双星对地面未知辐射源直接定位方法研究 罗迪.pdf

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CommandControl&Simulation
ISSN-,CN-/TJ
《指挥控制与仿真》网络首发论文
题目:双星对地面未知辐射源直接定位方法研究
作者:罗迪,尹灿斌,李智
收稿日期:--
网络首发日期:--
引用格式:罗迪,尹灿斌,[J/OL].指挥
:///..tj....html
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指挥控制与仿真
CommandControl&Simulation
双星对地面未知辐射源直接定位方法研究
罗迪,尹灿斌,李智
(航天工程大学,北京怀柔)
摘要:为解决卫星平台对地面辐射源无源定位需要参数测量导致定位精度受限问题,本文提出了一种针对未知
辐射源的脉冲相参累积直接定位算法。算法利用脉冲时差与相位差信息,通过最大似然估计原理构建代价函数实
现定位。仿真分析表明,定位方法可有效应用于卫星平台,且在低信噪比条件下,通过脉冲相参累积可以减少定
位误差。
关键词:双星;时差;相位差;直接定位;相参累积
中图分类号:TN.;:A
ResearchontheDirectLocationofDouble-satellite
totheUnknownGroundRadiationSource
LUODi,YINCanbin,LIZhi
(SpaceEngineeringUniversity,Beijing,China)
Abstract:Thisstudyproposesadirectlocationalgorithmofpulsesphase-coherentaccumulationforunknownradiation
sourcetodealwiththeissueofconstrainedpositioningaccuracycausedbyparametermeasurementforthepassive


analysisdemonstratesthatthelocationmethodcanbeefficientlyutilizedonsatelliteplatforms,andpulsesphase-coherent
accumulationcansuccessfullyminimizelocationerrorinthepresenceoflowSNR.
Keywords:double-satellite;TDOA;phasedifference;directlocation;coherentaccumulation
目前基于卫星平台的对地定位方法一般分为有源直接定位方法突破了两步法定位的局限性[]。该
定位和无源定位[]。其中有源定位通常运用GNSS系方法免去测量参数提取过程,而是利用接收的信号数
统。该系统由卫星发射定位信号,接收机接收信号并据,对目标位置进行直接估计。相关研究表明直接定
根据信号解算自身位置,现行系统有美国GPS、俄罗位技术相比于传统两步定位方式具有精度优势,特别
斯GLONASS、欧洲Galileo和中国北斗导航定位系统[]。是在低信噪比下具有更好的精度,并具备多目标的定
这种定位方法通常只能对合作目标进行定位。为解决位能力[,]。但因为需要对多路观测信号统一进行处
非合作目标的定位问题,学者们提出无源定位方法,理,该方法需要更大的站间和下行数据传输量和计算
通过接收目标发射出的电磁波对目标进行定位[]。这复杂度[]。受限于算法自由度难以满足当前复杂电磁
种方法一定程度上解决了非合作目标的定位问题。环境、通信压力大(多站数据互传、地面数据接收)
无源定位一般采用基于参数测量的两步定位法,即在以及计算复杂度高等实际问题,算法还难以在工程中
正确分选信号的前提下,首先估计信号参数,然后根应用[]。
据信号参数估计辐射源位置[-]。这种方法受到诸多制当前直接定位方法主要应用于二维视距场景
约,主要包括:特征参数估计误差,比如天线阵误差[,]。本文受相关研究启发,提出一种针对未知信号
等造成的角度测量偏差[],时间基准不一致等导致的的脉冲相参累积直接定位算法,并将其应用拓展至卫
时差测量偏差[],频率基准不一致等导致的频差测量星平台。首先根据轨道动力学模型建立双星星座,构
偏差[];卫星导航、定轨误差,比如卫星轨道位置误造了发射线性调频脉冲信号的地面辐射源,利用信号
差、速度误差、时延误差[,]。此外,卫星与目标的中时差与相位差信息,基于最大似然估计原理构造代
几何构型变化、电磁波在大气中的折射、系统本身存价函数,建立针对未知辐射源的脉冲相参累积直接定
在的热噪声、空间环境造成的随机误差、观测方程的位算法,运用坐标变换在地球表面划分网格并进行搜
线性化近似处理等也是产生误差的原因。而且,当存索定位。最后通过仿真验证了脉冲相参累积直接定位
在多组定位观测量时,各观测量通常是分别独立进行算法的有效性,并分析了在不同信噪比条件下,脉冲
估计的,忽略了所有参数必须对应于相同位置的约束,累积量的变化对地面辐射源定位精度的影响。研究表
因此基于参数测量的两步定位法是次优的[]。明在低信噪比条件下通过脉冲相参累积可以获得更好
收稿日期:--修回日期:--
作者简介:罗迪(-),男,硕士研究生,助理工程师,研究方向为无源定位。
尹灿斌(-),男,博士,副教授,
研究方向为电子对抗。
李智(-),男,博士,教授。
T
的定位精度。snnnnsssN
T()
wwwwN
信号模型l,,,,nlnlnln
T
rl,,,nlnlnlrrrN
为简化分析,假设辐射源发射第一个脉冲的起始ππ
jπfNfjπ
jπf,,lnln
adiageee,lnTT
时刻为时刻,令各脉冲的初始相位均为零,且脉冲ln,

