基于信号强度多波束空间分布的地面辐射源单星定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，特别是一种发射成本低、星上资源消耗少、定位精 度较高的基于信号强度多波束空间分布的地面辐射源单星定位方法。
【背景技术】
[0002] 由于卫星系统具有覆盖能力强、传输距离长、不受地理条件限制、机动灵活等独特 的优点，卫星系统开始逐渐进入民用和国防领域，并在几十年中得到了迅速的发展，具有非 常好的发展前景。然而，基于地球同步轨道(GE0)的卫星移动通信系统几乎都采用了星载大 型展开式多波束天线，由于天线口径大、接收灵敏度高，卫星又处于开放的空间，GE0卫星通 信系统更容易受到各种辐射源有意或无意的射频干扰。随着各国卫星业务的迅速增长，轨 道与频率资源日趋紧张，卫星所处电磁环境日益恶化，卫星受到不明辐射源干扰事件的数 量与日倶增，造成了诸多恶劣影响以及经济上的损失。为排除或降低不明辐射源干扰事件 对卫星通信的影响，必须及时快速定位辐射源。
[0003] 常用的卫星辐射源定位方法有测时差定位和测向定位。测时差定位是随着多平台 通信技术的发展和到达时间差技术的进步而发展起来的，并成为现代高精度辐射源定位的 主要方法之一，主要有三星时差定位法、双星时差/频差联合定位法。一般需要由两颗或两 颗以上的卫星组网同步相互配合实现。由于卫星轨道资源的有限性，对于GE0卫星而言，系 统中仅包括有限的几颗卫星，很多情况下只有一颗卫星，很难找到协助定位的邻星，难以基 于双星或三星干扰源定位体制实现对辐射源的定位。
[0004] 目前的单星侧向定位方法，主要包括:相位干涉仪测向、比相测向、比幅测向、时差 测向、空间谱估计测向等。但这些单星侧向定位方法都必须额外增加星载定向设备，并且对 卫星的姿态测量精度有较高的要求。
[0005] 总之，现有卫星辐射源定位技术存在的问题是:单星辐射源定位方法需要额外增 加星载设备，导致发射成本高、星上资源消耗多，不易实现。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种基于信号强度多波束空间分布的地面辐射源单星定 位方法，发射成本低、星上资源消耗少、易于实现。
[0007] 实现本发明目的的技术解决方案为：
[0008] -种基于信号强度多波束空间分布的地面辐射源单星定位方法，包括以下步骤：
[0009] (10)构建方向图指向模型:根据天线方向图函数及天线增益与俯仰角和方位角之 间的联系，构建天线方向图指向模型；
[0010] (20)获取辐射信号强度空间分布:根据卫星接收的地面辐射信号特征参数和强 度，确定主接收波束及其空分同频复用波束，根据接收辐射信号强度最强的多个空分同频 复用波束，得到辐射信号强度在多波束环境下的空间分布；
[0011] (30)求解辐射源位置指向：根据天线方向图指向模型和辐射信号强度空间分布， 建立定向方程组，求解定向方程组，获得辐射源位置指向；
[0012] (40)获取辐射源经炜度:根据辐射源位置指向，结合地理信息与星历信息，得到地 面辐射源的经炜度。
[0013] 本发明与现有技术相比，其显著优点：
[0014] 1、定位方法易于实现：由于定位方程组形式简单，所需的数据容易获得，使得该定 位方法容易实现；
[0015] 2、发射成本低、星上资源消耗少：由于无需额外的星载设备用于辐射源定位，节约 了卫星发射成本，降低了星上资源消耗。
[0016] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明基于信号强度多波束空间分布的地面辐射源单星定位方法的流程 图。
[0018] 图2是本发明基于信号强度多波束空间分布的地面辐射源单星定位方法原理图。
[0019] 图3是定义α角和β角及与俯仰角P和方位角Θ的转换示意图。
[0020] 图4为本发明方法中天线方向图指向模型所得指向与波束增益的映射图。
