雙星時差頻差定位縮比試驗方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無源定位技術(shù)領域，特別是一種雙星時差頻差定位縮比試驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無源定位技術(shù)在導航定位、偵察定位、室內(nèi)定位、無線電監(jiān)測等多個領域有著廣泛 的應用，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)星通信等領域 都有廣泛的用途，它不但為各種運動載體提供安全保障服務，還能對頻繁出現(xiàn)的衛(wèi)星干擾 源進行精確定位，從而為衛(wèi)星通信提供可靠的安全防護措施。雙星時差頻差定位系統(tǒng)利用 兩顆衛(wèi)星截獲同一目標輻射的信號，由于相對位置的不同，目標距離兩顆衛(wèi)星的距離不同， 信號到達雙星的時間存在先后。同時，衛(wèi)星的高速運動產(chǎn)生了多普勒效應，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)定位設備 和系統(tǒng)的過程中，通過實驗對系統(tǒng)定位精度進行評估成為一項十分重要的工作，目前，尚未 見有關于時差頻差定位試驗技術(shù)的文獻資料。
[0003] 常用的電子設備試驗主要包括內(nèi)場試驗法和外場試驗法。內(nèi)場試驗法目前主要有 數(shù)學仿真試驗方法、注入式半實物仿真試驗。為了評估系統(tǒng)的定位精度，一般采用外場試驗 法。外場試驗就是在接近實際使用環(huán)境條件下，嚴格按照規(guī)定的技術(shù)指標要求，配置電子設 備和各種配試設備，制造出典型的電磁信號環(huán)境，以達到接近實用條件的試驗效果。因此， 如何設計外場定位試驗方案，對時差頻差定位系統(tǒng)進行測試，驗證系統(tǒng)的定位精度具有十 分重要的意義。目前，尚未見有關雙星時差頻差定位試驗方法方面的報道。

【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行定位試驗，并換算 為系統(tǒng)定位誤差的雙星時差頻差定位縮比試驗方法。
[0005] 實現(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方法，其特征在于:包括以下步驟：
[0007] 步驟一:按照試驗場景尺寸與衛(wèi)星真實工作場景尺寸，確定縮比系數(shù)P，并按照同 樣的縮比系數(shù)對衛(wèi)星運動速度進行縮比；
[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 驗系統(tǒng)中衛(wèi)星接收站是否可以以縮比后的速度進行運動；
[0009] 步驟三：如果是，則在試驗場景下，使衛(wèi)星接收站按照縮比的速度進行運動，對目 標進行定位，得出定位結(jié)果，統(tǒng)計定位誤差，得到的定位誤差記為G，即為雙星真實場景下的 定位誤差;否則進入步驟四；
[0010] 步驟四：對衛(wèi)星接收站設定多個不同的速度進行試驗，每個速度對應的縮比系數(shù) 分別為Pi，i = 1，2，…，在試驗場景下，對目標進行定位，得出定位結(jié)果，統(tǒng)計定位誤差，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：
[0013] ⑴本發(fā)明采用縮小的場景進行試驗，試驗系統(tǒng)容易搭建。
[0014] (2)本發(fā)明采用速度非等效縮比方法，適應試驗載體速度無法精確控制的試驗條 件，適應嚴格縮比速度不能產(chǎn)生合適的頻差的試驗場景。
[0015] (3)根據(jù)仿真分析表明，本發(fā)明對定位誤差的評估準確；因此本發(fā)明對定位系統(tǒng)研 制和試驗具有重要的應用價值和良好的應用前景。
[0016] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
【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的誤差示意圖。
[0027] 圖11是本發(fā)明不考慮標定誤差時非等效縮比的誤差示意圖。
【具體實施方式】
[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方法，包括以下步驟：
[0030] 步驟一:按照試驗場景尺寸與衛(wèi)星真實工作場景尺寸，確定縮比系數(shù)P，并按照同 樣的縮比系數(shù)對衛(wèi)星運動速度進行縮比；
[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 驗系統(tǒng)中衛(wèi)星接收站是否可以以縮比后的速度進行運動；
[0032]步驟三：如果是，則在試驗場景下，使衛(wèi)星接收站按照縮比的速度進行運動，對目 標進行定位，得出定位結(jié)果，統(tǒng)計定位誤差，得到的定位誤差記為G，即為雙星真實場景下的 定位誤差;否則進入步驟四；
