为地球的半径，h 是卫星的高度，p = r + h ，d o 为t o 时刻卫星到辐射源的 距离。 式( 2 5 ) 表明辐射源在地球表面上；式( 2 6 ) 表明地心0 、辐射源位置s 和 卫星位置p f 组成的平面傩p f 与卫星的速度矢量矿( z ，只，之) 垂直。在三角形傩一 中，利用余弦定理可得式( 2 7 ) ，其中磊通过式( 2 1 ) 可以表示成辐射源坐标 ( ，甄，气) 的函数 d 0 2 = ( k 一而) 2 + ( 写一虬) 2 + ( z j z o ) 2 ( 2 8 ) 联立式( 2 5 ) 式( 2 - 8 ) 求解出信号源的初始坐标值( ，y o ，) ，将该坐标