基于单颗静止轨道卫星对干扰源进行定位的方法及系统

摘要

本发明实施例提供一种基于单颗静止轨道卫星对干扰源进行定位的方法及系统，所述的系统包括：信号采集装置，用于采集静止轨道卫星上的干扰信号；参考源信号发射装置，用于向所述的静止轨道卫星发送参考源信号，并接收所述的静止轨道卫星根据所述的参考源信号发送的参考源返回信号；信号处理装置，用于对所述的干扰信号以及所述的参考源返回信号的实际多普勒频移进行误差排除；干扰源定位装置，用于根据所述的干扰信号以及所述的参考源返回信号确定干扰源的位置。仅通过一颗静止轨道卫星即能实现对卫星干扰源的准确定位，大大地提升了卫星对干扰的查找能力，降低了干扰查找的诸多束缚条件。

说明书

技术领域

本发明关于无线电技术，特别是关于静止卫星通信领域，具体的讲是一 种基于单颗静止轨道卫星对干扰源进行定位的方法及系统。

背景技术

随着无线通信技术的发展，人们对于频谱资源的需求愈来愈大，“频谱枯 竭”现象日趋明显。静止卫星通信领域也不可避免地出现了由于频谱紧张等因 素而引起的无线电干扰事件，通信卫星越来越多地受到地面发射源的干扰， 这些干扰给正常的卫星广播和通信业务的正常开展带来了巨大的威胁，甚至 可能产生无法估量的社会影响。

为了应对这些射频干扰，通过受干扰卫星迅速而有效地确定地面干扰源 位置是非常必要的。当前，主要采用图1所示的双星定位系统对卫星干扰源 进行定位，主要测定访问地球同步人造通信卫星的上行链路发射机的位置。 这是通过测量上行链路信号通过两个不同的地球同步人造卫星而造成的到达 接收站的时间差（TDOA）和到达频率差（FDOA）来实现的。利用测量的TDOA、 FDOA和准确的卫星轨道信息，计算上行发射机的位置。一个卫星上行链路 发射机访问一个地球同步人造卫星（主星），上行链路天线旁瓣的一些功率会 辐射到同步的邻近卫星。如果邻近卫星（邻星）有上行接收机，这个接收机 频率和极化与发射的上行信号一致，未知信号将在邻星相应的下行链路出现。

上述的双星定位技术，是基于两颗静止卫星，通过计算干扰信号通过这 两颗静止卫星在接收站点所产生的时间差和位置差计算出干扰源的地理位 置。但是，随着轨道位置越来越密集、不同频段的大范围使用以及转发器的 利用率逐年升高等因素，双星定位技术也愈来愈受局限，即是否有符合条件 的邻星来实现双星定位技术已经成为能否成功精确定位的主要瓶颈之一。由 于卫星轨位、频段、极化、发射天线口径、覆盖等参数的影响，很多时候基 于双星定位技术是不能够进行定位，或者不能满足前面提到双星定位条件， 因此需要一种全新的定位技术来解决上述干扰定位问题。

发明内容

本发明提出一种基于单颗静止轨道卫星对干扰源进行定位的方法及系 统，通过对干扰信号进行采集，并通过一系列的后台处理，最终即可得到可 靠的干扰源位置，用于解决当前日趋增多的卫星干扰，对维护空中电波秩序， 优化卫星频率资源，维护社会稳定有不可替代的作用。

本发明的目的之一是，提供了一种基于单颗静止轨道卫星对干扰源进行 定位的方法，所述的方法包括：采集静止轨道卫星上的干扰信号；向所述的 静止轨道卫星发送参考源信号；接收所述的静止轨道卫星根据所述的参考源 信号发送的参考源返回信号；对所述的干扰信号以及所述的参考源返回信号 的实际多普勒频移进行误差排除；根据所述的干扰信号以及所述的参考源返 回信号确定干扰源的位置。

本发明的目的之一是，提供一种基于单颗静止轨道卫星对干扰源进行定 位的系统，所述的系统包括：信号采集装置，用于采集静止轨道卫星上的干 扰信号；参考源信号发射装置，用于向所述的静止轨道卫星发送参考源信号， 并接收所述的静止轨道卫星根据所述的参考源信号发送的参考源返回信号； 信号处理装置，用于对所述的干扰信号以及所述的参考源返回信号的实际多 普勒频移进行误差排除；干扰源定位装置，用于根据所述的干扰信号以及所 述的参考源返回信号确定干扰源的位置。

本发明的有益效果在于，仅通过一颗静止轨道卫星即能实现对卫星干扰 源的准确定位，大大地提升了卫星对干扰的查找能力，降低了干扰查找的诸 多束缚条件，弥补了当前主流定位技术的不足，填补了我国在卫星定位系统 的空白，极大的促进了无线电管理水平的提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有双星定位系统的原理图；

