一種基于星載多波束天線(xiàn)的單星干擾源定位方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于星載多波束天線(xiàn)的單星干擾源定位方法，包括：建立星載多波束天線(xiàn)各點(diǎn)波束的天線(xiàn)方向圖模型，將天線(xiàn)增益與地理位置關(guān)聯(lián)，構(gòu)建天線(xiàn)方向圖地理模型；地面站接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到干擾時(shí)，確定主受干擾波束及其相鄰?fù)l波束，并對(duì)干擾信號(hào)參數(shù)進(jìn)行認(rèn)知，根據(jù)認(rèn)知結(jié)果測(cè)量干擾信號(hào)在其它相鄰?fù)l波束中的信號(hào)強(qiáng)度，得到干擾信號(hào)強(qiáng)度在多波束環(huán)境下的空間分布；結(jié)合干擾信號(hào)強(qiáng)度的空間分布與天線(xiàn)方向圖地理模型，建立由干擾源位置、干擾信號(hào)強(qiáng)度以及天線(xiàn)方向圖增益函數(shù)組成的定位方程組，獲取干擾源定位結(jié)果。采用本發(fā)明的單星干擾源定位方法，無(wú)需額外增加星載設(shè)備、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且定位精度較高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于星載多波束天線(xiàn)的單星干擾源定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)線(xiàn)通信【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種基于星載多波束天線(xiàn)的單星干擾源定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002]從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，衛(wèi)星系統(tǒng)開(kāi)始逐漸進(jìn)入民用和國(guó)防領(lǐng)域，并在幾十年中得到了迅速的發(fā)展。衛(wèi)星系統(tǒng)具有覆蓋能力強(qiáng)、傳輸距離長(zhǎng)、不受地理?xiàng)l件限制、機(jī)動(dòng)靈活等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，具有非常好的發(fā)展前景。然而，衛(wèi)星系統(tǒng)作為開(kāi)放式系統(tǒng)，而且大量使用透明式轉(zhuǎn)發(fā)器，很容易受到外界各種有意或無(wú)意的射頻干擾(RFI)。隨著各國(guó)衛(wèi)星業(yè)務(wù)的迅速增長(zhǎng)，軌道與頻率資源日趨緊張，衛(wèi)星所處電磁環(huán)境日益惡化，衛(wèi)星受到干擾事件的數(shù)量與日俱增，造成了諸多惡劣影響以及經(jīng)濟(jì)上的損失。因此，如何及時(shí)快速定位干擾源，進(jìn)而排除其影響，是衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用中需要獨(dú)立思考的問(wèn)題。
[0003]常用的衛(wèi)星干擾源定位方法有測(cè)向定位和測(cè)時(shí)差定位。測(cè)向定位是研究最早、最深入，也是應(yīng)用最廣泛的定位方法。特別是在單星定位方式中，測(cè)向定位具有明顯的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)有的主要測(cè)向技術(shù)包括:相位干涉儀測(cè)向、比相測(cè)向、比幅測(cè)向、時(shí)差測(cè)向、掃描天線(xiàn)、空間譜估計(jì)測(cè)向。測(cè)時(shí)差定位是隨著多平臺(tái)通信技術(shù)的發(fā)展和到達(dá)時(shí)間差技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展起來(lái)的，并成為現(xiàn)代高精度無(wú)源定位的主要方法之一。它一般需要由兩顆或兩顆以上的衛(wèi)星組網(wǎng)同步相互配合實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的正常運(yùn)行影響較小。
[0004]當(dāng)前，衛(wèi)星干擾源的定位研究主要集中在基于雙星或三星的定位體制上，比較典型的有雙星時(shí)差/頻差聯(lián)合定位法和三星時(shí)差定位法。前者是利用相隔一定距離，同軌同向飛行的兩顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)同一干擾信號(hào)到地面接收站，用接收站的兩副天線(xiàn)分別接收來(lái)自這兩顆衛(wèi)星的信號(hào)并分別計(jì)算兩路干擾信號(hào)的兩種傳播參數(shù):到達(dá)時(shí)差(TDOA)和到達(dá)頻差(FD0A)，求解由這些參數(shù)確定的曲面交點(diǎn)即可得到干擾源的位置。后者則是利用三顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)同一干擾信號(hào)得到的一種傳播參數(shù)(TDOA)構(gòu)造包含干擾源位置的曲面，求解這些曲面的交點(diǎn)即可得到干擾源位置。
