朱國富

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川成都 610036）

隨著衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，低軌衛(wèi)星系統(tǒng)越來越受到重視，與靜止軌道衛(wèi)星相比，低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的軌道高度低，其發(fā)射功率大大降低，具有傳播時(shí)延短、路徑損耗低等優(yōu)點(diǎn)，通過多星組網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的全球覆蓋[1-3]。目前，低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)正在蓬勃發(fā)展，并在民用和軍事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4-7]。因此，對(duì)地面通信終端無源定位的需求也越來越多。低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)地面通信終端定位的常規(guī)方法，都是將地面通信終端作為一般的輻射源進(jìn)行定位，沒有充分利用自身系統(tǒng)的特點(diǎn)。

低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)相對(duì)靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說，由于低軌衛(wèi)星平臺(tái)的相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)，在衛(wèi)星和地面終端之間的發(fā)射信號(hào)和接收到的信號(hào)之間會(huì)存在多普勒頻移[8-9]。低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)為了充分利用信道帶寬，同時(shí)避免不同位置通信終端發(fā)射信號(hào)的多普勒頻移造成相鄰信道之間的干擾，采用了“多普勒頻移預(yù)補(bǔ)償”的工作方式，即通信終端根據(jù)與衛(wèi)星之間的多普勒頻率預(yù)計(jì)，對(duì)發(fā)射信號(hào)的頻率進(jìn)行反方向的多普率頻移預(yù)補(bǔ)償，使得衛(wèi)星平臺(tái)接收到的通信終端信號(hào)頻率為標(biāo)稱的分配頻率，從而避免頻率沖突[10-13]。同時(shí)，低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)為了充分利用信道資源，統(tǒng)一對(duì)信道資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，在地面終端業(yè)務(wù)申請(qǐng)階段通過網(wǎng)控信號(hào)指定通信終端工作頻率[14-16]。

該文提出了一種基于低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)地面通信終端“多普勒頻移預(yù)補(bǔ)償機(jī)制”的新型定位方法，該方法充分利用低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)體制特點(diǎn)，獲取補(bǔ)償頻率信息，反推地面通信終端與衛(wèi)星的位置關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)地面終端的定位。該方法能夠減少定位站的數(shù)量，降低地面終端無源定位系統(tǒng)的復(fù)雜度。

1 基于“多普勒頻移預(yù)補(bǔ)償機(jī)制”的地面終端定位方法

1.1 定位原理

定位原理如圖1 所示，定位站通過衛(wèi)星星歷獲取衛(wèi)星的地心地固坐標(biāo)系空間位置(xS,yS,zS)，以及速度向量(vx,vy,vz)，接收、處理下行信號(hào)，解析網(wǎng)控信號(hào)，獲取通信終端臨時(shí)身份識(shí)別碼及通信頻率分配信息，通過頻率映射表，得到分配給通信終端的通信發(fā)射工作頻率fA。

圖1 定位原理示意圖

定位站接收、處理通信終端上行信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)頻率測(cè)量，獲得通信終端實(shí)際發(fā)射頻率fM。

根據(jù)通信終端通信發(fā)射工作頻率fA和通信終端實(shí)際發(fā)射頻率fM進(jìn)行多普勒頻移估計(jì)，通過通信終端補(bǔ)償機(jī)制，獲得通信終端相對(duì)衛(wèi)星的多普勒頻移fd=fA-fM。

根據(jù)地心地固坐標(biāo)系的空間位置坐標(biāo)(xS,yS,zS)、速度向量坐標(biāo)(vx,vy,vz)和通信終端通信發(fā)射工作頻率fA，計(jì)算滿足衛(wèi)星多普勒頻移fd與地面終端位置(xT,yT,zT)的分布曲線：

式中，c為光速，R 為地球半徑。

同時(shí)，接收通信終端上行信號(hào)，對(duì)通信終端發(fā)射信號(hào)進(jìn)行干涉儀無源測(cè)向，獲得通信終端相對(duì)于定位站(xP,yP,zP)的方位角θ和俯仰角φ的坐標(biāo)(θ,φ)。

利用干涉儀測(cè)向獲得的通信終端相對(duì)定位站(xP,yP,zP)的方位信息示向線，結(jié)合滿足衛(wèi)星多普勒頻移fd與地面終端位置(xT,yT,zT)的分布曲線，可得如下方程：

通過上述方程進(jìn)行定位解算，求出通信終端位置，從而得到通信地面終端無源定位結(jié)果。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于地面通信終端“多普勒頻移預(yù)補(bǔ)償機(jī)制”的定位系統(tǒng)如圖2 所示，系統(tǒng)包含星歷預(yù)測(cè)模塊、頻率信息提取模塊、信號(hào)頻率測(cè)量模塊、干涉儀測(cè)向模塊、多普勒頻移估計(jì)模塊、基于多普勒頻移的目標(biāo)位置分布曲線計(jì)算模塊和定位解算模塊。

圖2 定位系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)定位解算的處理流程如下：

1）星歷預(yù)測(cè)模塊實(shí)時(shí)獲取衛(wèi)星廣播的星歷信號(hào)，獲得衛(wèi)星位置信息和速度向量；

2）頻率信息提取模塊接收衛(wèi)星下行網(wǎng)控信號(hào)，利用非協(xié)同信號(hào)處理以及協(xié)議分析方法，實(shí)時(shí)獲取給通信終端分配的通信頻率；

