宋小勇,毛 悅,宗文鵬,王 龍,馮來平
1. 地理信息工程國家重點實驗室,陜西 西安 710054; 2. 西安測繪研究所,陜西 西安 710054
隨著全球化的發(fā)展,采用無線電進行通信和導(dǎo)航的用戶數(shù)量不斷增加,用戶分布范圍也在全球拓展。非法使用或惡意干擾無線電資源成為制約無線電技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的突出問題,為了實現(xiàn)對全球范圍內(nèi)非合作用戶的有效管控,需要及時掌握用戶頻譜、位置等信息。遠洋船采用的海事自動識別系統(tǒng)雖能及時通報船舶位置,但該系統(tǒng)不能應(yīng)對由于信號惡意關(guān)閉或蓄意信息欺騙造成的目標真實位置不確定問題。出于軍事或其他目的,敵對方經(jīng)常通過惡意發(fā)射大功率信號對衛(wèi)星導(dǎo)航或其他軍民用通信信號進行干擾,這些人為干擾源運動范圍大,采用傳統(tǒng)的陸基干擾源監(jiān)測定位方法,干擾源定位精度受地面環(huán)境遮擋影響嚴重,同時,陸基或?;綔y定位方法受海域空域限制,難以實現(xiàn)對目標連續(xù)跟蹤。為此,世界各國競相發(fā)展天基無線電信號源定位系統(tǒng)[1-2]。利用衛(wèi)星探測并定位無線電發(fā)射源是大范圍管控?zé)o線電用戶的高效方式。該方法可實現(xiàn)對全球大部分地區(qū)主動發(fā)射無線電信號的非合作目標的監(jiān)控。對于遠海、沙漠等人煙稀少地區(qū),利用衛(wèi)星探測是唯一現(xiàn)實可行的技術(shù)。
天基無線電監(jiān)測管理核心技術(shù)之一是如何利用被動無線電測量確定信號源位置。精密無線電測向和信號到達時間差、到達頻率差測量(TDOA/FDOA)是目前使用最多的無源定位技術(shù),相比測角而言,TDOA/FDOA技術(shù)測量精度和可靠性更高[3-9],因此,以美國鷹眼360為代表的無線電定位衛(wèi)星大多采用該技術(shù)。近年來,國內(nèi)外采用TDOA觀測確定信號源位置方面,產(chǎn)生了大量研究成果。針對TDOA定位解算中出現(xiàn)的非線性問題,文獻[10]提出兩步最小二乘處理策略,將非線性問題轉(zhuǎn)化為兩步線性問題,該方法極大減小了數(shù)據(jù)處理運算量,降低了發(fā)射源點位坐標初值精度要求,但解算結(jié)果是近似最優(yōu)解,且不便于使用外部約束。文獻[11]構(gòu)建了綜合考慮衛(wèi)星位置誤差影響的統(tǒng)一形式半定規(guī)劃定位算法,但算法實現(xiàn)過于復(fù)雜,實用性受限。文獻[12]針對鷹眼360星座構(gòu)型,分別采用幾何法及兩步最小二乘法仿真了TDOA定位精度,兩種方法精度一致,均能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)于千米級無源定位精度。但該文獻定位仿真研究僅限于單歷元定位,未分析多歷元觀測量對定位結(jié)果的貢獻??紤]到三星編隊在衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計和建設(shè)運行成本上的優(yōu)勢,本文重點開展三星編隊衛(wèi)星對地面靜態(tài)信號源的多歷元TDOA無源定位方法研究,并對比分析其與單歷元定位方法的精度優(yōu)勢。