图2为本发明实施例提供的一种基于单颗静止轨道卫星对干扰源进行定 位的系统的原理图；

图3为本发明实施例中的天线系统的组成原理图；

图4为本发明实施例中的射频接收单元组成原理图；

图5为频率测量精度验证平台的结构框图；

图6为信号频率随时间的变化图；

图7为信号的频率差随时间变化图；

图8为步骤S7的具体流程图；

图9为X、Y、Z三维地固坐标系统；

图10为单星定位中地固坐标系中地球与卫星的模型；

图11为zhongxing10卫星一周内的运动轨迹图；

图12为zhongxing10卫星一天X、Y、Z方向下速度随时间的变化图；

图13为基于四阶差分法计算出的多普勒频移随时间变化图；

图14为基于四阶差分法计算出的多普勒频移变化率随时间变化图；

图15为星上转发器频率随时间的变化曲线图；

图16为小波去噪前后频率变化曲线图；

图17为拟合值与真实值的误差图；

图18为实际多普勒频移的数据筛选图；

图19为本发明实施例提供的一种基于单颗静止轨道卫星对干扰源进行定 位的方法的流程图；

图20为上行多普勒频移理论与实测波形图；

图21为经过滤波后的普勒频移与理论多普勒频移图；

图22为截取2100点至2300点的数据图；

图23为北京站经纬度定位结果图；

图24为误差随噪声标准差变化曲线图；

图25为成都站多普勒频率滤波结果图；

图26为成都站经纬度定位结果图；

图27为深圳站多普勒频率滤波结果图；

图28为深圳站经纬度定位结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于单颗静止轨道卫星对干扰源进行定位的系统，如 图2所示，未知发射源向单颗静止轨道卫星发送干扰信号，所述的定位系统 对应的定位方法具体包括：

S1：采集静止轨道卫星上的干扰信号。

在对卫星的干扰源进行定位时，首先需要保证能够接收到该卫星收到的 干扰信号。基于卫星通信的特点及不同频段的需要，在具体的实施方式中可 通过不同口径及不同馈源的抛物面天线来实现。例如，在该系统的一种实施 方式中，只对C/Ku频段的信号进行分析并定位，信号采集装置采用7.3米C/Ku 的双频段天线系统。该天线系统主要由天线主副反射面、C/Ku双频段馈源（波 纹喇叭和微波网络）、天线结构、方位－俯仰型全转台座架、方位－俯仰驱动 及其同步装置、天线控制器、射频接收单元（LNA、功分器、波导开关、C&Ku 跟踪下变频器）、跟踪接收机、安全保护装置等组成。天线系统组成原理框图 如图3所示，射频接收单元组成原理框图如图4所示。

7.3米C/Ku双频段天线系统的主要功能是接收来自地球静止轨道卫星的 无线电波信号，并将接收到的信号高质量的传输至信号处理装置。由于该定 位系统中仅需要接收C、Ku两个频段的信号，且对信号的信噪比、不同极化 的信号、不同轨道位置的卫星上的干扰、邻星泄露信号、系统噪声等方面有 较高要求，因此7.3米C/Ku双频段天线系统的主要技术指标如下：

工作频段：

C频段：3.4GHz～4.2GHz

Ku频段：10.7GHz～12.75GHz

天线增益：

C频段：≥47.3+20lg(f/3.9)dBi f单位：GHz

Ku频段：≥57.4+20lg（f/2.5）dBi f单位：GHz

极化方式：左、右旋圆极化/双线极化可选，电动线/圆极化转换，水平 和垂直线极化同时接收，电动线极化调整

线极化调整范围：±50°

天线噪声温度：（在晴天、微风10°仰角条件下）

C频段：Ta≤45°K

Ku频段：Ta≤50°K

第一旁瓣：≤－14dB

宽角旁瓣:(90%峰值满足如下包络线)：

32-25lgθ(dBi)    1°≤θ≤48°

－10(dBi)         θ＞48°

（式中θ为偏离主瓣波束的角度）

圆极化轴比：≤1.09

线极化交叉极化隔离度：≥30dB（轴向）

驻波（VSWR）：≤1.3

端口隔离：

左、右圆极化端口：≥20dB

水平、垂直线极化端口：≥35dB

C/Ku频段端口：≥35dB

馈源插入损耗：

C频段：≤0.3dB

Ku频段：≤0.45dB

C波段和Ku波段下变频器从天线接收单路射频输入，并且下变频到L波 段用于匹配处理速度。下变频器工作于扩展的RF输入范围。然而，每个基带 变频器每次只能处理500MHz频谱。因此，下变频器把RF频谱分成n个 500MHz段中的一段，并把这一段下变频到L波段。表1是有重叠的分段。

