双星时差频差定位缩比试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无源定位技术领域，特别是一种双星时差频差定位缩比试验方法。
【背景技术】
[0002] 无源定位技术在导航定位、侦察定位、室内定位、无线电监测等多个领域有着广泛 的应用，相对时差定位体制和测向定位体制，时差频差定位具有定位精度高、对平台姿态要 求低等优势，受到了国内外的重视，在航海、航空、航天、测控、电子对抗及卫星通信等领域 都有广泛的用途，它不但为各种运动载体提供安全保障服务，还能对频繁出现的卫星干扰 源进行精确定位，从而为卫星通信提供可靠的安全防护措施。双星时差频差定位系统利用 两颗卫星截获同一目标辐射的信号，由于相对位置的不同，目标距离两颗卫星的距离不同， 信号到达双星的时间存在先后。同时，卫星的高速运动产生了多普勒效应，双星接收到的多 普勒频率也存在差异。测量截获到的两路信号之间的时差和频差可以建立时差和频差定位 曲面，即可确定目标的位置。随着时差频差定位理论和方法的成熟，在研发和生产定位设备 和系统的过程中，通过实验对系统定位精度进行评估成为一项十分重要的工作，目前，尚未 见有关于时差频差定位试验技术的文献资料。
[0003] 常用的电子设备试验主要包括内场试验法和外场试验法。内场试验法目前主要有 数学仿真试验方法、注入式半实物仿真试验。为了评估系统的定位精度，一般采用外场试验 法。外场试验就是在接近实际使用环境条件下，严格按照规定的技术指标要求，配置电子设 备和各种配试设备，制造出典型的电磁信号环境，以达到接近实用条件的试验效果。因此， 如何设计外场定位试验方案，对时差频差定位系统进行测试，验证系统的定位精度具有十 分重要的意义。目前，尚未见有关双星时差频差定位试验方法方面的报道。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种，可在速度无法缩比的条件下进行定位试验，并换算 为系统定位误差的双星时差频差定位缩比试验方法。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：
[0006] -种双星时差频差定位缩比试验方法，其特征在于:包括以下步骤：
[0007] 步骤一:按照试验场景尺寸与卫星真实工作场景尺寸，确定缩比系数P，并按照同 样的缩比系数对卫星运动速度进行缩比；
[0008] 步骤二:判定缩比场景下，频差大小是否大于频差测量精度一个数量级以上，且试 验系统中卫星接收站是否可以以缩比后的速度进行运动；
[0009] 步骤三：如果是，则在试验场景下，使卫星接收站按照缩比的速度进行运动，对目 标进行定位，得出定位结果，统计定位误差，得到的定位误差记为G，即为双星真实场景下的 定位误差;否则进入步骤四；
[0010] 步骤四：对卫星接收站设定多个不同的速度进行试验，每个速度对应的缩比系数 分别为Pi，i = 1，2，…，在试验场景下，对目标进行定位，得出定位结果，统计定位误差，得到 的定位误差记SGi，可得到最终的定位误差为：
[0012]本发明与现有技术相比，其显著优点：
[0013] ⑴本发明采用缩小的场景进行试验，试验系统容易搭建。
[0014] (2)本发明采用速度非等效缩比方法，适应试验载体速度无法精确控制的试验条 件，适应严格缩比速度不能产生合适的频差的试验场景。
[0015] (3)根据仿真分析表明，本发明对定位误差的评估准确；因此本发明对定位系统研 制和试验具有重要的应用价值和良好的应用前景。
[0016] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明的流程图。
[0018] 图2是本发明定位试验系统构成图。
[0019]图3是本发明定位场景的示意图。
[0020]图4是本发明真实场景下的定位误差分布图。
[0021 ]图5是本发明缩比场景下的定位误差分布图。
[0022] 图6是本发明缩比试验误差示意图。
[0023] 图7是本发明0.8倍速度非等效缩比定位误差示意图。
[0024] 图8是本发明1.2倍速度非等效缩比定位误差示意图。
[0025] 图9是本发明速度非等效缩比下的定位误差分布示意图。
[0026] 图10是本发明速度非等效缩比试验的误差示意图。
[0027] 图11是本发明不考虑标定误差时非等效缩比的误差示意图。
【具体实施方式】
[0028] 结合图1:
[0029] 本发明一种双星时差频差定位缩比试验方法，包括以下步骤：
[0030] 步骤一:按照试验场景尺寸与卫星真实工作场景尺寸，确定缩比系数P，并按照同 样的缩比系数对卫星运动速度进行缩比；
[0031] 步骤二:判定缩比场景下，频差大小是否大于频差测量精度一个数量级以上，且试 验系统中卫星接收站是否可以以缩比后的速度进行运动；