利用天基TDOA/FDOA測量實現(xiàn)信號源定位本質(zhì)采用的是多個雙曲面空間交匯定位原理。通過測量無線電信號到達兩個接收衛(wèi)星的時間差,可確定同一信號發(fā)射源到兩個接收衛(wèi)星距離差。已知兩個接收衛(wèi)星瞬時位置和信號到達時間差觀測量后,信號源位置即位于以兩個衛(wèi)星位置為焦點的空間雙曲面上[12]。通過對不共線4個以上衛(wèi)星信號到達時間差測量,可形成3個獨立的距離差觀測量,每個距離差觀測方程對應(yīng)一個空間雙曲面,3個空間雙曲面交點即可確定目標點位置。通常多個空間雙曲面交點不唯一,需要通過其他輔助信息確定信號源真實位置。如果僅有3個監(jiān)測衛(wèi)星,對于每個信號源,單歷元觀測量只能形成兩個獨立距離差觀測方程,只能確定一條空間曲線,不能確定目標點三維位置,目標定位需要附加額外約束條件。
兩個衛(wèi)星對同一信號源距離差觀測方程形式如下
d12=r01-r02+c(Δt1-Δt2)+Δtrop01-
Δtrop02+Δion01-Δion02+ε12
(1)
式中,d12為距離差觀測量;r01、r02分別為信號源到兩個衛(wèi)星的距離;Δt1、Δt2為衛(wèi)星鐘差;Δtrop01、Δtrop02為信號對流層延遲誤差;Δion01、Δion02為電離層延遲誤差;ε12為TDOA測量噪聲。
由式(1)可知,影響距離差測量精度的因素包括衛(wèi)星位置誤差、衛(wèi)星鐘差、對流層、電離層路徑延遲誤差及測量噪聲。對于由編隊衛(wèi)星組成的監(jiān)測系統(tǒng),由于同組內(nèi)不同衛(wèi)星相對地面信號源傳播路徑接近,對流層、電離層影響經(jīng)過路徑差分后可基本消除[13-14]。采用星載GNSS對編隊衛(wèi)星進行精密定軌和時間同步處理,利用后處理精密GNSS衛(wèi)星軌道及鐘差產(chǎn)品,低軌衛(wèi)星位置誤差可優(yōu)于5 cm,星間時間同步精度優(yōu)于0.2 ns[15-19]。采用星載數(shù)據(jù)處理軟件利用GNSS快速軌道產(chǎn)品進行實時處理,低軌衛(wèi)星軌道精度在分米級,時間同步精度優(yōu)于2 ns[20-22]。綜上所述,衛(wèi)星位置、鐘差及對流層、電離層殘余誤差對距離差影響小于米級。TDOA測量噪聲可按照式(2)估計[12,23-24]
(2)
式中,β為信號帶寬;βn為接收機噪聲帶寬;T為積分時間;S/N為輸入信噪比;c為光速;βnT(S/N)為輸出信噪比。當(dāng)信號帶寬為10 MHz,輸出信噪比為16時,TDOA測量精度近似為2.9 m。
綜上,若采用星載GNSS技術(shù)對監(jiān)測衛(wèi)星進行精密定軌和時間同步,影響TDOA測量精度的主要誤差源為信號測量噪聲。隨后仿真試驗以測量噪聲3 m作為測量噪聲仿真輸入條件。
采用三星編隊衛(wèi)星實現(xiàn)信號源定位是目前使用較多的定位技術(shù)。采用三星編隊監(jiān)測時,若監(jiān)測衛(wèi)星采用星載GNSS進行定軌,可不考慮監(jiān)測衛(wèi)星軌道誤差、時間同步誤差和路徑傳播誤差,此時在慣性坐標系中TDOA定位觀測方程簡化如下
(3)
(4)
式中,r01、r02、r03為信號源與衛(wèi)星之間距離;d12、d13為距離差觀測量;ε12、ε13為測量噪聲;x0、y0、z0分別為發(fā)射時刻信號源位置;xi、yi、zi為接收時刻衛(wèi)星位置。在地固坐標系中,上述方程需要考慮地球自轉(zhuǎn)改正。對于地面靜態(tài)信號源,任意觀測歷元,上述TDOA方程3顆衛(wèi)星形成兩條獨立基線,兩個獨立基線對應(yīng)兩個獨立星間距離差觀測方程,包含3個信號源空間位置參數(shù),測量方程不可解。為此,需要增加額外的約束條件。按照增加約束的條件方法,可分為多種解法。一種是增加監(jiān)測衛(wèi)星數(shù)量,通過增加獨立觀測數(shù)量解決測量秩虧問題[7,9]。另一種方法則通過增加信號源高程信息約束,增加一個約束方程,消除測量秩虧問題。
在地固坐標系中,地面信號源位置通常用地固橢球坐標系三分量表示,高程約束信息為橢球高。已知信號源高程信息后,信號源三維位置坐標滿足下述橢球約束方程