表1

射频切后单元是将切换后的L波段信号（包括Ku或C波段）作为输入， 根据定位算法的需要，将不同的输入端软件切换至不同的输出端。在本发明 中，要求至少4*4路切换开关。

本发明的其他实施方式中，可采用了两路高速宽带实时频谱仪进行信号 采集。天线是射频前端，是用来接收射频信号的，而为了进一步对信号进行 处理，需要用诸如高速宽带实时频谱仪的采集装置对信号进行采集。为了满 足足够的频率分辨率及定位算法的需要，在信号采集过程中设置了流程化的 采样。即步骤S1具体包括：

S101：设置采样中心频率。由于地面信号经过移动的转发器后，信号频 率会发生漂移，因此，要设置合适的中心频率保证能够对信号频率偏移的情 况下不丢失频率数据。

S102：设置采样带宽。根据信号可能的多普勒频移大小，预估计一个带 宽，取一定的冗余，保证在此带宽下，不丢失频率数据。本发明中，至少需 要保证采样带宽为预测的多普勒频移峰值的2.5倍。

S103：设置采样时长。由于在计算多普勒频移的时候，需要保证多普勒 频移的精度及分辨率，因此过短的采样时长不能保证分辨率，过长的时长易 引起时间延迟并导致时间不同步。并且，由于测频算法中，需要根据所设置 的采样时间，综合多种因素，选择不同的滤波方法，保证频率的精度和分辨 率。

S104：设置采样数据存储方式。由于对于不同的信号，其采样速率和采 样带宽都不一样，因此根据定位算法的需要，需要设置多长时间存储一个数 据文件并设置要采样多少个文件参与定位。本具体的实施方式中，根据中星 10的经纬度计算，在Ku频段的单载波，信号的多普勒频移大约为300Hz-400Hz 之间，因此设置了采样带宽为1KHz，采样时长为1分钟为一个单位数据文件。

S105：采集静止轨道卫星上的干扰信号；

S106：对所述的干扰信号进行频率估计；

S107：对所述的干扰信号进行筛选。

图19为本发明实施例提供的一种基于单颗静止轨道卫星对干扰源进行定 位的方法的流程图，由图19可知，基于单颗静止轨道卫星对干扰源进行定位 的方法还包括：

S2：向所述的静止轨道卫星发送参考源信号；

S3：接收所述的静止轨道卫星根据所述的参考源信号发送的参考源返回 信号；

S4：确定所述的干扰信号以及所述的参考源返回信号对应的理论多普勒 频移以及实际多普勒频移；

S5：对所述的干扰信号以及所述的参考源返回信号对应的实际多普勒频 移进行误差排除；

S6：根据所述的干扰信号以及所述的参考源返回信号确定干扰源的位置。 除了上述步骤，在本发明的其他实施方式中，本发明还包括S7：确定所述的 静止轨道卫星的频率漂移。图8为步骤S7的具体流程图，由图8可知，该步 骤具体包括：

S71：向所述的静止轨道卫星发送标准频率信号；

S72：接收所述的静止轨道卫星根据所述的标准频率信号发送的标准频率 返回信号；

S73：根据所述的标准频率返回信号确定其对应的频率。该步骤与计算干 扰信号的频率采用相同的方法，即通过采集到的标准频率返回信号，采用四 阶差分法计算出精确的频率值。

S74：确定所述的标准频率返回信号的多普勒频移。通过步骤S73计算出 精确的频率值后，恢复出有多普勒和卫星本振漂移产生的频率随时间的变化 值。

S75：根据所述的标准频率返回信号对应的频率以及多普勒频移确定所述 的静止轨道卫星的频率漂移。在具体的实施方式中，该步骤可通过将标准频 率信号与标准频率返回信号相减，即可得到卫星的频率偏差。

标准频率是提供一个精确的频率，为其他信号提供参考，如接收的干扰 信号。标准频率是用来衡量其他频率的尺度。

步骤S2具体包括：

S21：对所述的静止轨道卫星进行星历校准；

S22：对所述的静止轨道卫星进行星历数据转换；

S23：向所述的静止轨道卫星发送参考源信号。

步骤S4中确定所述的干扰信号以及所述的参考源返回信号对应的理论多 普勒频移以及实际多普勒频移。下面介绍多普勒频移的确定原理。 地球模型的建立

众所周知，一个物体的位置和它的运动情况只能相对一个参考系来确定。 适用惯性定律（即牛顿第一定律）的参考系称为惯性参考系。

在天体力学中，研究天体运动，参考系必须是惯性的。从绝对意义上来 说，任意地心坐标系统都不是惯性的。因为地球绕太阳公转，而太阳又在做 空间加速运动。但是，为了研究人造卫星运动，卫星实际上是被认为是地球 携带着，地球的这一运动将不含卫星运动所涉及的力学问题。因此，总是采 用地心系统。然而，有为了表达卫星的空间位置，又要用到站心坐标系。