[0033]步驟四：對衛(wèi)星接收站設定多個不同的速度進行試驗，每個速度對應的縮比系數(shù) 分別為Pi，i = 1，2，…，在試驗場景下，對目標進行定位，得出定位結(jié)果，統(tǒng)計定位誤差，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，在試驗系統(tǒng)中，使目標運動，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，且試驗系統(tǒng) 中目標是否可以以縮比后的速度進行運動；
[0037]如果是，則在試驗場景下，使目標按照衛(wèi)星接收站縮比的速度進行運動，對目標進 行定位，得出定位結(jié)果，統(tǒng)計定位誤差，得到的定位誤差記為G，即為雙星真實場景下的定位 誤差；如果否，設定多個不同的速度進行試驗，每個速度對應的縮比系數(shù)分別為 Pl，i = l， 2，···，在試驗場景下，對目標進行定位，得出定位結(jié)果，統(tǒng)計定位誤差，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)明的設計思路：
[0040] (1)設計試驗場景。對定位系統(tǒng)的工作場景按照一定倍數(shù)P進行縮比，即對衛(wèi)星工 作場景進行等比例縮小，選擇可以滿足縮比后場景大小的試驗場景，使時差值
大于時差估計誤差一個數(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 驗的非等效縮比系數(shù)Pl對應的頻差值
大于頻差估計誤差一個數(shù) 量級以上，其中λ為信號波長，Vi =為非等效縮比后的運動速度；
[0042] (3)搭建試驗系統(tǒng)，開展定位試驗，得到定位誤差。對兩個觀測站和輻射源目標按 照縮比后的關系進行安裝，搭建數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、同步系統(tǒng)，如圖2、圖3所示;使輻射源目標在 同一位置按照不同非等效縮比系數(shù)Pl下的速度運動，記錄系統(tǒng)定位誤差為盡矣其 ，' 中&為第i次試驗中定位系統(tǒng)得到的目標位置估計矢量；
[0043] (4)定位誤差換算。定位誤差為
為按照縮比系數(shù)?1進行的、第i次試驗得到的定位誤差，GD0P為速度嚴格縮比條件下的 定位誤差，也為系統(tǒng)在實際工作場景下的定位誤差的估計。
[0044] 具體如下：
[0045] 常用的電子設備試驗主要包括內(nèi)場試驗法和外場試驗法。本發(fā)明針對定位系統(tǒng)設 備的外場試驗，即在接近實際使用環(huán)境條件下，配置研制的定位系統(tǒng)設備和各種配試設備， 制造出典型的電磁信號環(huán)境，以達到接近實戰(zhàn)條件的試驗效果。定位精度是評價系統(tǒng)優(yōu)劣 最為重要的指標，也是系統(tǒng)性能優(yōu)劣的集中體現(xiàn)，試驗的主要目的是通過分析和構(gòu)建測試 試驗系統(tǒng)進行測試，推算得出真實場景下定位參數(shù)的測量精度和定位性能。
[0046] 研制設備將在一定的場景下進行工作，為了敘述方面，本發(fā)明中簡稱這樣的場景 為真實場景，稱包含研制設備的功能系統(tǒng)為真實定位系統(tǒng);為了對研制定位設備進行評估， 搭建的測試場景稱為試驗場景，稱包含研制設備的試驗系統(tǒng)為試驗定位系統(tǒng)。
[0047] 1、設計試驗場景
[0048]為了得到接近系統(tǒng)真實的工作條件，可采取綜合配置多種、多部設備等措施，最大 程度上模擬電磁信號環(huán)境。但是，針對運行在400~36000km衛(wèi)星軌道上的定位系統(tǒng)，無法創(chuàng) 造出真實的軌道工作場景。因此，需要在幾何大小有限的場景下對研制設備實施試驗，分析 推導得出真實場景中特定信號環(huán)境下系統(tǒng)性能的方法。
[0049] 1.1縮比試驗方法
[0050]下面首先證明：對包含目標在內(nèi)的真實場景按照一定的比例關系P進行放大(P> 1)或縮小(P<1)，并對衛(wèi)星速度按照同樣的比例關系進行放大或縮小，保持系統(tǒng)的時差和 頻差估計誤差不變，則系統(tǒng)定位精度不變。
[0051 ]證明：以地球球心為原點建立三維正交直角坐標系。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，估計誤差的方差分別為〇2At、6標號"'"表示真實系統(tǒng)的 參數(shù)，以與試驗系統(tǒng)區(qū)分。當目標位于地球表面時，為了簡化分析，假設地球表面為沒有誤 差的嚴格的球面模型。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] 寫成直角坐標形式為


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