之间是相参的。对于单个辐射源l个接收机的情况,
相参累积定位算法
辐射源位于p,接收机保持时频同步,并于pln,处
接收到第n个脉冲信号。对于短脉冲辐射源而言,
普勒频移可以忽略,因此仅考虑接收信号的时延和相定位算法基于极大似然估计原理,首先根据信号
位。接收脉冲信号模型可表示为的时差和相位差构建代价函数,再在目标区域划分网
jπf,ln
rtbstwttTl,,,,nlnnlnlne,()格点,计算每两个网格点之间的时差、相位差的估计
其中值,用估计值补偿实际接收到的信号。将补偿后的信
号待入代价函数中计算,补偿后的信号相似程度越高,
lnln,,ppc()
代价函数的输出值越大,因此会在辐射源所在网格点
rtln,表示第l个接收机接收到的第n个脉冲信处出现峰值。最后通过对网格点的遍历寻找到峰值点,
号,bln,表示接收信号的信道衰减,sn为第n个发射实现对辐射源的定位。步骤如下:
采样信号
的脉冲信号,f为载波频率,wtln,()为传输噪声。
这里假设wtln,()为零均值高斯白噪声,分布服从目标范围D划分地面网格点P...Pn
wNllt,。ln,为信号时延。由于一般线性
调频信号的带宽远小于载频,因此信号载频的延时近k=
似等于信号的相移。
令Pk处的代价函数C(Pk)=
假设信号的中心频率f已通过载频估计得到,则
经过接收机下变频采样处理后,上式可化为
估算从Pk处发射信号
jπf,ln
产生的时差tk和相位差Φk
rDswl,,,,nlnlbnnlne()
D表示在时域上将s延迟[]f个采样时以Px为目标
其中ln,nlns,用时差相位差Φ补偿接收信号k=k+
范围中心tkk
间,fs为采样率,sn、wln,、rl代表采样后的序列,
展开表示为计算代价函数C(Pk)
T
snnnnssstttN
k=n?N
T
wwwwttt()
l,,,nlnl,nlnNY
T
寻找代价函数最大值Cmax(Px)
rllrttrrlltN
N
以上完成了信号时域模型的建立。对式()进行
缩小目标范围D
离散傅里叶变换,可以得到信号频域模型
π
jkln,
Tjπf,ln
rsl,,nlnknbkee()D<阈值范围?
Y
wln,kkN,
写成矩阵形式为估计位置为P
图算法流程图
raswl,,,,nlnblnnln()
.代价函数
其中
下面对定位算法中的代价函数进行推导。式()
可以写为
wl,nrl,nbl,nal,nsn()
假设各通道接收信号的噪声在时间、空间上是独
指挥控制与仿真
立同分布的零均值高斯白噪声,即值相等。因此,对于式(),可以将NN维的Qn
wl,ntN,l,也就相当于替换为ll维的Qn,即
H
QnVnVn()
rl,nbNl,nal,nsn,l。由此可以得到一个协方
则式()等价于
差矩阵rlnlnlnna,,,sb的极大似然估计函数的表达式i
()
为CmaxpQn
n
ij

()而辐射源位置就位于代价函数的最大值处,即
fbbll,,,expnlnlsp=rasnn,,,

πllnl
ppˆargmaxC()
上式两边取自然对数得p
Infbll,,,Insp=π
()数值仿真
ij
rasl,,,nlnlbnn本节主要通过数值仿真验证定位方法在双星平台
nl
l
的可行性,并且探究其定位性能。
对式()中的噪声方差求偏导,然后使偏

