卫星干扰源定位中第一参考源对定位精度的影响

张　琪，李思静（国家无线电监测中心深圳监测站，深圳 518120）

卫星干扰源定位中第一参考源对定位精度的影响

张琪，李思静
（国家无线电监测中心深圳监测站，深圳 518120）

本文分析了参考源的使用对于提高双星定位精度的作用，指出第一参考源的地理位置与准确度对于定位精度至关重要。理论分析及实测结果均显示：第一参考源距离干扰源信号越近，双星定位精度越高；第一参考源距离干扰源信号本身时差线越近，双星定位精度越高。

双星定位；参考源；定位精度

卫星通信由于具有通信距离远、覆盖范围广、传输容量大等优点，近些年越来越广泛地应用于军事侦查、电视广播、气象预报、资源环境探测和灾害防护等领域。另一方面，随着卫星通信业务种类及业务量的不断增长，对地静止轨道上的卫星数量已接近饱和，加之卫星通信透明转发的工作特点，使得卫星干扰数量呈现爆发式增长。一些卫星干扰功率非常高，甚至导致整个转发器饱和，对卫星上的正常业务造成了极其恶劣的影响。为了快速处理卫星干扰，恢复正常通信业务，精确的卫星干扰源定位结果尤为关键。本文通过分析讨论了参考源在修正卫星干扰源定位误差中的作用，指出第一参考源的地理位置和准确度对定位精度具有决定性的作用，最后通过实测数据证实了该结论。

1　双星定位原理

双星定位是通过对地静止轨道上被干扰卫星（以下称为“主星”）和相邻卫星（以下称为“邻星”）分别对干扰信号的主瓣和旁瓣进行转发，由地面站两副接收天线分别接收，通过测量和计算干扰信号到达两副天线的时间差TDOA和频率差FDOA，得出干扰源所在的地理位置。其原理如图1所示。

图1　双星定位示意图

其中，到达时间差TDOA是由于同一信号（干扰信号）经历两颗不同卫星转发到达接收站的传播路径是不同的，从而到达接收站的时间会存在一个时间差值；到达频率差FDOA则是由于两颗同步卫星的摄动速度差异在天线主瓣和旁瓣两个信号传播路径上引起了不同的多普勒频移，两路信号在到达接收站时存在一个频率差值。TDOA曲线与FDOA曲线带交织出一个椭圆形区域，该区域即为干扰源所在区域，干扰源位于该区域内，越接近椭圆中心概率越大。

式（1）为双星定位方程，式中，（x，y，z），（x1，y1，z1），（x2，y2，z2）分别为干扰源上行站、主星（被干扰卫星）和邻星的位置（以地心为坐标原点，并假设地球为标准球体）；分别为主星和邻星的速度矢量；分别为主星、邻星与干扰源连线的直线向量；Re为地球半径；Δt和Δf分别是测量得到的TDOA和FDOA。

Δt和Δf的测量则是对地面站两副天线接收的两路信号做联合相关估计得到的相关峰值对应的时差和频差值。目前常见的TDOA估计方法是广义互相关（GCC）法，FDOA估计方法有最小二乘法、最大似然法、基于高阶累积量的FDOA估计方法等。

2　参考源对卫星干扰源定位精度的影响

从式（2）和（3）可以看出，参考源的使用可以消除在测量DTO和DFO时的固有误差，如转发器本振频率漂移误差、信道不理想引起的误差等。

假设有M个参考发射源，对应每个参考发射源可以得到一个修正的定位结果（i=1,2,...,M）。可以证明，当M≥4时，有惟一的定位结果使得代价函数

取得最小值。实测数据也表明使用4个或以上参考发射源可以使定位结果的精度有数量级的提升。

3　第一参考源对卫星干扰源定位精度的影响

3.1理论分析

上文中对双星定位原理，以及参考源信号在改善定位精度上的作用作了较为详细的介绍。在实际的双星定位系统中，为了降低成本和计算量，在采集端使用两块采集卡。首先同时对目标信号（干扰源）和第一参考源进行采集，接下来依次对第一参考源和其余参考源进行采集。在计算定位结果和绘制定位椭圆时，首先以第一参考源的位置作为基准点，以第一参考源与目标信号的DTO，DFO差值为距离得出粗略定位结果；接下来根据第2，3……次对第一参考源的采样结果，将其余参考源的采样数据回溯到目标信号采集时刻，对定位结果进行进一步修正。因此第一参考源的地理位置和经纬度的准确度对于定位结果至关重要。由式（2）也可以看出，第一参考源的地理位置越接近于目标信号，参考源的使用对于消除信道不规则等共有误差的效果越好。而其余参考源则主要用来消除星历误差，即卫星位置和速度的不准确度带来的FDOA误差[2]。 3.2 实验结果

实验以中星10号卫星（110.5°E）上某一位于深圳（已知上行站实际经纬度）的C频段上行信号作为目标信号，目标信号上行中心频点为5953MHz，带宽约为5MHz。定位采用亚洲7号（105.5°E）作为邻星，分别在深圳、上海、成都、西安、乌鲁木齐、北京这6个地区发射一上行信号作为参考源。多次进行实验，得出定位时差线与实际上行站的最大距离，实验结果如表1所示。

表1　单参考源实验结果

由实验结果可以看出：第一参考源距离目标信号越近，双星定位得到的时差线越靠近目标信号本身，可以理解为得到的定位结果精度越高；第一参考源距离目标时差线越近（这里的目标时差线是指采用目标信号本身作为第一参考源得到的双星定位目标时差线，因此是准确的时差线），双星定位得到的时差线越靠近目标信号本身，定位结果精度越高。

进一步，仍然以上述中星10号C频段上行信号作为目标信号，采用5个参考源，第一参考源分别位于深圳、北京、上海和西安，进行多次双星定位实验，实验结果如表2所示。

表2　多个参考源实验结果

可见，实验结果仍能够较好地支持上述结论。在实际工作中也发现，若采用基于TDOA的三星定位方法，即使采用单参考源，只要该参考源距离目标信号或目标时差线足够近（50km内），也能够将定位精度控制在1～5km。

最后，仍以该信号作为目标信号，对第一参考站的经纬度进行错误处理。仍采用5个参考源，且其余4个参考源位置准确，得出实验结果如表3所示。

表3　错误的第一参考源位置定位结果

结果显示，不准确的第一参考源位置会对定位精度产生极其严重的影响。

4　结束语

本文从理论上分析了参考源信号的采用对于提高双星定位精度的作用，并指出第一参考源的地理位置与准确度对于定位精度至关重要。实测结果也显示：第一参考源距离目标信号越近，双星定位精度越高；第一参考源距离目标信号本身时差线越近，双星定位精度越高。该结论对于卫星干扰源定位工作中参考源的选取具有一定的参考意义。

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文献标示码：A

1672-7274（2016）02-0066-03

张 琪，女，1989年生，湖南岳阳人，国家无线电监测中心深圳监测站助理工程师，主要从事卫星信号定位和卫星信号监测工作。李思静，女，1986年生，湖北荆州人，国家无线电监测中心深圳监测站助理工程师，主要从事无线电监测工作。

[1] 翟文中．卫星干扰源精确定位的位置校正算法[J]．电波科学学报，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.