《電子技術(shù)應(yīng)用》
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LEO衛(wèi)星TDOA/DOA定位性能分析*
電子技術(shù)應(yīng)用
周艷，屈德新，張更新
（南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院 通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，江蘇 南京 210023）
摘要： 隨著以“星鏈”衛(wèi)星為代表的低軌（LEO）互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星系統(tǒng)的快速發(fā)展，星載相控陣列天線的應(yīng)用數(shù)量飛速增長，未來LEO互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星便于提供星載電磁波到達方向（DOA）檢測能力。衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)的非法干擾進行定位排查，是未來互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星系統(tǒng)正常運維的重要保障。目前常用的雙星到達時差（TDOA）/到達頻差（FDOA）定位體制存在定位誤差顯著增大的“定位盲區(qū)”造成盲區(qū)內(nèi)的干擾源無法定位的問題，提出了一種基于加權(quán)最小二乘約束優(yōu)化模型的TDOA/DOA雙星干擾源定位技術(shù)體制。分析了幾何稀釋精度因子（GDOP）的定位誤差，仿真實驗表明該定位方法具有不存在“定位盲區(qū)”的優(yōu)點，在經(jīng)緯度張角為4^°×4^°的波束范圍內(nèi)定位誤差小于0.2 km，定位誤差的地理平均為0.112 km，滿足非法干擾定位排查的應(yīng)用需求。通過定位解算的根均方差（RMSE）的蒙特卡洛方法，驗證了GDOP誤差精度。該定位方法的定位誤差地理穩(wěn)定性優(yōu)于目前常規(guī)的雙星TDOA/FDOA定位算法。
中圖分類號：TN971 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223574
中文引用格式： 周艷，屈德新，張更新. LEO衛(wèi)星TDOA/DOA定位性能分析[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2023，49(9)：115-119.
英文引用格式： Zhou Yan，Qu Dexin，Zhang Gengxin. Analysis of LEO satellite TDOA/DOA positioning performance[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(9)：115-119.
Analysis of LEO satellite TDOA/DOA positioning performance
Zhou Yan，Qu Dexin，Zhang Gengxin
(National Local Joint Engineering Research Center for Communication and Network Technology， College of Telecommunications and Information Engineering， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210023，China)
Abstract： With the rapid development of Low Earth Orbit (LEO) Internet satellite systems represented by “Star Link”, the number of applications of spaceborne phased array antennas has grown rapidly. In the future, LEO Internet satellites are easy to provide space-borne electromagnetic wave direction of arrival (DOA) detection capabilities. Positioning and investigation of illegal interference in the coverage area of the satellite is an important guarantee for the normal operation and maintenance of the future Internet satellite system. At present, the commonly used TDOA / FDOA positioning system has the problem that the interference source in the blind area cannot be located due to the “positioning blind area” where the positioning error increases significantly. This paper proposes a TDOA / DOA dual-satellite interference source positioning technology system based on the weighted least squares constraint optimization model. The positioning error of geometric dilution of precision factor (GDOP) is analyzed. The simulation results show that the positioning method has the advantage of no “blind spot”. The positioning error is less than 0.2 km in the beam range of 4^°×4^°latitude and longitude, and the geographical average of positioning error is 0.112 km, which meets the application requirements of illegal interference positioning and troubleshooting. The accuracy of GDOP error is verified by the Monte Carlo method of root mean square error (RMSE). The geographical stability of the positioning error of this positioning method is better than that of the conventional two-satellite TDOA / FDOA positioning algorithm.
Key words : satellite passive positioning；TDOA；DOA；weighted least squares；GDOP

0　引言

低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星系統(tǒng)作為低密度地表用戶接入全球互聯(lián)網(wǎng)的快捷途徑，獲得了快速發(fā)展?！靶擎湣钡鹊蛙壔ヂ?lián)網(wǎng)衛(wèi)星系統(tǒng)可以提供寬帶化的低成本、全球覆蓋的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，該系統(tǒng)規(guī)劃4.2萬顆的衛(wèi)星數(shù)量可實現(xiàn)全球化高帶寬的衛(wèi)星波束覆蓋[1]。衛(wèi)星覆蓋區(qū)域廣、用戶多、易受干擾，衛(wèi)星受到干擾時需要對干擾源位置的可靠定位和排查，是衛(wèi)星系統(tǒng)正常運行必要條件。

目前干擾源衛(wèi)星定位的常用體制是雙星到達時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）/到達頻率差（Frequency Difference of Arrival，F(xiàn)DOA）定位系統(tǒng)和多星時差定位系統(tǒng)[2]。雙星時/頻差定位使用衛(wèi)星數(shù)量較少，因此應(yīng)用最多。但是，雙星時/頻差定位體制存在定位誤差顯著增大的“盲區(qū)”，這些盲區(qū)存在造成定位性能不穩(wěn)定的問題。對應(yīng)具有星載相控陣天線的衛(wèi)星，利用單顆衛(wèi)星對干擾源波達方向（Direction of Arrival，DOA）的測量，可對地表干擾源完成定位任務(wù)，但是定位誤差較大。TDOA/DOA混合定位系統(tǒng)可以解決上述問題，具有更穩(wěn)定的性能。

對于TDOA/DOA混合定位，測量時差和測量角的方程是關(guān)于目標源位置的非線性方程。定位算法的關(guān)鍵是處理這些非線性方程[3-4]，文獻[5]通過在兩個觀測站觀測到的到達時間差和到達角的混合測量和未知源位置之間構(gòu)建新的關(guān)系，進而得到一個簡化輻射源位置解。文獻[6]結(jié)合了時差和到達角對目標源進行定位，但只使用一個觀測站的測向信息，為了獲得更精確的定位估計，可以使用多個觀測站的測向數(shù)據(jù)再聯(lián)合時差數(shù)據(jù)進行位置估計。文獻[7]針對雙星定位場景，提出了幾種閉式解算法，用以有效估計目標源位置，但未考慮衛(wèi)星位置誤差給定位誤差帶來的影響。

目前TDOA/DOA聯(lián)合的定位方法由已廣泛應(yīng)用于蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)定位場景中，然而，并沒有給出目標源的定位誤差幾何稀釋精度因子（Geometric Dilution of Precision，GDOP）的分布形式。對于現(xiàn)有的CGCS2000國家大地坐標系與1984世界大地坐標系，它們采用的參考橢球非常接近，僅扁率的細小差別會造成同一定位點在兩個坐標系中的值有微小差異，在衛(wèi)星導(dǎo)航定位中，要求精度大于兩坐標系的點位坐標差異，不需要顧及坐標系框架間的差的差異，那么WGS84下的定位結(jié)果可視作CGCS2000下的定位結(jié)果。所以本文對于雙星TDOA/DOA聯(lián)合定位系統(tǒng)，在文獻[8]所提出的定位閉合形式算法基礎(chǔ)上，聯(lián)合雙星的DOA觀測量與TDOA觀測量，采用WGS-84地球橢球模型作為約束條件，建立起目標源位置參數(shù)與觀測量之間的偽線性關(guān)系，從而計算出目標位置解。最后對雙星TDOA/DOA定位的星下點附近的GDOP進行仿真和分析，比較分析了雙星時/頻差定位的星下點附近的GDOP分布 ，驗證了算法對目標源位置低敏感性。



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作者信息：

周艷，屈德新，張更新

（南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院 通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，江蘇 南京 210023）


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