[发明专利]高低轨双星高时变接收信号的时频差估计方法

说明书

一种高低轨双星高时变接收信号的时频差估计方法，针对高低轨双星无源被动定位系统中时频差TDOA/FDOA估计误差大及运算量大的问题，使用采集两段时间长度相等的数据，估计频差FDOA变化速率，精确计算出采集数据开始时刻的时差TDOA和频差FDOA的估计值。其实现过程是：(1)采集两段时间长度相等的数据；(2)对时频差TDOA/FDOA进行联合估计；(3)计算采集数据的开始时刻的频差FDOA和时差TDOA估计值。本发明可实现高低轨双星无源被动系统中，时差TDOA和频差FDOA高时变接收信号的时频差TDOA/FDOA快速精确估计，且具有较好的实用价值。

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及卫星通信对抗技术和卫星信号处理技术领域中的一种高时变接收信号的时频差TDOA/FDOA联合快速估计方法。本发明可用于通过高低轨两颗卫星实现面向信号源被动定位的TDOA/FDOA的估计。

背景技术

目前，TDOA和FDOA相结合的无源被动定位方法已经应用于美国TLS2000、SATID等卫星定位服务平台。由于两颗卫星的运行轨道和位置的不同，目标信号发射源到达两颗卫星的距离不同，故信号到达两颗卫星的时间存在先后，同一信号到达高低轨卫星的时间差值在此被称为信号到达时间差(Time Differences of Arrival,TDOA)。同时，高轨卫星相对于地面目标信号近似为相对静止状态，而低轨卫星相对于目标信号发射源作非匀速的高速运动，目标信号到达高低轨双星的径向速度差引起高低轨卫星接收到同一信号的载波频率不同，这种载波频率差在此被称为信号到达频率差(Frequency Differences ofArrival,FDOA)，FDOA的存在会引起低轨卫星接收信号的包络压缩或展宽，进而造成高低轨卫星两路信号的包络不完全一致，从而引起TDOA的高时变性；而目标信号到达高低轨双星的径向速度差的变化速度则会引起FDOA的高时变性。用传统例如基于互模糊函数的TDOA和FDOA估计方法来估计这种高时变性信号的TDOA和FDOA会产生较大误差，进一步会造成TDOA和FDOA相结合无源被动定位中定位不准确的问题。

杨宇翔等人在其发表的论文“高低轨双星定位中的时变时频差参数估计”(信号处理,2012,28(10):1465-1474.)中提出一种基于运动补偿的时变时频差参数估计方法。该方法认为，信号源到高轨、低轨卫星的径向距离差随时间变化近似满足匀加加速运动，将信号参数补偿方法和互模糊函数方法结合，能够有效消除运动参数的影响。但是，该方法的不足之处在于，若没有任何先验信息，需要高低轨双星体制独立完成定位时，涉及TDOA、运动参数径向速度差及其变化速度的三维搜索。因此，该方法的运算量大，时效性较差。

中国电子科技集团公司第十研究所在其申请的专利文献“双星时差/频差联合定位的方法及装置”(公开号：101915928A，申请号：201010227616.4，申请日：2010年7月14日)中公开了一种双星TDOA/FDOA联合定位的方法及装置。该方法首先利用互模糊函数方法粗估计出TDOA/FDOA，在粗估计出的FDOA两侧进行精细估计，最后在粗估计出的TDOA两侧范围内，对数据进行插值后再进行TDOA估计以提升TDOA估计的精度。该方法存在的不足之处是，仅能对TDOA和FDOA的大小是固定的信号进行精细准确的快速估计，但是在实际的双星无源被动定位系统中TDOA/FDOA都是随时间变化的，并不是固定的大小。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出了一种高低轨双星高时变接收信号的时频差估计方法。本发明利用高轨卫星和低轨卫星实现对目标信号的时差TDOA和频差FDOA快速精确估计，解决了由于多普勒频移大且变化速度快而导致时频差TDOA/FDOA估计误差大的问题，解决了利用运动补偿方法时运算量大和时效性低的问题。

实现本发明的技术思路是，在到达距离差近似满足匀加加速运动的结论基础上，通过将频差FDOA变化速率的估计和互模糊函数估计方法相结合，给出高低轨双星高时变接收信号的时频差TDOA/FDOA快速估计方法。

实现本发明目的的具体步骤如下：