低轨卫星无源定位关键技术研究

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随着电子信息技术的发展,电子战在军事领域得到了广泛的应用,电子侦察技术通过捕获信号解析出敌军通信中的重要信息,是电子战的先决条件。近年来,低轨卫星互联网的发展势头迅猛,卫星定位作为电子侦察一直以来的主要手段,成为各国研究热点。根据信号源的不同,卫星定位应用于有源定位和无源定位两大场景,有源定位要求卫星装载大功率发射器件,卫星负载压力大且易被敌军反侦察,无源定位则成为主流定位方法,得益于其隐蔽性高、卫星体积小和重量轻的特点。实时性和定位精度是卫星定位的主要指标,单星定位需积累多普勒信息,实时性差,定位过程存在模糊点,三星定位组网方便,卫星间传输时延小,实时性好,但非线性方程求解存在初值问题和局部收敛问题。本文则针对单星定位模型和三星定位模型,以消除定位模糊和提高定位精度为目标展开研究。本文建立了单星和三星定位模型,详细推导了两种模型的定位误差CramerRao下界。针对单星定位模型,研究了基于多普勒频率的定位算法和基于多普勒频率变化率的定位算法,由于多普勒效应在星下点轨迹两侧具有对称性,既容易漏选真实定位点,也无法得到唯一定位点。本文首先将星下点轨迹进行函数化表示,仅留下一个真实定位点和一个模糊定位点,其次提出分时重访解定位模糊和协同解定位模糊两种方法,剔除模糊定位点。在三星定位模型中,正球面模型坐标转换带给三星时差定位Chan算法较大误差,本文将Chan算法的定位结果作为Newton迭代时差定位法的初始点,定位误差逼近了时差定位模型的Cramer-Rao下界。三星时频差定位方程具有非线性和超定的特点,本文将非线性问题转化为优化问题,频差方程作为约束,定位精度提高。在低TDOA测量误差条件下,FDOA测量误差对定位产生较大影响,设计权重曲线,融合优化模型算法和Newton迭代算法,削弱FDOA测量误差的影响。引入频率变化率差,增加卫星加速度信息,建立新的三星定位模型,Cramer-Rao理论误差进一步减小。除了在算法上对卫星定位进行优化,本文讨论了定位模型中对定位精度有影响的因素,对以上因素建立理论误差模型,进行仿真对比。在单星定位中,信号载频越大、观测时长越长、轨道高度越低,定位精度越高,在三星定位中,测量噪声相关系数与定位误差呈负相关,并得到了最优三星构型。
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