[0021 ]图5是求解辐射源位置指向的粒子群搜索算法程序流程图。
[0022] 图6是本发明方法在天线方向图为理想函数时求辐射源位置指向仿真结果图。
[0023] 图7是本发明方法根据数据库拟合天线方向图函数的仿真结果图。
[0024] 图8是本发明方法拟合天线方向图函数相对于理想天线方向图函数绝对误差图。
[0025] 图9是表1不同拟合粒度的拟合方向图函数误差情况表。
[0026] 图10是表2本发明方法根据拟合函数求解位置指向结果表。
[0027] 图11是表3本发明方法根据任意位置指向求经炜度结果表。
【具体实施方式】
[0028] 如图1所示，本发明基于信号强度多波束空间分布的地面辐射源单星定位方法，包 括以下步骤：
[0029] (10)构建方向图指向模型:根据天线方向图函数及天线增益与俯仰角和方位角之 间的联系，构建天线方向图指向模型。
[0030] 所述(10)构建方向图指向模型步骤包括：
[0031] (11)获取天线方向图函数:若天线增益与指向关系为数据库形式储存，则根据数 据库对天线方向图进行拟合，得到星载多波束天线各波束天线方向图函数;否则，根据多波 束天线的设计特性及参数，获取星载多波束天线各波束天线方向图函数；
[0032]所述（11)获取天线方向图函数步骤中，根据多波束天线的设计特性及参数，获取 星载多波束天线各波束天线方向图函数具体为：
[0033]针对单个点波束，假设点波束中心增益为Go，波束增益G按下式近似计算为，
[0035]其中，u = 2.07123sin((i))/Sin((i)3dB)，JdPJ 3 分别是 1 阶和 3 阶第一类贝塞尔函数， Φ 3dB是天线增益相对波束中心3dB衰减处所对应的角度，Φ表示辐射源信号入射方向与点 波束中心之间的夹角；
[0036]假设卫星天线口径为D，辐射信号的波长为λ，则半功率波束宽度
[0038] 当Φ=0时，卫星天线增益为：
[0040]所述（11)获取天线方向图函数步骤中，根据数据库对天线方向图进行拟合，得到 星载多波束天线各波束天线方向图函数具体为：
[0041] 根据所需点波束的天线方向图数据库中的数据，采用最小移动二乘法进行拟合， 得到该波束的天线方向图函数拟合函数。
[0042] 在一个拟合区域上，假设需要拟合的天线方向图函数F(x)的近似函数表示 为：
[0044] 其中，m是基函数的项数，b」(X)是基函数，a」(X)是其系数。
[0045] 利用加权最小二乘法构成二次形式：
[0047]上式可用矩阵形式表示为：
[0048] J=(Ba-f)Tff(x)(Ba-f)
[0049] 其中
[0053] 其中，η是X近影响节点数。w(x-Xl)是节点Xl具有紧支撑性质的光滑连续权函数，在 Xi紧支撑域内部和边界的Wi=w(x-Xi)>0,在其外部WiUi是Xi节点值。
[0054] 式J= (Ba-f)TW(x) (Ba-f)对系数 a(x)进行求导，得：
[0056]即：
[0057] A(x)a(x)=D(x)f
[0058] 其中，
[0059] A(x)=BTff(x)B
[0060] D(x)=BTff(x)
[0061 ] 进而可得：
[0062] a(x)=A_1D(x)f
[0065] (12)构建方向图的指向模型:根据各波束天线方向图函数，结合各波束中心指向， 将天线增益与俯仰角和方位角相关联，得到反映指向与天线增益之间函数关系的方向图指 向模型；
[0066] 所述(12)构建方向图指向模型步骤具体为：
[0067] 俯仰角f和方位角Θ与α和邱勺转换如下式，
[0070] 式中，α为任意指向位置在平行于卫星运行方向上与星下点的夹角;β为任意指向 位置在垂直于卫星运行方向上与星下点的夹角，
[0071] 将辐射源信号任意入射方向与点波束中心之间的夹角Φ与角α和角邱勺关联：
[0073] 其中，
，α和β为辐射源信号任意入