雙星時差頻差定位縮比試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無源定位技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種雙星時差頻差定位縮比試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無源定位技術(shù)在導(dǎo)航定位、偵察定位、室內(nèi)定位、無線電監(jiān)測等多個領(lǐng)域有著廣泛 的應(yīng)用，相對時差定位體制和測向定位體制，時差頻差定位具有定位精度高、對平臺姿態(tài)要 求低等優(yōu)勢，受到了國內(nèi)外的重視，在航海、航空、航天、測控、電子對抗及衛(wèi)星通信等領(lǐng)域 都有廣泛的用途，它不但為各種運(yùn)動載體提供安全保障服務(wù)，還能對頻繁出現(xiàn)的衛(wèi)星干擾 源進(jìn)行精確定位，從而為衛(wèi)星通信提供可靠的安全防護(hù)措施。雙星時差頻差定位系統(tǒng)利用 兩顆衛(wèi)星截獲同一目標(biāo)輻射的信號，由于相對位置的不同，目標(biāo)距離兩顆衛(wèi)星的距離不同， 信號到達(dá)雙星的時間存在先后。同時，衛(wèi)星的高速運(yùn)動產(chǎn)生了多普勒效應(yīng)，雙星接收到的多 普勒頻率也存在差異。測量截獲到的兩路信號之間的時差和頻差可以建立時差和頻差定位 曲面，即可確定目標(biāo)的位置。隨著時差頻差定位理論和方法的成熟，在研發(fā)和生產(chǎn)定位設(shè)備 和系統(tǒng)的過程中，通過實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)定位精度進(jìn)行評估成為一項(xiàng)十分重要的工作，目前，尚未 見有關(guān)于時差頻差定位試驗(yàn)技術(shù)的文獻(xiàn)資料。
[0003] 常用的電子設(shè)備試驗(yàn)主要包括內(nèi)場試驗(yàn)法和外場試驗(yàn)法。內(nèi)場試驗(yàn)法目前主要有 數(shù)學(xué)仿真試驗(yàn)方法、注入式半實(shí)物仿真試驗(yàn)。為了評估系統(tǒng)的定位精度，一般采用外場試驗(yàn) 法。外場試驗(yàn)就是在接近實(shí)際使用環(huán)境條件下，嚴(yán)格按照規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)要求，配置電子設(shè) 備和各種配試設(shè)備，制造出典型的電磁信號環(huán)境，以達(dá)到接近實(shí)用條件的試驗(yàn)效果。因此， 如何設(shè)計(jì)外場定位試驗(yàn)方案，對時差頻差定位系統(tǒng)進(jìn)行測試，驗(yàn)證系統(tǒng)的定位精度具有十 分重要的意義。目前，尚未見有關(guān)雙星時差頻差定位試驗(yàn)方法方面的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種，可在速度無法縮比的條件下進(jìn)行定位試驗(yàn)，并換算 為系統(tǒng)定位誤差的雙星時差頻差定位縮比試驗(yàn)方法。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：
[0006] -種雙星時差頻差定位縮比試驗(yàn)方法，其特征在于:包括以下步驟：
[0007] 步驟一:按照試驗(yàn)場景尺寸與衛(wèi)星真實(shí)工作場景尺寸，確定縮比系數(shù)P，并按照同 樣的縮比系數(shù)對衛(wèi)星運(yùn)動速度進(jìn)行縮比；
[0008] 步驟二:判定縮比場景下，頻差大小是否大于頻差測量精度一個數(shù)量級以上，且試 驗(yàn)系統(tǒng)中衛(wèi)星接收站是否可以以縮比后的速度進(jìn)行運(yùn)動；
[0009] 步驟三：如果是，則在試驗(yàn)場景下，使衛(wèi)星接收站按照縮比的速度進(jìn)行運(yùn)動，對目 標(biāo)進(jìn)行定位，得出定位結(jié)果，統(tǒng)計(jì)定位誤差，得到的定位誤差記為G，即為雙星真實(shí)場景下的 定位誤差;否則進(jìn)入步驟四；
[0010] 步驟四：對衛(wèi)星接收站設(shè)定多個不同的速度進(jìn)行試驗(yàn)，每個速度對應(yīng)的縮比系數(shù) 分別為Pi，i = 1，2，…，在試驗(yàn)場景下，對目標(biāo)進(jìn)行定位，得出定位結(jié)果，統(tǒng)計(jì)定位誤差，得到 的定位誤差記SGi，可得到最終的定位誤差為：
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：