(5)
式中,N為測量點對應(yīng)參考橢球法線長度;f為參考橢球曲率;x0、y0、z0為未知信號源位置參數(shù);h為信號源已知高程約束信息。綜合式(3)、式(4)2個星間距離差觀測方程和1個橢球約束方程,可形成包含3個未知參數(shù)的3個非線性觀測方程。采用非線性方程迭代求解方法或帶約束參數(shù)平差方法,可得到信號源位置信息。
利用測站大地坐標與直角坐標之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,通過對測站高程求導(dǎo),可得到測站高程誤差影響信號源位置誤差的近似估計公式
(6)
式中,dh為測站高程誤差;dx、dy、dz為測站直角坐標三分量誤差;φ、λ為測站大地經(jīng)緯度。
上述方法需要已知信號源高程位置信息。對于海面位置信號源,其高程信息可近似設(shè)置為0。而對于陸地平坦地區(qū)目標,則需要結(jié)合信號源近似位置信息,通過輔助采用數(shù)字高程信息確定信號源準確位置。實際計算過程中需要通過多次迭代計算獲取準確位置。對于地形復(fù)雜地區(qū),此方法很難收斂。
盡管利用單歷元3顆衛(wèi)星形成的兩個獨立TDOA觀測量結(jié)合信號源高程信息約束可確定信號源三維位置。但當(dāng)信號源在地形復(fù)雜區(qū)域或空中時,其高程信息很難準確獲取,導(dǎo)致上述單歷元定位方法難以應(yīng)用。增加衛(wèi)星數(shù)量則面臨增加成本及軌道優(yōu)化控制問題。在不增加監(jiān)測衛(wèi)星數(shù)量前提下,對于地面靜止信號源或運動軌跡相對規(guī)律的信號源,如果能夠?qū)崿F(xiàn)多次測量,可利用多個歷元觀測量,通過多歷元聯(lián)合求解方法解決觀測量秩虧問題。對于3顆監(jiān)測衛(wèi)星組成的編隊衛(wèi)星,多歷元聯(lián)合解算方法簡述如下。
不考慮衛(wèi)星位置誤差及信號傳播誤差,在慣性坐標系3顆衛(wèi)星t時刻TDOA觀測方程為
r0i(t)-r0k(t)=dik(t)+εik
(7)
(8)
(9)
Δti=r0i/c
(10)
已知監(jiān)測衛(wèi)星位置和坐標轉(zhuǎn)換矩陣M(t),組合多個歷元距離差觀測量,可形成僅包含信號源在地固坐標系中位置參數(shù)的非線性方程組,采用非線性最小二乘估計方法,通過對上述方程對應(yīng)的線性化觀測方程迭代求解可得到位置參數(shù)最優(yōu)估值。
首先,利用信號源初值位置對式(7)進行線性化,得到線性化方程如下
(11)
組合多個歷元線性化觀測方程,采用最小二乘估計方法,可得到信號源位置改正量。利用改進的信號源位置進行迭代計算,收斂后可得到信號源位置最優(yōu)估計值。多歷元TDOA解算不需要信號源輔助信息,但其動態(tài)定位能力弱,對于高速復(fù)雜運行信號源定位需要FDOA信息支持。
利用TDOA實現(xiàn)信號源定位,其定位精度與距離差測量精度和定位幾何構(gòu)型相關(guān)。為評價定位幾何構(gòu)型影響,借鑒GNSS定位幾何構(gòu)型的PDOP值計算原理,天基TDOA距離差觀測定位幾何構(gòu)型影響也可用PDOP值評估,可用線性化距離差觀測方程對應(yīng)的法方程的逆矩陣計算,用法方程逆矩陣對角線元素之和的平方根來表征。假設(shè)線性化后TDOA觀測方程為
L=AΔX+ε
(12)
則定位PDOP定義為[13,25]
(13)
對于具有高程約束的TDOA定位,其PDOP計算需要利用帶約束平差方法計算點位坐標協(xié)方差陣,然后計算對應(yīng)PDOP值。由于矩陣M為正交矩陣,因此對于多歷元TDOA定位,坐標轉(zhuǎn)換矩陣M并不影響定位PDOP值評估結(jié)果。