[0005]在目前常用的幾種定位方法中，單星測(cè)向定位具有成本較低、周期較短、技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可是星上必須配備測(cè)向設(shè)備，并且對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)測(cè)量精度有較高的要求。雙星時(shí)差/頻差聯(lián)合定位法，相對(duì)于三星定位而言減少了衛(wèi)星的平臺(tái)數(shù)量、降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度和發(fā)射的成本，其實(shí)時(shí)性和定位精度又高于單星定位方式。三星時(shí)差定位具有定位誤差比較小、定位速度比較快的優(yōu)點(diǎn)，但是其對(duì)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的處理都有較高的要求，技術(shù)比較復(fù)雜。
[0006]對(duì)于同步軌道衛(wèi)星，系統(tǒng)中僅包括有限的幾顆衛(wèi)星，很多情況下只有一顆衛(wèi)星，難以基于雙星或三星干擾源定位體制實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾源的定位，而且，若考慮到衛(wèi)星發(fā)射成本、星上資源的珍貴和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度等因素，則有必要研究一種無(wú)需額外增加星載定向設(shè)備并且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的定位技術(shù)。
[0007]同步軌道上的移動(dòng)通信衛(wèi)星多采用高靈敏度的多波束天線(xiàn)，因此利用多波束天線(xiàn)的方向性來(lái)辨識(shí)干擾源的空間位置是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星干擾源定位的新思路。利用單顆衛(wèi)星的多個(gè)波束組成天線(xiàn)陣列，應(yīng)用以陣列信號(hào)處理為基礎(chǔ)的空間譜估計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)源到達(dá)角的高分辨率估計(jì)從而完成對(duì)干擾源的定位是其中一種實(shí)現(xiàn)方法，但該方法也仍然處于理論研究階段，無(wú)法獲知其實(shí)際性能。另外，點(diǎn)波束擴(kuò)束后導(dǎo)致相鄰波束之間有較大的重疊區(qū)域，旁瓣值較高。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時(shí)，除主要受干擾波束接收到干擾信號(hào)外，其相鄰波束也會(huì)接收到該信號(hào)，而且各點(diǎn)波束在干擾源方向上的天線(xiàn)增益不同，使得各波束所接收到的信號(hào)強(qiáng)度有較大的差異。所以，可以利用各點(diǎn)波束接收干擾信號(hào)的強(qiáng)度差異來(lái)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星干擾源的定位。日本學(xué)者松本泰等人介紹了利用工程試驗(yàn)衛(wèi)星ETS-VI多波束天線(xiàn)進(jìn)行RFI定位試驗(yàn)的情況，它是一種基于比較多波束天線(xiàn)接收干擾幅度(比幅法)的定位系統(tǒng)，用兩個(gè)接收波束獨(dú)立地掃描正交配置在東西(EW)和南北(NS)方向上，通過(guò)比較兩組波束對(duì)接收干擾幅度比來(lái)確定波束覆蓋范圍內(nèi)的干擾來(lái)波方位角，但試驗(yàn)結(jié)果表明該方法的定位精度有限(測(cè)向誤差達(dá)±0.21°，相應(yīng)的地面定位誤差為131km)。
[0008]綜上所述，現(xiàn)有衛(wèi)星干擾源定位技術(shù)存在的問(wèn)題主要是:難以基于多星定位體制對(duì)同步軌道衛(wèi)星進(jìn)行干擾源定位，而基于單星的干擾源定位方法則需要額外增加星載設(shè)備，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，并且定位精度有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種基于星載多波束天線(xiàn)的單星干擾源定位方法，無(wú)需額外增加星載設(shè)備、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且定位精度較高。