[0013] ⑴本發(fā)明采用縮小的場景進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)容易搭建。
[0014] (2)本發(fā)明采用速度非等效縮比方法，適應(yīng)試驗(yàn)載體速度無法精確控制的試驗(yàn)條 件，適應(yīng)嚴(yán)格縮比速度不能產(chǎn)生合適的頻差的試驗(yàn)場景。
[0015] (3)根據(jù)仿真分析表明，本發(fā)明對定位誤差的評估準(zhǔn)確；因此本發(fā)明對定位系統(tǒng)研 制和試驗(yàn)具有重要的應(yīng)用價值和良好的應(yīng)用前景。
[0016] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明的流程圖。
[0018] 圖2是本發(fā)明定位試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成圖。
[0019]圖3是本發(fā)明定位場景的示意圖。
[0020]圖4是本發(fā)明真實(shí)場景下的定位誤差分布圖。
[0021 ]圖5是本發(fā)明縮比場景下的定位誤差分布圖。
[0022] 圖6是本發(fā)明縮比試驗(yàn)誤差示意圖。
[0023] 圖7是本發(fā)明0.8倍速度非等效縮比定位誤差示意圖。
[0024] 圖8是本發(fā)明1.2倍速度非等效縮比定位誤差示意圖。
[0025] 圖9是本發(fā)明速度非等效縮比下的定位誤差分布示意圖。
[0026] 圖10是本發(fā)明速度非等效縮比試驗(yàn)的誤差示意圖。
[0027] 圖11是本發(fā)明不考慮標(biāo)定誤差時非等效縮比的誤差示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 結(jié)合圖1:
[0029] 本發(fā)明一種雙星時差頻差定位縮比試驗(yàn)方法，包括以下步驟：
[0030] 步驟一:按照試驗(yàn)場景尺寸與衛(wèi)星真實(shí)工作場景尺寸，確定縮比系數(shù)P，并按照同 樣的縮比系數(shù)對衛(wèi)星運(yùn)動速度進(jìn)行縮比；
[0031] 步驟二:判定縮比場景下，頻差大小是否大于頻差測量精度一個數(shù)量級以上，且試 驗(yàn)系統(tǒng)中衛(wèi)星接收站是否可以以縮比后的速度進(jìn)行運(yùn)動；
[0032]步驟三：如果是，則在試驗(yàn)場景下，使衛(wèi)星接收站按照縮比的速度進(jìn)行運(yùn)動，對目 標(biāo)進(jìn)行定位，得出定位結(jié)果，統(tǒng)計(jì)定位誤差，得到的定位誤差記為G，即為雙星真實(shí)場景下的 定位誤差;否則進(jìn)入步驟四；
[0033]步驟四：對衛(wèi)星接收站設(shè)定多個不同的速度進(jìn)行試驗(yàn)，每個速度對應(yīng)的縮比系數(shù) 分別為Pi，i = 1，2，…，在試驗(yàn)場景下，對目標(biāo)進(jìn)行定位，得出定位結(jié)果，統(tǒng)計(jì)定位誤差，得到 的定位誤差記SGi，可得到最終的定位誤差為：
[0035]在步驟二之前，在試驗(yàn)系統(tǒng)中，使目標(biāo)運(yùn)動，衛(wèi)星接收站保持靜止；
[0036]判定縮比場景下，頻差大小是否大于頻差測量精度一個數(shù)量級以上，且試驗(yàn)系統(tǒng) 中目標(biāo)是否可以以縮比后的速度進(jìn)行運(yùn)動；
[0037]如果是，則在試驗(yàn)場景下，使目標(biāo)按照衛(wèi)星接收站縮比的速度進(jìn)行運(yùn)動，對目標(biāo)進(jìn) 行定位，得出定位結(jié)果，統(tǒng)計(jì)定位誤差，得到的定位誤差記為G，即為雙星真實(shí)場景下的定位 誤差；如果否，設(shè)定多個不同的速度進(jìn)行試驗(yàn)，每個速度對應(yīng)的縮比系數(shù)分別為 Pl，i = l， 2，···，在試驗(yàn)場景下，對目標(biāo)進(jìn)行定位，得出定位結(jié)果，統(tǒng)計(jì)定位誤差，得到的定位誤差記為 Gi，可得到最終的定位誤差為：
[0039]本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路：
[0040] (1)設(shè)計(jì)試驗(yàn)場景。對定位系統(tǒng)的工作場景按照一定倍數(shù)P進(jìn)行縮比，即對衛(wèi)星工 作場景進(jìn)行等比例縮小，選擇可以滿足縮比后場景大小的試驗(yàn)場景，使時差值
大于時差估計(jì)誤差一個數(shù)量級以上，其中S為輻射源位置矢量，ShSs為觀 測站位置矢量，C = 3 X 108m/s為光速；