為驗證基于三星編隊衛(wèi)星TDOA定位方法的合理性,分析信號源定位精度,本文采用模擬觀測數(shù)據(jù)進行多方案仿真定位分析。由于編隊衛(wèi)星精密軌道及鐘差確定已有相對成熟的方法,本文重點在于分析定位幾何構(gòu)型影響。為簡化分析,本文三星編隊衛(wèi)星標準軌道仿真采用二體運動動力學(xué)模型,未考慮地球非球型引力和其他攝動力影響。地球自轉(zhuǎn)運動模型仿真也僅考慮地球自轉(zhuǎn)主項,不考慮歲差、章動、極移等因素影響[14]。軌道仿真采用3顆衛(wèi)星組成的編隊,3顆衛(wèi)星空間構(gòu)型設(shè)計需要綜合考慮三星波束重疊覆蓋范圍、編隊衛(wèi)星構(gòu)型維持需要的軌控成本、覆蓋區(qū)定位精度等因素。參考鷹眼360星座構(gòu)型,采用一高兩低三星編隊。兩顆較低軌道衛(wèi)星位于同一軌道面內(nèi),相距近250 km,軌道高度575 km。另一顆衛(wèi)星軌道高度600 km,位置經(jīng)度位于前兩顆衛(wèi)星之間,與其構(gòu)成近似等邊三角形構(gòu)型,其軌道根數(shù)中的升交點經(jīng)度圍繞前兩顆星軌道對應(yīng)參數(shù)周期變化。三顆衛(wèi)星均為太陽同步軌道衛(wèi)星。這種衛(wèi)星編隊的優(yōu)點是軌控次數(shù)少,能保證覆蓋區(qū)大范圍定位精度,缺點是沿星下點區(qū)域定位幾何構(gòu)型較差。仿真采用的三星編隊衛(wèi)星軌道根數(shù)見表1。
表1 仿真軌道根數(shù)
上述軌道根數(shù)能夠保證除極區(qū)外,衛(wèi)星編隊保持近似等邊三角形構(gòu)型,空間構(gòu)型如圖1所示。
圖1 三星編隊衛(wèi)星構(gòu)型Fig.1 A cluster of three satellites
由上文可知,觀測數(shù)據(jù)仿真未考慮衛(wèi)星軌道、星間時間同步誤差,同時也忽略了信號傳播路徑延遲等系統(tǒng)性誤差對距離差觀測量影響,將上述殘余隨機誤差等效到測量噪聲中,仿真距離差測量噪聲選擇為3 m隨機噪聲。在單次測量信號覆蓋范圍方面,參考國外衛(wèi)星載荷特性,將每顆監(jiān)測衛(wèi)星接收天線對地覆蓋范圍的直徑近似取為1000 km,對應(yīng)地球表面經(jīng)緯度范圍約為4.48°??紤]到低軌衛(wèi)星運動的周期性,定位幾何構(gòu)型變化也具有周期重復(fù)特性,因此,仿真計算采用的數(shù)據(jù)時段長度選擇為1個軌道周期。
基于上述仿真編隊衛(wèi)星構(gòu)型,分別在赤道及中緯度地區(qū)選擇2個衛(wèi)星軌跡星下點,首先計算上述星下點周邊半徑500 km范圍內(nèi)標準橢球面格網(wǎng)點,然后利用仿真軌道和仿真觀測模型仿真3顆衛(wèi)星對每個格網(wǎng)點距離差觀測量數(shù)據(jù),利用單歷元距離差數(shù)據(jù)和衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù),采用結(jié)合高程信息約束的三星單歷元定位解算方法計算信號源位置,并計算信號源位置與對應(yīng)仿真理論值之間三維位置誤差和誤差分布。結(jié)果如圖2—圖5所示。
圖3 單歷元中緯區(qū)定位誤差等值線Fig.3 Geolocation errors contour of medium latitude for single epoch
圖4 單歷元低緯區(qū)定位誤差分布Fig.4 Distribution of geolocation errors of low latitude for single epoch
圖5 單歷元中緯區(qū)定位誤差分布Fig.5 Distribution of geolocation errors of medium latitude for single epoch