导数等于,则噪声方差估计值为
)卫星动力学计算。人造卫星的运动主要受地球
ij
ˆ()引力影响,此外在低轨情况下,还受到大气阻力、光
llnlnlnn=ras,,,b
nl压等的影响。这里为简化分析,忽略其他各种摄动力
代入()中可得代价函数Cp的影响,将卫星绕地球的运动抽象为两个质点在万有
ij
()引力作用下的运动学问题,即二体问题。
Cpralnlnlnn,,,bs
nl三维空间中,唯一确定物体轨迹需要六个参数,
其中b为信道衰减,对s进行归一化,再求式()
n如位置矢量x,,yz和速度矢量vvvxyz,,可共同
的最小值,则b的极大似然估计值为确定物体轨迹。此外,用六个轨道根数也可描述它。

ˆHH通常的轨道六根数指的是:半长轴a、偏心率e、轨道
bl,,,,,nlnnlnasasasrnlnnln()
倾角i、近心点幅角ω、升交点赤经Ω和真近点角φ。
再代入式()得双星的轨道六根数如下
iijj
H
()表双星轨道六根数
Cprasl,,,nlnnlnr
nlnl
轨道六根数SATSAT
其中rln,是独立参数,因此可以将最小化式()
a(km)..
转化为最大化式()
e..
iij
H
H()i(rad)..
Cpassl,,nnlQnnnsrn
nlnω(rad)..
其中定义NN的Hermitian矩阵Q为
nΩ(rad)..
QVVH()
nnnφ(rad)..
HH()
Vararnnnjnjn,,,,,...,根据轨道六根数,通过轨道动力学方程运算,可
对于未知信号的情况,最大化代价函数式()以求出卫星任意时刻的坐标和速度[]。
)网格坐标转换。为计算与表示方便,辐射源和
可以通过最大化每一个关于sn的二次型来实现。因此
划分网格点位置采用基于WGS-地球模型的经纬高
要选择一组向量sn使得代价函数最大,也就是需要
坐标系(LLA)。卫星位置和定位计算过程采用地心球
s作为Q的最大特征值Q对应的特征向量。
nnmaxn面固连坐标系(ECEF)。因此,需通过式()将经
因此代价函数可以转化为纬高坐标系转换到地心球面固连坐标系下进行定位计
i
()算。
CmaxpQn
n
但是Qn的维度是NN的,会随采样点的增加
而增加,导致求特征值的计算量过大。根据矩阵理论,
HH
对于一个给定的矩阵X,XX与XX的非零特征
xNaltlatloncoscoskHz,空占比为%,调频带宽为MHz。接收机
采样率为MHz,接收信号为一个完整脉冲。图显
yNaltlatloncossin
()示了发射信号的时域波形。
zNfaltlatsin

