单星定位中测向精度增强技术

虎雷 李军 李永明 李圣安

摘要：介绍了一种单星无源定位方法，即双长基线干涉仪测向技术。在对其测向原理与解模糊方法的研究基础上，分析误差因素，提出一种适用于此测向方式的标校技术，该技术可消除相位差测量中的系统误差与卫星姿态误差，提高卫星的定位能力。

关键词：无源定位；相位干涉仪；解模糊；标校技术

中图分类号：TN971 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）07-0117-02

1 引言

目前，电子侦察卫星监测地面辐射源的主要方式有三星时差定位法、双星时差/频差联合定位法和单星测向定位法等。单星测向定位技术作为电子侦察卫星的一种重要手段，相对多星定位具有定位速度快、工作方式简单等特点，对其进行研究具有重要意义。

针对单星无源定位的研究中，大致分为以下几类，一类是利用相对运动引起的多普勒信息进行定位，如单星仅测脉冲到达时间（TOA）无源定位法[1]、单星仅测频无源定位法[2]以及单星测多普勒变化率无源定位法[3]，虽然该类方法所需设备量少，但是对信号形式的要求比较严格，如分别要求发射信号的脉冲重复频率固定和载频固定等。另一类是利用干涉仪进行测向的无源定位系统，可以利用通道间接收信号的互相关消除信号波形的影响，对信号形式的适应能力强，且可以利用长基线提高性能增益，因此更具有工程实用价值。

二维干涉仪测向定位在无源定位中比较常见[4]，该方法可单次定位，适用性比较广。二维干涉仪工作至少需要两组基线，即3个阵元与接收通道，基线长短与目标频率有直接关系。对于较宽的频率范围，固定的基线在相位差测量过程中难免会出现模糊现象，本文提出一种正交双基线测向法，该方法通过增加2组基线，并设计基线长度，消除相位差模糊。在测向过程中，由于相位差测量误差及卫星姿态误差的存在，会对定位结果产生影响[5]，本文提出一种定位增强技术，该方法利用双地面站对卫星进行标校，通过联立求解出系统中特定的相位差测量误差与姿态误差。

2 正交双基线测向定位原理及数学模型

2.1 干涉仪测到达角原理

正交双基线通过分别测量x与y轴上入射信号的到达角，如图1所示，A、B、C为x轴上的三个接收天线阵元，其间距分别为d11、d12，入射信号与该轴向的夹角为θ。设入射信号的波长为λ，在无模糊的情况下，A、B两阵元测得的信号相位差φ为：

上面两组式中存在六个未知量，我们只需再建立四组方程式便可以计算出各个误差值，按照这个思路，只需建立两个地面站就可以满足求解条件。

假设在卫星可测范围内存在A、B两个地面站，发射相同频率的信号，通过卫星接收并进行定位处理后，将定位结果下传，然后通过数据处理中心结合星历与地理信息，计算出定位系统的测相误差与姿态误差，而后对系统进行标校，消除固有误差量。

4 仿真分析

假设A，B两站的位置相对卫星为（方位角36度，俯仰角45度）、（方位30度，俯仰36度），目标实际位置为（方位25度，俯仰角30度）。

场景一的仿真条件：相位差测量误差为25度，姿态误差为2度。

场景二的仿真条件：相位差测量误差为30度，姿态误差为1度。通过这两种场景的仿真结果（如图2和图3所示）可以看出，标校前的测向误差比较大，而通过标校后，测向精度有了较大的提高。

5 结语

本文通过对二维干涉仪的研究，提出在单星无源定位中，可利用地面标校系统消除位相差测量过程中的系统误差和卫星的姿态误差，提高测向精度。仿真试验中，只引入两个基线上的相位差测量误差，而在实际应用中，可根据系统具体的相位差测量机制和测向机制，查找存在的固有误差种类，适当地增加地面标校站的个数。

参考文献

[1]徐义，郭福成，冯道旺.一种单星仅测TOA无源定位方法[J].宇航学报，2010，31（2）：502-508.

[2]陆安南，孔宪正.单星测频无源定位法[J].通信學报，2004，25（9）：160-168.

[3]张敏，冯道旺，郭福成.基于多普勒变化率的单星无源定位[J].航天电子对抗，2009，25（5）：11-13.

[4]袁孝康.相位干涉仪测向定位研究[J].上海航天，1999，（3）：1-7.

[5]张文旭，司锡才，蒋伊琳.相位干涉仪测向系统相位误差研究[J].系统工程与电子技术，2006，（11）：1631-1632，1640.