定义一个空间坐标系，应包含三个要素：坐标原点、参考平面（XY平面） 和参考平面上的主方向（X轴方向）。

在该实施例中，采用了如图9所示的地固坐标系统，即认为地球是相对 静止的。

在卫星通信中，静止轨道卫星的轨位一般都是以经度来表示。本实施例 中，以中星10为实际干扰定位的卫星载体。中星10官方轨位位于东经110.5 度，根据此轨道位置，可以根据地心坐标系转换成地固坐标系下的经纬度。 设定坐标系的零经线为格林威治子午线。

设椭球长半轴为a，短半轴为b，变率倒数为1/f，那么

式中：v为维度处的卯酉圈曲率半径，和λ分别为坐标点的维度和经度，

h为相对椭球面的高度，

e为椭球第一偏心率，e²=(a²-b²)/a²=2f-f².

该实施例中，中星10的轨道经度为110.5°，可以预测出该卫星在地固坐 标系中的位置为：

X=-14766144.0234

Y=39493846.18746944

Z=0.00000

单位：米

接收站点的地理位置为:

经度：116.25311

维度：39.660222

经过计算，接收站点在此坐标系下的坐标为：

X=-2172438.491219755

Y=4403331.893923063

Z=4070634.2545

根据上述模型，可以得出如图10所示的直观单星定位图形：

卫星位置在坐标系中的表示

建立上述坐标系后，需要根据卫星的实时位置及速度信息，计算出不同 时刻的信号经过卫星转发器后所产生的多普勒频移。因此，如果计算出卫星 的实时坐标是决定定位问题的基础。本实施例中采取星历（即卫星的实时信 息）转换的方式获取精确星历数据。根据参考网络定期提供的六根轨道根数， 将其转换成地固坐标系下的六参数：位置X、Y、Z坐标及速度V_x、V_y、V_z。 可以计算出中星10（E110.5度）卫星的运动轨迹及速度变化轨迹。如图12 和图13所示。此处提及的参考网络和因特网不是一个概念，在需要的情况下， 还将根据现有的参考源网络（参考源分布）（即全国各地都有的参考源发射用 于计算卫星的精确轨道）。

从图12可以看出，卫星在其轨迹附近做类似螺旋运动，运动幅度在数十 公里以内。卫星在其轨迹附近运动时，其速度在不同方向（X、Y、Z三个方 向）是变化的，速度幅度约为2-3米/秒。zhongxing10卫星一周内的运动轨迹 如图11所示。

理论多普勒频移及变化率的计算

在地固坐标系下，建立了地球和卫星的状态方程后，并根据卫星的实时 轨道位置参数，根据多普勒频移计算公式能够分别计算出上行和下行产生的 多普勒频移：

$\mathrm{doppler}\_f_u=-f_u*\frac{\overrightarrow{v}}{c}·{\overrightarrow{e}}_r$

$\mathrm{doppler}\_f_d=-f_d*\frac{\overrightarrow{v}}{c-\overrightarrow{v}·{\overrightarrow{e}}_r}·{\overrightarrow{e}}_r$

doppler_total=doppler_f_u+doppler_f_d

其中doppler_f_u和doppler_f_d分别是上行多普勒频移和下行多普勒频移， doppler_total为卫星移动产生的总的多普勒频移。C为光速，大小为 2.99997*10⁸,f_u为上行信号的中心频率，f_d经卫星转发器转后下行信号的中心 频率，卫星的速度矢量，为地球张指向卫星的单位方向矢量。根据每一分 钟卫星的星历数据，每一分钟可以计算出一个多普勒频移。

实际多普勒频移及变化率的测量

在单星定位初期，采用单载波信号进行仿真，若为调制信号，则可以将 其转化为单载波信号后进行估计。目前单载波信号的估计算法较多且较成熟。 本实施例中采用了时域中四阶差分法。

时域法的基本思想是对信号瞬时相位进行差分，来得到频率的估计值。 由于一阶差分会产生较大的误差，一般多采用多阶差分，利用其平滑滤波效 应来降低差分噪声。比较典型的是最优多阶差分滤波器，这里采用4阶差分 滤波器，其表达式为：

y(k)=0.0464Δ₁+0.0846Δ₂+0.1084Δ₃+0.1148Δ₄

其中Δ_k＝x(n+k)-x(n-k)，{x(n)}为原始信号相位序列。

该方法相对计算量小，实现简单，但对各种噪声的影响非常敏感，将会 降低信号的估计方差。图13和图14为实际测量并通过四阶差分算法计算出 的多普勒频移及变化率随时间变化图。

