基于星载可移点波束天线的地面辐射源定位方法技术

本发明专利技术公开一种基于星载可移点波束天线的地面辐射源定位方法，包括：(10)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；(20)通过全球波束对该地面辐射源信号参数认知，通过可移点波束扫描得到该地面辐射源预估位置；(30)根据预估计的辐射源位置，多次测量辐射信号强度，得到辐射信号强度的空间分布；(40)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，获得辐射源位置指向；(50)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纬度。本发明专利技术射源定位方法，简单易行，无需额外星载设备。

【技术实现步骤摘要】


本专利技术属于无线通信
，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星载可移点波束天线的地面辐射源单星定位方法。

技术介绍

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，随着卫星通信的发展，卫星天线口径大、接收灵敏度高，卫星又处于开放的空间，GEO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俱增，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。
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GEO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。
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。
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。。

技术实现思路

本专利技术的目的在于提供一种基于星载可移点波束天线的地面辐射源单星定位方法，利用星载可移点波束获取辐射源的信号强度空间分布，以解方程组的形式获取辐射源位置，方法简单，容易实现，无需额外增加星载设备。
实现本专利技术目的的技术解决方案为：
一种基于星载可移点波束天线的地面辐射源定位方法，包括以下步骤：
(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；
(20)预估辐射源位置：将星载全球波束天线接收到的地面辐射源信号进行参数认知，利用可移点波束在全球波束覆盖范围内交叉扫描，根据可移点波束接收到的信号强弱变化预估该地面辐射位置；
(30)获取辐射源信号强度：根据预估计的辐射源位置，将可移点波束指向移至辐射源位置附近，并多次移动可移点波束指向，多次测量辐射信号强度，选取接收信号强度较强且中心指向位置成等边三角形的波束，结合指向信息，得到辐射信号强度的空间分布；
(40)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；
(50)获取辐射源经纬度：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纬度。
本专利技术与现有技术相比，其显著优点：
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；
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。
3、利用可移点波束实现辐射源定位，灵活性强。
下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本专利技术基于星载可移点波束天线的地面辐射源单星定位方法所涉及的流程图。
图2是本专利技术基于星载可移点波束天线的地面辐射源单星定位方法的原理图。
图3是定义α角和β角及与俯仰角和方位角θ的转换示意图。
图4是本专利技术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。
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。
图6是本专利技术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。
图7是本专利技术方法根据数据库拟合天线方向图函数的仿真结果图。
图8是本专利技术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。
图9是表1不同拟合粒度的拟合方向图函数误差情况表。
图10是表2本专利技术方法根据拟合函数求解位置指向结果表。
图11是表3本专利技术方法根据任意位置指向求经纬度结果表。
具体实施方式
如图1、2所示，本专利技术基于星载可移点波束天线的地面辐射源定位方法，其包括以下步骤：
(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；
所述(10)构建方向图指向模型步骤包括：
(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，得到星载可移点波束天线方向图函数；否则，根据可移点波束天线的设计特性及参数，获取星载可移点波束天线方向图函数；
所述(11)获取天线方向图函数步骤包括：
(111)天线方向图拟合：若天线增益与指向关系为数据库形式储存，则，
拟合函数
其中，表示一个拟合区域上的近似函数，b为基函数，
bT＝(1,x,x2)，
A(x)＝BTW(x)B，
D(x)＝BTW(x)，
fT＝(f1，f2，…，fi)，
其中，
n是x近影响节点数；m是基函数项数；w(x-xi)是节点xi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wi＝0；fi是xi节点值；
(112)方向图函数获取：针对可移点波束，假设波束中心增益为G0，那么波束增益G近似计算为，
其中，u＝2.07123sin(φ)/sin(φ3dB)，J1和J3分别是1阶和3阶第一类贝塞尔函数，
其中，φ3dB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可移点波束某一指向中心之间的夹角；D为天线口径，λ为辐射信号的波长，η为天线效率。
(12)构建方向图指向模型：根据可移点波束天线方向图函数，结合可移点波束中心指向，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。
所述(12)构建方向图指向模型步骤具体为：
其中，
为俯仰角，θ为方位角，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，α0和β0为可移点波束某一中心指向。
(20)预估辐射源位置：将星载全球波束天线接收到的地面辐射源信号进行参数认知，利用可移点波束在全球波束覆盖范围内交叉扫描，根据可移点波束接收到的信号强弱变化预估该地面辐射位置；
(30)获取辐射源信号强度：根据预估计的辐射源位置，将可移点波束指向移至辐射源位置附近，并多次移动可移点波束指向，多次测量辐射信号强度，选取接收信号强度较强且中心指向位置成等边三角形的波束，结合指向信息，得到辐射信号强度的空间分布；
所述(30)获取辐射源信号强度步骤包括：
(31)测量辐射信号强度：将可移点波束移至地面辐射源预估位置附近，结合主波束认知的该地面辐射源信号参数信息，多次测量该地面辐射源的辐射信号强度；
(32)获得辐射信号强度空间分布：结合接收本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于星载可移点波束天线的地面辐射源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：(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；(20)预估辐射源位置：将星载全球波束天线接收到的地面辐射源信号进行参数认知，利用可移点波束在全球波束覆盖范围内交叉扫描，根据可移点波束接收到的信号强弱变化预估该地面辐射位置；(30)获取辐射源信号强度：根据预估计的辐射源位置，将可移点波束指向移至辐射源位置附近，并多次移动可移点波束指向，多次测量辐射信号强度，选取接收信号强度较强且中心指向位置成等边三角形的波束，结合指向信息，得到辐射信号强度的空间分布；(40)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；(50)获取辐射源经纬度：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纬度。