a
N

sinfflat
其中f为基准椭球体的极扁率,a为基准椭球体的长
半轴,具体数值根据WGS-地球模型数据获得。
lon、lat、alt分别代表辐射源的经度、纬度和高
程。假设地面辐射源的经度为°E,纬度为°N,
高程为,坐标表示为lonlatalt,,。
通过对卫星的轨道动力学计算和辐射源坐标转换,得
到两颗卫星及辐射源在ECEF和LLA坐标系下的坐标
分别为
表卫星和辐射源的初始位置与速度(ECEF)
坐标SATSAT辐射源图信号波形
x(km)...
.单脉冲直接定位仿真分析
y(km)-.-.-.
理想条件(无噪声影响,信号未知)下,单脉冲
z(km)...
定位仿真得到代价函数分布如图所示,代价函数在
vx(km/s)-.-.
接近真实发射位置处有一个明显的峰值。
vy(km/s)..
vz(km/s)..
表卫星和辐射源的初始位置与速度(LLA)
坐标SATSAT辐射源
lon(°)-.-.-
lat(°)..
alt(km)..
图显示了卫星与辐射源在空间中的相对位置,
以及在地面划分的网格点。
图代价函数计算结果(脉冲数=,无噪声)
增加噪声使得信噪比(SNR)/dB,接
收脉冲数依旧为,代价函数计算结果如下所示。
图卫星与辐射源的相对位置
)信号数据生成。辐射源发射信号为典型的线性
调频脉冲信号,设置载波频率为GHz,脉冲重频为
指挥控制与仿真
由仿真结果可以发现,通过累积个脉冲,在同
样为SNRdB的条件下,相比与上一节中峰值被
噪声淹没的情况,代价函数中的峰值较为明显。说明
通过脉冲相参累积可以有效提升直接定位的效果。
.脉冲相参累积量对定位精度影响仿真分析
在验证脉冲相参累积可以提升直接定位效果后,
本小节考虑研究脉冲累积量与信噪比、定位精度之间
图代价函数计算结果(脉冲数=,SNRdB)的关系。在之前同样的仿真场景下,将接收信号的信
噪比设置为从-dB到dB,脉冲累积量分别为、
和,蒙特卡洛仿真次数为次,由此可以得到
在不同脉冲累积量下定位误差与信噪比的关系。如图
所示。
图代价函数计算结果(脉冲数=,SNRdB)
可见在SNRdB时,代价函数中的峰值已经
图不同脉冲累积量下定位误差与信噪比关系曲线
被噪声淹没,导致无法成功定位。
通过统计定位误差可以发现,随着接收信号信噪
.脉冲相参累积直接定位仿真分析比的降低,定位精度也随之降低。而在相同信噪比条
上一小节中,低信噪比条件下定位遇到困难,因件下,通过脉冲累积量的增加,可以明显提升定位精
此考虑利用脉冲相参累积提升算法在低信噪比条件下度。仿真结果有效说明了脉冲相参累积对定位性能的
的定位能力。仿真实验中,将脉冲累积数增加到。贡献度。
考虑到卫星飞行速度较快,不能假设卫星始终静止,
因此采取“动—停”仿真,即假设卫星在接收脉冲时结论
静止,在其余时间段内运动。通过脉冲相参累积,得本文针对卫星对地面未知地面辐射源定位,提出
到仿真结果如图所示。脉冲相参累积直接定位算法,实现了对地面未知辐射
源的直接定位,通过仿真验证了脉冲相参累积直接定
位算法的有效性,并进一步分析了脉冲累积量的变化
在不同信噪比下对辐射源定位精度的影响。仿真结果
表明,在低信噪比条件下,通过脉冲相参累积可以减
少定位误差。下一步考虑将算法由对单一辐射源的定
位拓展至对多辐射源的联合定位,并提升算法对不同
信号的适应性和定位精度。
参考文献:
[]李康,丁国如,李京华,钱惠明,
动态及其应用分析[J].航空兵器,,():-.
[]HongCK,BaeTS,
IssueonUpcomingPositioning,Navigation,andTiming:
GPS,GLONASS,GalileoandBeiDou[J].Remote
Sensing,,():.
图代价函数计算结果(脉冲数=,)
SNRdB[]宋杰,何友,蔡复青,
源雷达技术综述[J].系统工程与电子技究,,():-.
术,,():-+.[]AmarA,
Determination[C]//ProcessingWorkshopProceedings,
[]鞠建波,张雨杭,
SensorArrayandMultichannelSignal,Barcelona,
定位精度分析[J].指挥控制与仿真,,():-.Spain,:-.
[]秦耀璐,杨淑萍,束锋,孙琳琳,陆锦辉,许正文,[]
于TDOA/FDOA多星联合定位误差与卫星构型分析[J].RadioFrequencyTransmitters[J].IEEESignalProcessing
Letters,,():-.
电波科学学报,,():-.[]TirerT,
[]谭安胜,[J].DeterminationofRadioFrequencySources[J].IEEE
指挥控制与仿真,,():-.SignalProcessingLetters,,():-.
[]TirerT,
[]刘甲磊,马佳智,
High-resolutionDirectPositionDeterminationMethod[J].
方法[J].系统工程与电子技术,,():-.IEEETransactionsonSignalProcessing,,
[]罗熙,[J].航天():-.
[]XiaW,XiaX,LiH,-constrained
电子对抗,,():-.
DistributedAdaptiveDirectPositionDetermination
[]尹波,翟桂全,[J].现代Algorithm[J].SignalProcessing,,:-.
雷达,,():-.[]吴癸周,郭福成,[J].雷达学
[]赵鹏飞,陈高峰,李小娟,汪大宝,刘宁,,,():-.
三号导航系统的***技术[J].中国空间科学技[][M].北京:清华大学出
术,,():-.版社,:-.
[][J].空间碎片研