因此，步骤S4具体包括S41：根据所述的干扰信号以及所述的参考源返 回信号确定实际多普勒频移；

S42：根据所述的静止轨道卫星的轨道位置参数确定所述的静止轨道卫星 的理论多普勒频移；

S43：将所述的实际多普勒频移以及所述的理论多普勒频移进行同步。

步骤S5具体包括：

S51：排除所述的静止轨道卫星的频率漂移引起的误差；

S52：排除所述的静止轨道卫星由于温度变化引起的误差；

S53：排除所述的静止轨道卫星由于星历引起的误差；

S54：排除由所述的干扰信号以及所述的参考源返回信号确定实际多普勒 频移时产生的误差；

S55：对所述的实际多普勒频移进行筛选。

实际多普勒频移的误差主要包括：静止轨道卫星漂移引起的误差；星历 准确性引起的误差；测频算法引起的频率误差；接收端引起的频率误差。下 面逐一介绍对各种误差的排除方式。

a．静止轨道卫星漂移引起的误差，主要包括如下两种：卫星本身漂移引 起的误差；卫星随温度周期变化引起的误差。

1.卫星本身漂移引起的误差

本发明中，对卫星移动引起的多普勒频移的量级及大小要求非常高，在 精确计算有卫星运动引起的多普频差外，还需要剔除有本振本身引起的误差。 可以通过两信道同步的方式去除一部分。即在接收干扰源的同时，另一路信 道同时采集由自参考源发射的标准频率校准信号，并对该两路信号进行严格 时间同步，计算下行接收站信号的频率对时间的变化并同时计算出该时段的 理论多普勒频移（仅由卫星运动引起的频率偏移），两个量做差运算，即可得 卫星本振引起的频率漂移。星上转发器频率随时间的变化曲线如图15所示。

本振随温度周期变化引起的误差

在卫星收发系统中，同步卫星和地面上的收发机之间的相对运动引起多 普勒效应，使得通信信号频率产生多普勒频移。多普勒频移信号中包含收发 机地理坐标、运动速度等重要信息。因此对该信号捕获、跟踪以及有效地分 析会对无线电监测、定位起到至关重要的作用。但是在宽温度范围估计多普 勒频移的过程中，发射机以及接收机本振频率的稳定度是测量误差的影响因 素之一。由于晶体振荡器本身的不稳定性，特别是在温度变化时频率漂移较 大，制约了估计结果的准确度。这里以上行多普勒信号为例，表示为

f_up(t)=f_d(t)+Δf(t)

式中f_d(t)表示卫星相对于地面发射端的多普勒频移理论值，Δf(t)表示由 温度引起的频移偏差。可以看出如何消除温度引起的频率漂移是实现多普勒 频移精确跟踪的关键。通过大量实测与仿真实验，发现对于一个固定的发射 端，国内多个监测站所获得的多普勒频移的理论波形相差十分微小。因此在 该实施例中将北京监测站的多普勒频移理论波形作为参考，将其与实际接收 波形做差，即

$\mathrm{\Delta f}\left(t\right)=f_{\mathrm{up}}\left(t\right)-f_d^{\mathrm{bj}}\left(t\right)$

然后对频偏Δf(t)进行拟合得到在采样多项式拟合时，不要选择过 高的阶数，通常选择4-5阶为宜。最后用接收波形减去拟合的结果

${\stackrel{⩓}{f}}_d\left(t\right)=f_{\mathrm{up}}\left(t\right)-\Delta \stackrel{⩓}{f}\left(t\right)$

得到校准后的波形。此处校准的波形是用算法来剔除奇异点，并将频率 值做均值处理，使处理后的数据平坦。

b．星历准确性引起的误差

为了精确计算多普勒频移，星历的准确性是基础。本发明中，一方面采 用定期从网站对星历进行更新，另一方面，采用测轨系统定期对卫星进行测 控，及时更新星历。

c．测频算法引起的频率误差

采用四阶最优差分滤波的方法作为频率估计方法。由于多普勒频率随时 间较慢的连续变化，且估计结果会存在随机噪声，因此必须对估计序列进行 处理。

考虑到多普勒频率最大变化率为1Hz/分钟，而定位所需精度至少为 10^-2~10^-1Hz的量级。为最大程度避免估计不确定度的影响，将1s内的估计结 果进行平均，由于在1s内的最大Doppler频率变化为10^-2量级，可以认为其 对定位结果不构成主要影响。