為定量分析星下點周邊不同區(qū)域定位誤差分布情況,以第1顆衛(wèi)星的星下點位置為參考,分別統(tǒng)計了距離星下點軌跡±0.5°、±0.5°~±1°、±1.0°~±1.5°、±1.5°~±2.5°、≥±2.5°共5個不同區(qū)域單歷元TDOA定位誤差,結(jié)果統(tǒng)計見表2。
表2 距離星下點不同區(qū)域定位誤差(針對單歷元)
由表2可知,盡管星下點軌跡附近部分點位定位誤差偏大,但定位誤差均值相對總均值降低并不顯著,表明該三星編隊構(gòu)型總體定位性能有保障。
綜上可知,無論是低緯區(qū)域還是中緯區(qū)域,在波束覆蓋范圍內(nèi),衛(wèi)星星下點軌跡附近信號源定位精度相對最差,但精度較差區(qū)域占比小于13%。究其原因與仿真編隊衛(wèi)星構(gòu)型有關(guān)。為保證三星編隊運行穩(wěn)定型,減少軌控次數(shù),本次仿真采用了類似鷹眼360高低搭配的編隊衛(wèi)星構(gòu)型,該構(gòu)型中3顆編隊衛(wèi)星基本分布在近似同一軌道面內(nèi),星下點軌跡周邊點相對3顆衛(wèi)星定位幾何構(gòu)型差(近似位于同一平面),表現(xiàn)為TDOA定位觀測方程近似線性相關(guān),導(dǎo)致星下點軌跡附近信號源定位誤差相對較大。通過對波束覆蓋范圍內(nèi)全部點定位誤差進行統(tǒng)計,80%以上點定位誤差小于510 m。有高程信息約束時,三星編隊單歷元定位理論殘差為零,受非線性方程迭代計算方法和計算機數(shù)值有效位影響,實際殘差有微小變化。
盡管有地面高程信息支持條件下,3顆衛(wèi)星單歷元TDOA觀測數(shù)據(jù)可確定信號源位置,但該方法適用性一般,僅適用于海面或大范圍地形平坦地區(qū),地形復(fù)雜地區(qū)先驗高程信息很難獲取??紤]到監(jiān)視衛(wèi)星短期內(nèi)可實現(xiàn)對地面特定信號源的連續(xù)測量,可獲取多個歷元數(shù)據(jù),多個歷元TDOA觀測量同樣可解決單歷元測量秩虧問題。為此,本文開展了三星編隊多歷元TDOA定位仿真試驗。
多歷元TDOA定位試驗采用的仿真編隊衛(wèi)星構(gòu)型、仿真數(shù)據(jù)生成策略和地面點選擇區(qū)域與單歷元類似,區(qū)別是單次定位計算利用了2 s采樣間隔連續(xù)20 s數(shù)據(jù),同時考慮到衛(wèi)星運動對多歷元測量信號波束重疊覆蓋范圍的影響,對比單歷元星下點選擇區(qū)域,本文將多歷元地面信號源格網(wǎng)點范圍縮小為星下點周邊半徑450 km范圍。考慮地球自轉(zhuǎn)影響條件下,仿真3顆監(jiān)視衛(wèi)星對每個格網(wǎng)點間隔2 s連續(xù)20 s距離差觀測量,利用20 s TDOA數(shù)據(jù)確定信號源位置,將定位結(jié)果與理論值比較,統(tǒng)計位置誤差與誤差分布,結(jié)果如圖6—圖9所示。
圖7 多歷元中緯區(qū)定位誤差等值線Fig.7 Geolocation errors contour of medium latitude for multi-epoch
圖8 多歷元低緯區(qū)定位誤差Fig.8 Distribution of geolocation errors of low latitude for multi-epoch
圖9 多歷元中緯區(qū)定位誤差Fig.9 Distribution of geolocation errors of medium latitude for multi-epoch
與單歷元定位類似,本文分別統(tǒng)計了編隊衛(wèi)星星下點軌跡周邊5個不同區(qū)域多歷元TDOA定位誤差,結(jié)果見表3。
表3 距離星下點不同區(qū)域定位誤差統(tǒng)計(針對多歷元)