[0032]步骤三：如果是，则在试验场景下，使卫星接收站按照缩比的速度进行运动，对目 标进行定位，得出定位结果，统计定位误差，得到的定位误差记为G，即为双星真实场景下的 定位误差;否则进入步骤四；
[0033]步骤四：对卫星接收站设定多个不同的速度进行试验，每个速度对应的缩比系数 分别为Pi，i = 1，2，…，在试验场景下，对目标进行定位，得出定位结果，统计定位误差，得到 的定位误差记SGi，可得到最终的定位误差为：
[0035]在步骤二之前，在试验系统中，使目标运动，卫星接收站保持静止；
[0036]判定缩比场景下，频差大小是否大于频差测量精度一个数量级以上，且试验系统 中目标是否可以以缩比后的速度进行运动；
[0037]如果是，则在试验场景下，使目标按照卫星接收站缩比的速度进行运动，对目标进 行定位，得出定位结果，统计定位误差，得到的定位误差记为G，即为双星真实场景下的定位 误差；如果否，设定多个不同的速度进行试验，每个速度对应的缩比系数分别为 Pl，i = l， 2，···，在试验场景下，对目标进行定位，得出定位结果，统计定位误差，得到的定位误差记为 Gi，可得到最终的定位误差为：
[0039]本发明的设计思路：
[0040] (1)设计试验场景。对定位系统的工作场景按照一定倍数P进行缩比，即对卫星工 作场景进行等比例缩小，选择可以满足缩比后场景大小的试验场景，使时差值
大于时差估计误差一个数量级以上，其中S为辐射源位置矢量，ShSs为观 测站位置矢量，C = 3 X 108m/s为光速；
[0041 ] (2)对待观测的位置S确定一系列速度非等效缩比系数Pi，i = 1，2，…。使第i次试 验的非等效缩比系数Pl对应的频差值
大于频差估计误差一个数 量级以上，其中λ为信号波长，Vi =为非等效缩比后的运动速度；
[0042] (3)搭建试验系统，开展定位试验，得到定位误差。对两个观测站和辐射源目标按 照缩比后的关系进行安装，搭建数据传输系统、同步系统，如图2、图3所示;使辐射源目标在 同一位置按照不同非等效缩比系数Pl下的速度运动，记录系统定位误差为尽矣其 ，' 中&为第i次试验中定位系统得到的目标位置估计矢量；
[0043] (4)定位误差换算。定位误差为
为按照缩比系数?1进行的、第i次试验得到的定位误差，GD0P为速度严格缩比条件下的 定位误差，也为系统在实际工作场景下的定位误差的估计。
[0044] 具体如下：
[0045] 常用的电子设备试验主要包括内场试验法和外场试验法。本发明针对定位系统设 备的外场试验，即在接近实际使用环境条件下，配置研制的定位系统设备和各种配试设备， 制造出典型的电磁信号环境，以达到接近实战条件的试验效果。定位精度是评价系统优劣 最为重要的指标，也是系统性能优劣的集中体现，试验的主要目的是通过分析和构建测试 试验系统进行测试，推算得出真实场景下定位参数的测量精度和定位性能。
[0046] 研制设备将在一定的场景下进行工作，为了叙述方面，本发明中简称这样的场景 为真实场景，称包含研制设备的功能系统为真实定位系统;为了对研制定位设备进行评估， 搭建的测试场景称为试验场景，称包含研制设备的试验系统为试验定位系统。
[0047] 1、设计试验场景
[0048]为了得到接近系统真实的工作条件，可采取综合配置多种、多部设备等措施，最大 程度上模拟电磁信号环境。但是，针对运行在400~36000km卫星轨道上的定位系统，无法创 造出真实的轨道工作场景。因此，需要在几何大小有限的场景下对研制设备实施试验，分析 推导得出真实场景中特定信号环境下系统性能的方法。
[0049] 1.1缩比试验方法
[0050]下面首先证明：对包含目标在内的真实场景按照一定的比例关系P进行放大(P> 1)或缩小(P<1)，并对卫星速度按照同样的比例关系进行放大或缩小，保持系统的时差和 频差估计误差不变，则系统定位精度不变。
[0051 ]证明：以地球球心为原点建立三维正交直角坐标系。记辐射源位置为f = (Y，/， 2/)'双星位置分别为5、= &。，7、，2。)\」_ = 1，2，两星速度分别为/」=(/3〇，/"，/" )T，j = l，2,地球半径和轨道高度分别为R、H。测量得到的时差和频差分别为Δ V、Δ f/，测 量误差满足零均值高斯分布，估计误差的方差分别为〇2At、6标号"'"表示真实系统的 参数，以与试验系统区分。当目标位于地球表面时，为了简化分析，假设地球表面为没有误 差的严格的球面模型。由此建立定位方程：
[0052] S7 -SM-IS^SM =CAt (1)
[0054] 高度信息约束方程为
[0055] HCS7 )=S7 V -R2 = 0 (3)
[0056] 写成直角坐标形式为
[0072]其中： G'FEgS kM'G'FEgS kS]'假设测量误差均为 ·， 零均值高斯分布且各不相关，双星位置和速度误差矩阵分