尽管采用1s内估计结果进行平均的处理方法可以很大程度缓解估计随机 噪声的影响，但是处理后的结果仍存在一定分量的随机噪声。为便于准确获 得多普勒变化率等参数，需要采用进一步的方法进行处理来得到平滑的频率 变化曲线。

本实施例中采用基于多项式拟合的方法来进行，采用10阶的多项式进行 拟合,可以得到较正确的平滑曲线如图16和图17所示，由图16可以看出，实 测值基本分布在拟合值的两边，可以较好的描绘出真实值的变化趋势。拟合 值可以较好的反映真实值的变化趋势。在1s的数据下并经拟合处理后，其估 计精度至少应可以保持在10^-1Hz数量级。

d．接收端引起的频率误差评估与消除

任何硬件，由于热噪声、晶振的稳定度等影响，其频率响应特性都不可 能恒定。因此为了避免各个环节所引起的频率漂移引起的定位误差，在接收 端采用了标准频率校准接收机及采集设备的方式，保证接收端接收到的信号 误差在10^-3的精度。

本实施例中，核心内容之一就是精确估计某一信号经过单颗同步地球轨 道卫星并转发到地球站时产生的多普勒频移。由于地球运动速率仅为数米每 秒，产生的多普勒频移量级（Ku频段时）为150Hz左右。因此，在经度方向 上，定位精度要在十公里以内，需要测频精度为0.1Hz的量级。在维度方向 上，定位精度要在十公里以内，需要测频精度为0.01Hz的量级。因此，对于 标准C频段（下行3.4GHz-4.2GHz、上行5.625GHz-6.425GHz）和标准Ku频 段（下行12.25GHz-12.75GH、下行14.475GH-14.975GHz）,要保证维度下的 0.01Hz的经纬度量级，则需要参考源信号发射装置本身带来的频率误差小于 0.01Hz。基于此，在具体的实施方式中，还可包括标准频率模块，其功能是 为参考源信号发射装置提供一个频率误差小于0.01Hz标准频率参考。

对于Ku频段，要满足0.01Hz的频率精度，则需要引入标准参考频率的 精度量级为1.0E-12，对于C频段,要满足0.1Hz的频率精度，则需要引入标准 参考频率的精度为5E-12。本发明中，引入了铷钟作为定位的标准频率参考。 为了保证进一步的定位精度，可以引入铯钟作为信号参考。

某款铯钟（5071A）的技术参数如下：

性能参数

精度:±1.0E-12

预热时间(典型值):30minutes

重复性:±2.0E-13

设置参数

范围:±1.0E-9

分辨率:1.0E-15

稳定性

不同时间（s）的稳定性

1        <    1.2E-11

10       <    8.5E-12

100      <    2.7E-12

1,000    <    8.5E-13

10,000     <    2.7E-13

100,000    <    8.5E-14

长期       <    5.0E-14

相位噪声

Offset(Hz)     5MHz输出

1          <    -95dBc

10         <    -130dBc

100        <    -145dBc

1,000      <    -155dBc

10,000     <    -155dBc

100,000    <    -160dBc

为了保证能够达到定位精度的要求，可通过下述的验证系统对频率测量 精度进行验证，验证平台的示意图如图5所示。发射频率为一个4GHz的单载 波信号，该信号发生器采用外部高精度参考源进行频率校准，并采用两台某 型号的高速采集设备对信号进行采集，采样速率为10kbs，每一分钟存储一个 文件，采样时间为2个小时。经过实际多普勒频移及变化率的计算算法，计 算出的两路信号的频率随时间变化如图6所示，两路信号的频率变化的差值 如下图7所示。

从图6可以看出，在对干扰信号采集时，需要保证信号采集设备、标准 频率参考等需要高精度频率的设备有足够的时间预热。预热时间要保证半个 小时以上。由于两台设备固有本振的差别，计算出的两路信号其频率变化规 律严格一致。

图7给出的是对两路信号计算的频率相减，以得到信号频率随时间的变 化大小。由图可以看出，两路信号的频率差变化在0.01Hz的量级，这一方面 说明目前的采集设备具有一定的采集精度，另一方面说明频率估计算法有较 高的精度保证。

步骤S6具体包括：

S61：对所述的实际多普勒频移进行滤波处理；

S62：从所述的滤波后的实际多普勒频移中提取有效数据；

S63：根据所述的有效数据确定与所述的干扰信息对应的干扰源的位置。

首先对实际多普勒频移进行数据筛选。由于采集的下行信号的频率变化 有以下几个部分组成：上行频率漂移、实际多普勒频移、卫星本振频移、接 收端设备频率漂移等。在这四部分构成中，由于上行频率漂移是不可控的， 其他几部分的频率变化是可以根据一定的技术和算法进行消除。因此，为了 保证从接收端的信号中精确得到卫星运动引起的多普勒频移，且受上行频率 漂移影响最小，则需要引入信号筛选机制和方法，剔除上行信号频率变化较 大的部分，并形成成型的算法。本发明中，提出了滑动均值滤波的方法，并 根据多普勒频移的峰值来生产相应的滤波参照函数，并采用最大似然估计的 方法，求出多普勒频移最好的一段，并与理论多普勒频移同步，并最终实现 定位算法，进一步提升定位精度。实际多普勒频移的数据筛选图如图18所示。