【技术特征摘要】
1.一种基于星载可移点波束天线的地面辐射源定位方法，其特征在于，包括以下
步骤：
(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；
(20)预估辐射源位置：将星载全球波束天线接收到的地面辐射源信号进行参数认
知，利用可移点波束在全球波束覆盖范围内交叉扫描，根据可移点波束接收到的信号强
弱变化预估该地面辐射位置；
(30)获取辐射源信号强度：根据预估计的辐射源位置，将可移点波束指向移至辐
射源位置附近，并多次移动可移点波束指向，多次测量辐射信号强度，选取接收信号强
度较强且中心指向位置成等边三角形的波束，结合指向信息，得到辐射信号强度的空间
分布；
(40)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；
(50)获取辐射源经纬度：根据辐射源位置指向，结合地理信息与星历信息，得到
地面辐射源的经纬度。
2.权利要求1所述的地面辐射源单星定位方法，其特征在于，所述(10)构建方
向图指向模型步骤包括：
(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，得到星载可移点波束天线方向图函数；否则，根据可移点
波束天线的设计特性及参数，获取星载可移点波束天线各波束天线方向图函数；
(12)构建方向图指向模型：根据可移点波束天线方向图函数，结合可移点波束中
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。
3.权利要求2所述的地面辐射源单星定位方法，其特征在于，所述(11)获取天
线方向图函数步骤包括：
(111)天线方向图拟合：若天线增益与指向关系为数据库形式储存，则，
拟合函数
F ^ ( x ) = b T A - 1 D ( x ) f , ]]>其中，表示一个拟合区域上的近似函数，b为基函数，
bT＝(1,x,x2)，
A(x)＝BTW(x)B，
D(x)＝BTW(x)，
fT＝(f1，f2，…，fi)，
其中，
n是x近影响节点数；m是基函数项数；w(x-xi)是节点xi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wi＝0；fi是xi节点值；
(112)方向图函数获取：针对可移点波束，假设波束中心增益为G0，那么波束增
益G近似计算为，
G = G 0 * [ J 1 ( u ) 2 u + 36 J 3 ( u ) u 3 ] 2 , ]]>其中，u＝2.07123sin(φ)/sin(φ3dB)，J1和J3分别是1阶和3阶第一类贝塞尔函数，
其中，φ3dB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
射方向与可移点波束某一指向中心之间的夹角；D为天线口径，λ为辐射信号的波长，
η为天线效率，波束中心增益为G0、波束增益G的单位为dBi。
4.权利要求2所述的地面辐射源单星定位方法，其特征在于，所述(12)构建方
向图指向模型步骤具体为：
其中，
c o s θ = t a n α tan 2 α + tan 2 β , ]]>为俯仰角，θ为方位角，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，α0和β0为可移点波
束某一中心指向。
5.权利要求1所述的地面辐射源单星定位方法，其特征在于，所述(30)获取辐
射源信号强度步骤包括：
(31)测量辐射信号强度：将可移点波束移至地面辐射源预估位置附近，结合主波
束认知的该地面辐射源信号参数信息，多次测量该地面辐射源的辐射信号强度；
(32)获得辐射信号强度空间分布：结合接收信号强度强、且中心指向位置成等边
三角形的波束的指向信息，得到辐射信号强度在可移点波束天线环境下的空间分布。
6.权利要求1所述的地面辐射源单星定位方法，其特征在于，所述(40)求解辐
射源位置指向步骤包括：
(41)建立定向方程组：利用天线方向图指向模型，结合辐射信号强度空间分布，
建立由辐射源位置指向、可移点波束各指向接收辐射信号强度和天线方向图函数组成的
定向方程组；
(42)获取辐射源位置指向：运用粒子群搜索算法，对定向方程组搜索求解，得到
辐射源位置指向。
7.权利要求6所述的地面辐射源单星定位方法，其特征在于，所述(41)建立定
向方程组步骤具体为：
假设地面辐射源辐射强度为t，Lf为自由空间传输损耗，则可移点波束指向A接收
的辐射信号强度uA表示为：
t-Lf+G(φA)＝uA，
由于φA为关于α和β的函数，将G(φA)记为GA(α,β)，得：
t-Lf+GA(α,β)＝uA，
同理可得关于波束指向B和C时的链路计算方程：
t - L f + G B ( α , β ) = u B t - L f + G C ( α , β ) = u C , ]]>其中，Gi(α,β)(i＝A,B,C)为辐射源对应可移点波束三个指向获得的增益，uA、uB和uC为可移点波束接收辐射信号的强度值；
联立上述式子，化简得：
G A ( α , β ) - G B ( α , β ) - ( u A - u B ) = 0 G A ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张更新，钟锡健，谢智东，边东明，王闯，孔博，张威，葛欣星，
申请(专利权)人：中国人民解放军理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32