[0010]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種基于星載多波束天線(xiàn)的單星干擾源定位方法，包括以下步驟:
[0011]10)構(gòu)建方向圖地理模型:根據(jù)星載多波束天線(xiàn)方向圖的增益分布規(guī)律，建立星載多波束天線(xiàn)各點(diǎn)波束的天線(xiàn)方向圖模型，參照衛(wèi)星的軌道運(yùn)行參數(shù)，將天線(xiàn)增益與地理位置關(guān)聯(lián)，構(gòu)建天線(xiàn)方向圖地理模型；
[0012]20)獲取干擾信號(hào)空間分布:地面站接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到干擾時(shí)，首先確定主受干擾波束及其相鄰?fù)l波束，并對(duì)干擾信號(hào)參數(shù)進(jìn)行認(rèn)知，根據(jù)認(rèn)知結(jié)果測(cè)量干擾信號(hào)在其它相鄰?fù)l波束中的信號(hào)強(qiáng)度，得到干擾信號(hào)強(qiáng)度在多波束環(huán)境下的空間分布；
[0013]30)定位干擾源:結(jié)合干擾信號(hào)強(qiáng)度的空間分布與天線(xiàn)方向圖地理模型，建立由干擾源位置、干擾信號(hào)強(qiáng)度以及天線(xiàn)方向圖增益函數(shù)組成的定位方程組，通過(guò)迭代，獲取干擾源定位結(jié)果。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn):
[0015]1、只需要單顆衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)對(duì)地面固定干擾源的定位，且定位精度較高；
[0016]2、無(wú)需額外增加星載設(shè)備，節(jié)約了衛(wèi)星發(fā)射成本和星上資源并且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。
[0017]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明基于星載多波束天線(xiàn)的單星干擾源定位方法所涉及的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。[0019]圖2是本發(fā)明基于星載多波束天線(xiàn)的單星干擾源定位方法的流程圖。[0020]圖3是建立定位方程組步驟的流程圖。
[0021]圖4是獲取干擾源定位結(jié)果步驟的流程圖。
[0022]圖5是本發(fā)明方法在IO4次搜索下的定位仿真結(jié)果圖。
[0023]圖6是本發(fā)明方法在IO5次搜索下的定位仿真結(jié)果圖。
[0024]圖7是本發(fā)明方法在IO6次搜索下的定位仿真結(jié)果圖。
[0025]圖8是本發(fā)明方法的定位仿真誤差曲線(xiàn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]如圖1所示，本發(fā)明基于星載多波束天線(xiàn)的單星干擾源定位方法涉及一顆多波束衛(wèi)星和一個(gè)地面站，地面覆蓋區(qū)七波束復(fù)用，A、B、C為受到干擾的三個(gè)同頻波束地面中心點(diǎn)，D為地面干擾源。
[0027]如圖2所示，本發(fā)明基于星載多波束天線(xiàn)的單星干擾源定位方法，包括以下步驟:
[0028]10)構(gòu)建方向圖地理模型:根據(jù)星載多波束天線(xiàn)方向圖的增益分布規(guī)律，建立星載多波束天線(xiàn)各點(diǎn)波束的天線(xiàn)方向圖模型，參照衛(wèi)星的軌道運(yùn)行參數(shù)，將天線(xiàn)增益與地理位置關(guān)聯(lián)，構(gòu)建天線(xiàn)方向圖地理模型。
[0029]所述構(gòu)建方向圖地理模型(10)步驟包括:
[0030]11)建立天線(xiàn)方向圖模型:根據(jù)星載多波束天線(xiàn)的現(xiàn)有特征，獲取各單波束天線(xiàn)方向圖數(shù)學(xué)模型，即衛(wèi)星指向不同俯仰、方位角方向的天線(xiàn)增益。
[0031 ] 所述建立天線(xiàn)方向圖模型(11)步驟具體為:
[0032]針對(duì)單個(gè)點(diǎn)波束，當(dāng)天線(xiàn)的Θ角滿(mǎn)足1° < θ <20°時(shí)，拋物面天線(xiàn)方向圖函數(shù)包絡(luò)的數(shù)學(xué)模型為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于星載多波束天線(xiàn)的單星干擾源定位方法，其特征在于，包括以下步驟: 10)構(gòu)建方向圖地理模型:根據(jù)星載多波束天線(xiàn)方向圖的增益分布規(guī)律，建立星載多波束天線(xiàn)各點(diǎn)波束的天線(xiàn)方向圖模型，參照衛(wèi)星的軌道運(yùn)行參數(shù)，將天線(xiàn)增益與地理位置關(guān)聯(lián)，構(gòu)建天線(xiàn)方向圖地理模型； 20)獲取干擾信號(hào)空間分布:地面站接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到干擾時(shí)，首先確定主受干擾波束及其相鄰?fù)l波束，并對(duì)干擾信號(hào)參數(shù)進(jìn)行認(rèn)知，根據(jù)認(rèn)知結(jié)果測(cè)量干擾信號(hào)在其它相鄰?fù)l波束中的信號(hào)強(qiáng)度，得到干擾信號(hào)強(qiáng)度在多波束環(huán)境下的空間分布； 30)定位干擾源:結(jié)合干擾信號(hào)強(qiáng)度的空間分布與天線(xiàn)方向圖地理模型，建立由干擾源位置、干擾信號(hào)強(qiáng)度以及天線(xiàn)方向圖增益函數(shù)組成的定位方程組，通過(guò)迭代，獲取干擾源定位結(jié)果。
2.權(quán)利要求1所述的單星干擾源定位方法，其特征在于，所述構(gòu)建方向圖地理模型 (10)步驟包括: 11)建立天線(xiàn)方向圖模型:根據(jù)星載多波束天線(xiàn)的現(xiàn)有特征，獲取各單波束天線(xiàn)方向圖數(shù)學(xué)模型，即衛(wèi)星指向不同俯仰、方位角方向的天線(xiàn)增益； 12)獲取天線(xiàn)方向圖地理模型:將不同指向的各波束的增益歸類(lèi)存儲(chǔ)，并根據(jù)衛(wèi)星的軌道特征，確定在軌運(yùn)行各時(shí)刻不同指向的地理位置，將地理位置與上述歸類(lèi)存儲(chǔ)的增益相關(guān)聯(lián)，得到天線(xiàn)方向圖地理模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單星干擾源定位方法，其特征在于，所述建立天線(xiàn)方向圖模型(11)步驟具體為: 針對(duì)單個(gè)點(diǎn)波束，當(dāng)天線(xiàn)的Θ角滿(mǎn)足1° < Θ <20°時(shí)，拋物面天線(xiàn)方向圖函數(shù)包絡(luò)的數(shù)學(xué)模型為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單星干擾源定位方法，其特征在于，所述獲取干擾信號(hào)空間分布(20)步驟包括: 21)認(rèn)知干擾信號(hào)特征參數(shù):地面站對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)各波束信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)受到干擾后，確定主受干擾波束，并對(duì)主受干擾波束中干擾信號(hào)特征參數(shù)進(jìn)行認(rèn)知； 22)搜索干擾信號(hào):根據(jù)認(rèn)知的干擾信號(hào)特征參數(shù)，在主受干擾波束的相鄰?fù)l波束中搜索干擾信號(hào)； 23)測(cè)量干擾信號(hào)強(qiáng)度:測(cè)量主受干擾波束與相鄰?fù)l波束中干擾信號(hào)的強(qiáng)度，得到干擾信號(hào)的空間分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單星干擾源定位方法，其特征在于，所述定位干擾源(30)步驟包括: 31)建立定位方程組:結(jié)合干擾信號(hào)強(qiáng)度的空間分布與天線(xiàn)方向圖地理模型，建立由干擾源位置、干擾信號(hào)強(qiáng)度以及天線(xiàn)方向圖增益函數(shù)組成的定位方程組； 32)獲取干擾源定位結(jié)果:對(duì)定位方程組多次迭代搜索，獲取干擾源定位結(jié)果。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單星干擾源定位方法，其特征在于，所述建立定位方程組(31)步驟包括: 311)確定偏離夾角:干擾源與衛(wèi)星連線(xiàn)偏離各點(diǎn)波束中心軸的夾角Θ為:
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單星干擾源定位方法，其特征在于，所述獲取干擾源定位結(jié)果(32)步驟包括: 321)分別確定兩輪搜索的次數(shù)m和n，構(gòu)造約束函數(shù)
【文檔編號(hào)】H04B17/00GK103746757SQ201410008825
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2014年1月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月8日
【發(fā)明者】張更新, 張威, 余強(qiáng), 謝智東, 邊東明, 韓福春, 孔博 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)