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舰载三星卫星通信终端定位技术
摘 要：针对传统的双星或者三星定位技术一般用于地面固定站、需要多幅抛物面天线等局限,提出了基于舰载的三星定位技术.通过将观测平台抵近目标波束,用相控阵天线同时接收通过主星转发的下行信号以及辐射到两侧邻星转发的下行信号,利用互模糊相关函数分别计算主邻星到达接收站的时差和通过时差解算目标位置,对定位算法的仿真验证了算法的性能.
关键词：时差；卫星通信终端；三星定位；相控阵天线
引言
随着无线电通信技术的迅猛发展以及信息化程度的不断提高,世界各国对无线电的需求日益增多.卫星通信以其频带宽、容量大、适用于多种业务、覆盖能力强、性能稳定可靠、不受地理条件限制、机动灵活,以及成本与通信距离无关等优点[1],不仅广泛用于世界各国的民用通信,而且各主要国家的远距离军用通信效能的发挥也离不开卫星通信的保障[2].西方主要国家非常重视卫星通信技术的发展,特别是以美军为代表的通信技术强国,更是将卫星通信作为主要的通信手段[3],因此对卫星通信终端的定位具有重要的军事意义.
1 卫星通信终端三星定位算法
1.1 基于时差的三星卫星通信终端定位
卫星通信终端定位技术在军事和民用中已经获得广泛应用,三星卫星通信终端定位[4]的原理与卫星通信干扰源定位的原理类似.目前,在全球只有2 家公司拥有技术成熟的TLS 系统的研发和生产能力,一个是美国InterferometricsInc 公司生产的TLS2000 型干扰定位系统[5].另一个是英国Merlin 国际通信有限公司和Dera 联合生产的多卫星地面定位系统[6].三星定位是利用通信主卫星和2 颗邻星、2 次测量TDOA 参数,得到通信终端的位置,如图1 所示.
1.2 信号模型
传输的时间延迟估计参数模型为：
1.3 信号检测及时差测量
由于接收的邻星转发的下行信号是主星旁瓣泄露的信号,因此其信噪比一般较低,甚至淹没在噪声中,而主星转发的通信终端下行信号一般信噪比较高,通过计算信号的互相关,搜索相关峰值,实现对微弱旁瓣信号的检测[7].
求主邻星信号的时差时,用二阶复模糊函数表示为：
一般情况下,邻星接收的旁瓣泄露信号极其微弱,其信噪比远远小于主星信号的信噪比,通过互模糊相关计算带来的相关处理增益,可提高接收到邻星微弱信号的检测概率.
1.4 卫星通信终端三星定位原理
三星时差定位原是指利用空中3 个卫星平台,同时测量地面辐射源到达3 个卫星的时间差来对辐射源进行定位.定位方程组包括2 个时差方程和1 个地球方程,属于非线性方程组.等时差点构成双曲面,辐射源位置就是2 个双曲面和地球表面的交点.
在卫星通信终端三星定位中,为修正卫星星历数据、抵消传播通道传输时延的影响,需要增加地面参考源以修正这些误差因素的影响,定位示意图如图2 所示.
参考辐射源上行信号通过主星、邻星转发,地面观测到的时差为：
为了消除卫星转发过程中引入的系统误差,取侦收卫星终端信号到主邻星的时差与侦收参考源到达主邻星信号时差的差,即：
从主星和邻星角度观察地面位置辐射源的时差为：
式中,是从主星和邻星角度观察参考辐射源的时差,参考辐射源位置以及卫星星历已知,因此可以采用三星时差定位算法,求得运动辐射源的位置.
2 需求分析
传统的用于卫星通信终端定位的接收天线均采用抛物面形式,但是其天线波束单一、机械扫描速度慢,通信终端定位需要接收2 颗或者3 颗卫星转发的下行信号,因此需要配备多副抛物面天线,在舰载平台空间有限的情况下,已不能适应目前需求.基于此,新型的舰载卫星通信终端定位设备拟采用具有对多目标进行波束配置的能力,要求波束可以捷变,且具备快速捕获及跟踪能力的天线,有源平面相控阵天线体制恰能应对此需求.
随着相控阵列朝着超宽带及多功能的方向发展,要求在相同阵面空间内容纳更多的功能单元.同时随着应用频率不断提高,天线阵列的单元间距越来越小,使得整个相控阵阵面空间尺寸也越来越狭小.功能单元的增加和空间尺寸的缩小正在同步发生,导致以往以线束形式出现的T/R 组件或子阵的控制走线及供电电路的密度越来越大,信号传输的复杂程度也越来越高.
基于上述描述,相控阵天线的射频组件前端、波控网络、电源走线及校准网络等必须与收发共用天线一体综合设计,解决大型阵面信号传输线众多、杂乱无章及过分占据阵面横向或纵向尺寸的系统设计问题,有助于大型复杂功能相控阵列的系列化推广应用.
3 仿真实验
采用高轨三星定位体制论证对目标的定位精度,仿真条件设置为：主星：ZX 10（东经110.5° ）；邻星1：ZX 12（东经87.5° ）；邻星2：Asiasat 6（东经122° ）.当时差测量精度为0.1μs 和0.5μs,卫星星历误差为0.5,0.3,0.2 km.通过实验发现,在0.5μ s 的时差误差和0.2 km 的卫星轨道误差下,对国内和东部海域内目标的定位精度可达到20 km以内；在0.5 μs的时差误差和0.3 km 的卫星轨道误差下,对国内、东部海域内目标的定位精度可达到25 km 以内；在0.5 μ s的时差误差和0.5 km 的卫星轨道误差下,对国内和东部海域内目标的定位精度可达到50 km 以内.定位误差随着卫星轨道误差和时差估计误差的增大而恶化,且在轨道误差较大时,时差对定位精度的影响不明显.
4 结束语
本文基于舰载观测平台,利用时差信息,建立了三星定位的三维模型,针对目前不在地面落地的波束范围的目标进行定位以及舰载平台空间有限的诸多问题,提出了利用有源平面相控阵天线的方法,利用其波束可以捷变,且具备快速捕获及跟踪能力来满足目前定位设备存在的问题.文章对定位精度进行了仿真,目前该技术已经应用于实际课题,经实际验证表明,在获得较为准确的卫星星历的前提下,可以达到比较精确的定位效果.
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