[0041 ] (2)對待觀測的位置S確定一系列速度非等效縮比系數(shù)Pi，i = 1，2，…。使第i次試 驗(yàn)的非等效縮比系數(shù)Pl對應(yīng)的頻差值
大于頻差估計(jì)誤差一個數(shù) 量級以上，其中λ為信號波長，Vi =為非等效縮比后的運(yùn)動速度；
[0042] (3)搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，開展定位試驗(yàn)，得到定位誤差。對兩個觀測站和輻射源目標(biāo)按 照縮比后的關(guān)系進(jìn)行安裝，搭建數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、同步系統(tǒng)，如圖2、圖3所示;使輻射源目標(biāo)在 同一位置按照不同非等效縮比系數(shù)Pl下的速度運(yùn)動，記錄系統(tǒng)定位誤差為盡矣其 ，' 中&為第i次試驗(yàn)中定位系統(tǒng)得到的目標(biāo)位置估計(jì)矢量；
[0043] (4)定位誤差換算。定位誤差為
為按照縮比系數(shù)?1進(jìn)行的、第i次試驗(yàn)得到的定位誤差，GD0P為速度嚴(yán)格縮比條件下的 定位誤差，也為系統(tǒng)在實(shí)際工作場景下的定位誤差的估計(jì)。
[0044] 具體如下：
[0045] 常用的電子設(shè)備試驗(yàn)主要包括內(nèi)場試驗(yàn)法和外場試驗(yàn)法。本發(fā)明針對定位系統(tǒng)設(shè) 備的外場試驗(yàn)，即在接近實(shí)際使用環(huán)境條件下，配置研制的定位系統(tǒng)設(shè)備和各種配試設(shè)備， 制造出典型的電磁信號環(huán)境，以達(dá)到接近實(shí)戰(zhàn)條件的試驗(yàn)效果。定位精度是評價系統(tǒng)優(yōu)劣 最為重要的指標(biāo)，也是系統(tǒng)性能優(yōu)劣的集中體現(xiàn)，試驗(yàn)的主要目的是通過分析和構(gòu)建測試 試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測試，推算得出真實(shí)場景下定位參數(shù)的測量精度和定位性能。
[0046] 研制設(shè)備將在一定的場景下進(jìn)行工作，為了敘述方面，本發(fā)明中簡稱這樣的場景 為真實(shí)場景，稱包含研制設(shè)備的功能系統(tǒng)為真實(shí)定位系統(tǒng);為了對研制定位設(shè)備進(jìn)行評估， 搭建的測試場景稱為試驗(yàn)場景，稱包含研制設(shè)備的試驗(yàn)系統(tǒng)為試驗(yàn)定位系統(tǒng)。
[0047] 1、設(shè)計(jì)試驗(yàn)場景
[0048]為了得到接近系統(tǒng)真實(shí)的工作條件，可采取綜合配置多種、多部設(shè)備等措施，最大 程度上模擬電磁信號環(huán)境。但是，針對運(yùn)行在400~36000km衛(wèi)星軌道上的定位系統(tǒng)，無法創(chuàng) 造出真實(shí)的軌道工作場景。因此，需要在幾何大小有限的場景下對研制設(shè)備實(shí)施試驗(yàn)，分析 推導(dǎo)得出真實(shí)場景中特定信號環(huán)境下系統(tǒng)性能的方法。
[0049] 1.1縮比試驗(yàn)方法
[0050]下面首先證明：對包含目標(biāo)在內(nèi)的真實(shí)場景按照一定的比例關(guān)系P進(jìn)行放大(P> 1)或縮小(P<1)，并對衛(wèi)星速度按照同樣的比例關(guān)系進(jìn)行放大或縮小，保持系統(tǒng)的時差和 頻差估計(jì)誤差不變，則系統(tǒng)定位精度不變。
[0051 ]證明：以地球球心為原點(diǎn)建立三維正交直角坐標(biāo)系。記輻射源位置為f = (Y，/， 2/)'雙星位置分別為5、= &。，7、，2。)\」_ = 1，2，兩星速度分別為/」=(/3〇，/"，/" )T，j = l，2,地球半徑和軌道高度分別為R、H。測量得到的時差和頻差分別為Δ V、Δ f/，測 量誤差滿足零均值高斯分布，估計(jì)誤差的方差分別為〇2At、6標(biāo)號"'"表示真實(shí)系統(tǒng)的 參數(shù)，以與試驗(yàn)系統(tǒng)區(qū)分。當(dāng)目標(biāo)位于地球表面時，為了簡化分析，假設(shè)地球表面為沒有誤 差的嚴(yán)格的球面模型。由此建立定位方程：
[0052] S7 -SM-IS^SM =CAt (1)
[0054] 高度信息約束方程為
[0055] HCS7 )=S7 V -R2 = 0 (3)
[0056] 寫成直角坐標(biāo)形式為


[0072]其中： G'FEgS kM'G'FEgS kS]'假設(shè)測量誤差均為 ·， 零均值高斯分布且各不相關(guān)，雙星位置和速度誤差矩陣分