3）信號(hào)頻率測(cè)量模塊接收通信終端上行信號(hào)，測(cè)量獲取通信終端發(fā)射信號(hào)的實(shí)際頻率；

4）頻率信息提取模塊與信號(hào)頻率測(cè)量模塊同時(shí)將上述獲取的分配通信頻率和實(shí)際頻率送入多普勒頻移估計(jì)模塊；

5）多普勒頻移估計(jì)模塊利用實(shí)際頻率與分配頻率的差來估計(jì)獲得的通信終端相對(duì)衛(wèi)星的多普勒頻移；

6）目標(biāo)位置分布曲線計(jì)算模塊基于多普勒頻移估計(jì)模塊估計(jì)獲得的多普勒頻移，根據(jù)星歷預(yù)測(cè)模塊傳送來的衛(wèi)星星歷，進(jìn)行滿足多普勒頻移條件的目標(biāo)位置分布曲線計(jì)算，將解算出的通信終端可能位置分布曲線送入定位解算模塊；

7）定位解算模塊利用通信終端相對(duì)定位站的方位信息示向線和通信終端位置分布曲線，求解通信終端位置，得到通信地面終端無源定位結(jié)果。

1.3 應(yīng)用場(chǎng)景

該定位系統(tǒng)可應(yīng)用于旋翼無人機(jī)、艦船、塔站等慢速運(yùn)動(dòng)或固定平臺(tái)，通過對(duì)地面移動(dòng)終端上行信號(hào)進(jìn)行測(cè)頻及測(cè)向，同時(shí)對(duì)終端下行網(wǎng)控信號(hào)進(jìn)行解析，得出分配給終端的上行發(fā)射頻率，結(jié)合多普勒頻移估計(jì)及測(cè)向結(jié)果進(jìn)行定位解算，得出目標(biāo)無源定位結(jié)果。系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景如圖3 所示。

圖3 定位系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景示意圖

2 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

在針對(duì)低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信地面終端的無源定位仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，設(shè)置測(cè)向定位站點(diǎn)與目標(biāo)距離約為400 km，衛(wèi)星參考銥星系統(tǒng)，參數(shù)設(shè)置：衛(wèi)星高度為785 km，衛(wèi)星移動(dòng)速度為7.46 km/s，通信頻率為1.6 GHz。

根據(jù)衛(wèi)星參數(shù)設(shè)置，衛(wèi)星速度方向矢量分別設(shè)置為[0 0 1]、[0 1 1]和[1 0 1]，其頻移分布曲線分別如圖4～6 所示?？梢钥闯觯煌较虻乃俣仁噶渴怯绊戭l移分布曲線的主要因素。因此，在選擇定位站位置時(shí)，需要考慮衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方向，使得定位站與移動(dòng)終端的測(cè)向方向與其盡量正交，以使系統(tǒng)誤差導(dǎo)致的定位誤差范圍最小。

圖4 速度矢量[0 0 1]條件下的頻移分布

圖5 速度矢量[0 1 1]條件下的頻移分布

圖6 速度矢量[1 0 1]條件下的頻移分布

當(dāng)設(shè)定衛(wèi)星速度矢量為[1 1 1]時(shí)，測(cè)向定位的仿真結(jié)果如圖7 所示，參數(shù)設(shè)定位站的測(cè)頻誤差為100 Hz，測(cè)向誤差為1°。

圖7 定位仿真

根據(jù)圖7 可以看出，在定位站與通信終端的距離約為400 km，測(cè)頻誤差為100 Hz，測(cè)向誤差為1°的條件下，定位誤差范圍約為4 km×6 km 的帶狀區(qū)域。

當(dāng)測(cè)頻誤差為1 kHz，測(cè)向誤差為1°時(shí)，對(duì)應(yīng)的定位仿真結(jié)果如圖8 所示。

圖8 定位結(jié)果

從圖8 看出，在測(cè)頻誤差為1 kHz，測(cè)向誤差為1°的條件下，定位誤差范圍約為4 km×48 km 的長(zhǎng)條型帶狀區(qū)域。

當(dāng)測(cè)頻誤差為1 kHz，測(cè)向誤差為2°時(shí)，對(duì)應(yīng)的定位仿真結(jié)果如圖9 所示。

圖9 定位結(jié)果

從圖9 看出，在測(cè)頻誤差為1 kHz，測(cè)向誤差為2°的條件下，定位誤差范圍近似8 km×51 km 的塊狀區(qū)域。

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，在測(cè)向誤差固定的情況下，影響定位精度的主要因素是測(cè)頻誤差，而在固定測(cè)頻誤差的情況下，影響定位精度的主要因素是測(cè)向誤差。在當(dāng)前定位系統(tǒng)中，測(cè)向精度基本能保證在1°的情況下，測(cè)頻誤差是影響定位精度的主要因素。

3 結(jié)論

該文針對(duì)低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信地面終端的無源定位問題，利用低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)通過網(wǎng)控信號(hào)指定通信終端工作頻率、通信終端對(duì)發(fā)射信號(hào)頻率進(jìn)行反方向多普勒頻移預(yù)補(bǔ)償這一特點(diǎn)，通過獲取補(bǔ)償頻率信息，反推地面通信終端與衛(wèi)星的位置關(guān)系而定位。相比以往雙星或雙機(jī)時(shí)頻差定位方法，減少了定位站的數(shù)量，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，相比單星或單機(jī)平臺(tái)多次測(cè)向交匯的方法縮短了定位時(shí)間。

仿真實(shí)驗(yàn)表明，這種定位方法在定位站與通信終端距離約為400 km，測(cè)頻誤差為100 Hz，測(cè)向誤差為1°的條件下，能將定位誤差范圍限定在24 km2的區(qū)域范圍內(nèi)。目前系統(tǒng)中定位精度的主要影響因素是測(cè)頻誤差。另外應(yīng)盡量考慮定位站的位置，使得通信終端的測(cè)向方向與衛(wèi)星速度方向盡量正交，降低衛(wèi)星速度方向?qū)Χㄎ痪鹊挠绊憽?/p>