基于粒子滤波的定位算法是近年来提出的一种适于非线性非高斯场合的 滤波方法。由于多普勒频移是一个随时间变化的量，但是由于除了固有多普 勒频移变化之外，还有很多因素都会引起频率随时间变化，需要用一种适合 于该变化的滤波方法对频率变化进行滤波。粒子滤波的核心思想就是利用大 量随机样本及其相应权值毕竟所要求的后验概率分布。从贝叶斯理论来看， 跟踪问题就是在给定观测数据z_1:k(下标1:k表示1到k时所有数据)的情况下， 递归计算当前的系统状态X_K。粒子滤波就是要利用序贯蒙特卡洛的方法毕竟 状态后验分布p(X_K|z_1:k)，即通过从后验概率分布采集带有权重的样本集 用该样本集表示后验分布：

$\stackrel{⩓}{P}\left(X_K\right|z_{1:k})\approx \underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{w}_k^i\delta (X_k-X_k^i)$

式中δ(·)为狄拉克函数；N为所用粒子数目。

本发明中，根据卫星直角坐标系和卫星各项参数，并利用粒子滤波的算 法建立状态方程和粒子，如下：

a.多普勒频移计算公式

k时刻卫星直角坐标χ_s=[x_s，k，y_s，k，z_s,k]^T，卫星速度υ=[v_x，k,v_y，k,v_z,k]^T，接收端 直角坐标χ_r＝[x_r，k，y_r，k，z_r，k]^T，目标经纬度为转换成直角坐标为 χ_t＝[x_t，y_t，z_t]^T，其中

，且v=6378000为地球半径,h=35786000为轨位离地面高度。

设d_s→t=[x_s,k-x_t,y_s,k-y_t,z_s,k-z_t]^T，并对其归一化，有d_s→t=d_s→t/||d_s→t||₂。

设d_s→r=[x_s,k-x_r,y_s,k-y_r,z_s,k-z_r]^T，并对其归一化，有d_s→r=d_s→r/||d_s→r||₂。

计算上行多普勒频移，有其中f_u0是卫星上行中心频率， c₀＝3e⁸表示光速。计算下行多普勒频移，有其中f_d0是 卫星下行中心频率。则总多普勒频移可表示为f_total＝f_up+f_down。

b.基于粒子滤波算法的单星定位

（1）运用粒子滤波算法对多普勒频移信号进行滤波；

（2）对经过滤波后的信号进行有效数据提取，并将其再次经过粒子滤波 得到目标经纬度的估计。

具体算法如下：

利用粒子滤波算法对单星定位问题进行建模，构建状态空间方程及观测 方程。

状态空间方程：

由于干扰源位置固定不变，则有：

其中，和是均值为0，方差分别为和的高斯白噪声。 观测方程：

其中f_total，k表示k时刻地面接收端实测多普勒频移，表示多普勒频 移理论值，其可表示为与干扰源经纬度有关的函数，u_k表示噪声，其中包括 频率漂移及环境噪声。

产生粒子和其中i＝1,2,...,N，N表示粒子 数量。

更新粒子状态：

${\theta }_k^i={\theta }_{k-1}^i+n_k^{\theta },$

计算得到重要性权重

并归一化，对粒子进行重采样。将表示经纬度的粒子和带入函数h(□) 得到并对其进行加权平均，得到对多普勒频移的估计

接下来，需要对滤波器输出信号进行数据截取，选择多普勒频移变 化率最大的一段数据。对截取后的信号再次进行粒子滤波，这一次的目标是 对干扰源的经纬度和进行估计，同样需要产生粒子和 更新粒子状态、计算重要性权重及粒子重采样，最后得到干 扰源经纬度估计为：

${\stackrel{⩓}{\theta }}_k=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\theta }_k^i{w}_k^i$