與單歷元定位類似,多歷元定位同樣存在沿星下點軌跡方向定位誤差偏大問題,但定位誤差增大點位數(shù)量和與幅度總體可控。同時與單歷元定位相比,多歷元總體定位精度顯著改善,平均定位誤差提高到110 m。相比文獻[6]的定位結(jié)果有顯著提高。
影響多歷元定位精度的因素還包括采樣間隔和多歷元累積處理弧長。處理弧長選擇主要受信號重疊覆蓋范圍限制。采用多歷元定位時,由于衛(wèi)星運動,衛(wèi)星可接收信號的波束覆蓋范圍不斷發(fā)生變化,導(dǎo)致多歷元共同可觀測范圍的重疊覆蓋區(qū)域相對減小。采樣間隔不變時,累積處理弧長越長,累加計算的歷元數(shù)越多,盡管定位精度相應(yīng)有改善,但多歷元共同覆蓋區(qū)域也將越小。因此,累積處理弧長選擇需要平衡定位精度和共同覆蓋區(qū)域影響。
對于運行速度相近的衛(wèi)星,處理弧長可用弧段時長表征。為分析處理弧長對定位精度影響,采用1 s采樣間隔,分別進行了累加處理弧長為5、10、15、20、25 s時多歷元定位仿真試驗,精度統(tǒng)計結(jié)果如圖10所示。
圖10 處理弧長與定位精度關(guān)系Fig.10 Geolocation accuracy with processing arc lengths
由圖10可知,增加多歷元累積處理弧長,能夠有效提高多歷元定位精度,當(dāng)累加處理弧長取為20 s時,定位精度提升效率已不顯著。因此,本文將本次仿真條件下多歷元累積處理弧長選為20 s。
當(dāng)多歷元累積處理弧長確定后,累積處理歷元個數(shù)主要取決于數(shù)據(jù)采樣間隔。TDOA觀測最小采樣間隔受積分時長限制,由式(2)可知,積分時長T直接影響TDOA測距精度,因此,為保證一定測距精度,單次測量數(shù)據(jù)采樣間隔不能過小。為分析累積處理歷元個數(shù)對定位精度影響,采用本節(jié)多歷元定位仿真條件進行了仿真定位試驗。仿真采用的多歷元累加處理弧長選擇為20 s,分別選取采樣間隔為5、2、1、0.5、0.25、0.1 s、進行了多歷元定位試驗,與上述采樣間隔對應(yīng)的累積處理歷元數(shù)分別為4、10、20、40、80、200。多歷元定位結(jié)果與歷元數(shù)關(guān)系如圖11所示。
圖11 歷元數(shù)與定位精度關(guān)系 Fig.11 Geolocation accuracy with the number of observation
由圖11可知,當(dāng)累加處理弧長不變時,數(shù)據(jù)采樣間隔減小,處理歷元個數(shù)增加有助于提高定位精度。但采樣間隔減小受多種因素制約。首先,最小采樣間隔受測量精度制約;其次,星基TDOA定位通常采用星載處理模式,測量歷元數(shù)的增加意味著星間數(shù)據(jù)傳輸量和星載處理能力要求的同步提高,同時弱信號觀測通常需要用多次測量通過數(shù)據(jù)平滑消減隨機噪聲和粗差,經(jīng)過平滑后有效數(shù)據(jù)采樣間隔不可能太低,因此,綜合平衡多種因素影響,確定數(shù)據(jù)采樣間隔選擇1~2 s相對合理。
采用天基衛(wèi)星監(jiān)測信號源是目前國內(nèi)外熱點研究方向,基于TDOA方法信號源位置測定技術(shù)是其中關(guān)鍵技術(shù)。本文研究了三星編隊單歷元及多歷元TDOA定位方法,利用仿真數(shù)據(jù)分析了其可能實現(xiàn)的信號源位置確定精度。初步仿真結(jié)果表明,三星編隊監(jiān)測衛(wèi)星單歷元信號源定位誤差在510 m量級,而多歷元定位誤差可降低到110 m量級。編隊構(gòu)型對信號源定位誤差分布有直接影響。本文主要針對地面靜態(tài)信號源定位,對于動態(tài)如何實現(xiàn)多歷元定位,還需要結(jié)合FDOA觀測量開展進一步研究工作。