简析两种不同数据采集方式对卫星干扰源定位性能的影响

2021-01-07李思静蔡鸿昀

数字通信世界 2020年12期

李思静，蔡鸿昀，周平

（国家无线电监测中心深圳监测站，广东深圳 518120）

0 引言

卫星干扰源定位普遍采用双星定位技术对干扰源上行站进行定位，而双星定位结果的精度主要取决于双星星历的精度，目前，定位卫星干扰源使用的星历主要从国外公开网站下载。公开星历若直接用于卫星干扰源定位，定位误差为几百千米至几千千米，此时定位结果完全失去意义。为了得到较为精确的定位结果，干扰源定位系统需要发射多个上行站地理位置分散的参考源信号用以校准双星星历，其中，参考源信号是指受干扰卫星上已知频点及上行站位置的星上信号。通过对星历校准，定位结果精度可提升至几十千米量级。当前，主流定位系统对参考源及干扰信号的采集方式普遍为窄带模式，该模式会给星历校准模型引入额外的误差，随着 AD技术的迅速发展，基于 500 MHz超宽带采集的卫星干扰源定位系统已投入使用，能够提升卫星干扰源定位精度。

1 双星定位原理

当某颗地球静止轨道卫星受到干扰时，干扰源天线的主瓣对着目标卫星（以下简称主星），干扰源天线的某个旁瓣对着用以辅助定位的某一颗卫星（以下简称邻星）。由于两颗卫星的位置不一样，使两路信号到达接收站的时间不一致而产生时差TDOA（Time Difference of Arrival），定位系统基于地球固定坐标系在地图上得出一条TDOA线；由于两颗卫星运动速度的不一致使两路信号被接收时产生多普勒频差FDOA（Frequency Difference of Arriva），定位系统在地图上得出一条FDOA线，两条线的交点即为干扰源上行站位置。

描述卫星位置和速度的信息称之为星历。干扰源定位的精度对星历精度高度敏感，例如，星历如果在速度上存在0.2 m/s的误差，将导致定位结果偏离实际干扰源地点多达上千千米。所以，星历校正技术是定位系统的关键技术。

图1 双星定位示意图

2 引入参考源的定位方程

为了消除主星、邻星链路不一致带来的测量误差，定位采用引入辅助参考源的方式，引入参考源的定位方程如下：

式中，r是定位目标的位置的径向矢量；r0是参考站位置的径向矢量；rm是地面接收站位置的径向矢量；dto（tar）是定位目标信号对两颗卫星的时间差；dto（ref）是参考信号对两颗卫星的时间差；dfo（tar）是定位目标信号对两颗星产生的多普勒频移差；dfo（ref）是参考信号对两颗星产生的多普勒频移差；v21是两颗卫星速度矢量和；v21（r）、v21（r0），v21（rm）分别为v21在径向矢量r、r0、rm上的投影；fu表示定位目标信号的上行频点；fr表示参考信号的上行频点。

图2 信号传输链路图

3 数据采集模式

3.1 窄带采集

窄带采集模式的采集带宽为几兆至几十兆不等，由于干扰源频点及5个参考源频点随机分布在500 MHz带宽内，所以完成一次干扰源定位需对6个频点分别进行采集。数据采集流程如下：

（1）射频信号频点下变频到70 MHz中频。

（2）对目标频点进行奈奎斯特采样。

（3）利用采集数据进行参数估计。采集时序如图3所示，对6个频点的数据采集先后分5次进行，即干扰源频点与第二至第五参考源频点分别与第一参考源配对同时采集，每一组数据依次在不同时刻采集。由图4可知，卫星干扰源定位系统根据窄带采集模式的特点，需要配置4台变频器和4块采集卡。数据采集系统流程如图4所示。

图3 窄带采集时序图

图4 窄带采集系统框图

3.2 宽带采集

在宽带采集模式下，实时采集带宽大于或等于 500 MHz。基本工作流程如下：

（1）射频信号通过变频器下变频到 L频段（950 MHz-1，450 MHz）。

（2）采集设备对整个 500 M频段进行采集得到数字信号。

（3）采集卡内的高性能 FPGA芯片通过 6路 DDC分别对干扰源频点及 5个参考源频点数字信号进行滤波处理，供定位系统后续计算。在宽带采集模式下，系统只需要配置两台变频器、两块采集卡。工作原理图如图5所示。

图5 宽带采集系统工作原理图

4 实测数据比较分析

实测数据分为2组，每组数据采集定位15次。采样带宽为313 kHz，采样时间分别为2.5 s，5 s。同一套卫星干扰源定位系统，使用相同的星历校准算法，参数估计算法以及定位算法，采集相同的干扰源频点及参考源频点，惟一不同的是数据采集模式不同。1个已知上行站作为定位目标信号，5个参考源信号用于定位实验。

数据的对比主要是分析在采样条件相同的情况下，不同的采集模式下，定位结果准确度的对比。

当采集时间为2.5 s时，宽带采集15次的平均定位误差为10 km，窄带采集15次的平均定位误差为23.4 km。窄带采集比宽带采集的平均定位误差要高出13.4 km。

当采集时间为5 s时，宽带采集15次的平均定位误差为12.2 km，窄带采集15次的平均定位误差为30.7 km。窄带采集比宽带采集的平均定位误差要高出18.5 km。