本发明还提供了一种基于单颗静止轨道卫星对干扰源进行定位的系统， 如图2所示，未知发射源向单颗静止轨道卫星发送干扰信号，所述的定位系 统具体包括：

信号采集装置，用于采集静止轨道卫星上的干扰信号；

参考源信号发射装置，用于向所述的静止轨道卫星发送参考源信号，并 接收所述的静止轨道卫星根据所述的参考源信号发送的参考源返回信号；

多普勒频移确定装置，用于确定所述的干扰信号以及所述的参考源返回 信号对应的理论多普勒频移以及实际多普勒频移；

信号处理装置，用于对所述的干扰信号以及所述的参考源返回信号的实 际多普勒频移进行误差排除；

干扰源定位装置，用于根据所述的干扰信号以及所述的参考源返回信号 确定干扰源的位置。

所述的参考源信号发射装置包括：

标准频率信号发射模块，用于向所述的静止轨道卫星发送标准频率信号；

标准频率信号接收模块，用于接收所述的静止轨道卫星根据所述的标准 频率信号发送的标准频率返回信号；

所述的信号处理装置包括：

第一确定模块，用于根据所述的标准频率返回信号确定其对应的频率；

第二确定模块，用于确定所述的标准频率返回信号的多普勒频移；

第三确定模块，用于根据所述的标准频率返回信号对应的频率以及多普 勒频移确定所述的静止轨道卫星的频率漂移。

所述信号采集装置具体包括：

第一设置模块，用于设置采样中心频率以及采样带宽；

第二设置模块，用于设置采样时长以及采样数据存储方式；

采集模块，用于采集静止轨道卫星上的干扰信号；

所述的信号处理装置还包括：

频率估计模块，用于对所述的干扰信号进行频率估计；

筛选模块，用于对所述的干扰信号进行筛选。

所述的系统还包括：

星历校准装置，用于对所述的静止轨道卫星进行星历校准；

星历转换装置，用于对所述的静止轨道卫星进行星历数据转换。

所述的多普勒频移确定装置具体包括：

实际多普勒频移确定模块，用于根据所述的干扰信号以及所述的参考源 返回信号确定实际多普勒频移；

理论多普勒频移确定模块，用于根据所述的静止轨道卫星的轨道位置参 数确定所述的静止轨道卫星的理论多普勒频移；

同步模块，用于将所述的实际多普勒频移以及所述的理论多普勒频移进 行同步。

所述的信号处理装置包括：

第一误差排除模块，用于排除所述的静止轨道卫星的频率漂移引起的误 差；

第二误差排除模块，用于排除所述的静止轨道卫星由于温度变化引起的 误差；

第三误差排除模块，用于排除所述的静止轨道卫星由于星历引起的误差；

第四误差排除模块，用于排除由所述的干扰信号以及所述的参考源返回 信号确定实际多普勒频移时产生的误差；

筛选模块，用于对所述的实际多普勒频移进行筛选。

干扰源定位装置具体包括：

滤波模块，用于对所述的实际多普勒频移进行滤波处理；

提取模块，用于从所述的滤波后的实际多普勒频移中提取有效数据； 定位模块，用于根据所述的有效数据确定与所述的干扰信息对应的干扰源的 位置。

以下结合具体的实施例，详细介绍本发明的技术方案。在北京、成都、 深圳三个城市发射干扰源，并经过zhongxing10（E 110.5°）转发，在北京（经 度116.25311，维度39.660222）对干扰源进行采集并发射参考源信号，最终 定位，定位结果可靠，精度大约在100公里左右。结合卫星上行台站分布及 地面干扰快速查找的能力，能够有效对干扰进行确定并锁定。

1）北京站定位结果统计

经过信号优化及筛选算法后，从多普勒频移信号中筛选2100点-2300点 作为实际多普勒频移进行定位。图20为上行多普勒频移理论与实测波形图； 图21为经过滤波后的普勒频移与理论多普勒频移图；图22为截取2100点至 2300点的数据图；图23为北京站经纬度定位结果图；图24为误差随噪声标 准差变化曲线图。

表1北京站定位误差

2）成都站数据结果

经过信号优化及筛选算法后，从多普勒频移信号中筛选2200点-2400点 作为实际多普勒频移进行定位。图25为成都站多普勒频率滤波结果图；图26 为成都站经纬度定位结果图。

表2成都站定位误差

3）深圳站数据结果

经过信号优化及筛选算法后，从多普勒频移信号中筛选2200点-2400点 作为实际多普勒频移进行定位。图27为深圳站多普勒频率滤波结果图，图28 为深圳站经纬度定位结果图。

表3深圳站定位误差

综上所述，本发明的有益成果是：提供了一种基于单颗静止轨道卫星对 干扰源进行定位的方法及系统，通过仅仅一颗静止轨道卫星即能实现卫星干 扰源定位，大大地提升了卫星干扰的查找能力，降低了干扰查找的诸多束缚 条件，弥补了当前主流定位技术的不足，填补了我国在卫星定位系统的空白， 极大的促进了无线电管理水平的提高。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以 上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于 本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上 均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。