مکان‌یابی پهپادها با استفاده از ماهواره‌های زمین آهنگ با استخراج تابع ابهام متقابل مبتنی بر روش FDOA/TDOA

جلالی, فاطمه; مدنی, محمدحسین

مکان‌یابی پهپادها با استفاده از ماهواره‌های زمین آهنگ با استخراج تابع ابهام متقابل مبتنی بر روش FDOA/TDOA

نوع مقاله : مخابرات - سیستم

نویسندگان

¹ دانشجوی دکتری، دانشگاه صنعتی مالک اشتر،تهران، ایران

² استاد، دانشکده برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

چکیده

با توجه به ارتباط پایانه پهپادهای دوربرد متخاصم با ماهواره‌های زمین آهنگ جهت انجام مأموریت محوله، سناریوی مکان‌یابی براین اساس طرح‌ریزی‌شده است. در این مقاله هدف، مکان‌یابی غیرفعال این پهپادها با استفاده از روش Geolocation مبتنی بر استخراج تابع ابهام متقابل با در نظر گرفتن پارامترهای TDOA/FDOA است. براین مبنا با سناریوی مبتنی بر دو ماهواره GEO (موسوم به ماهواره‌های اولیه و ثانویه) و تعبیه سه گیرنده زمینی در مکان‌های تعیین‌شده و مدل‌سازی سیگنال‌های دریافتی با استفاده از خواص تا خیرات زمانی و شیفت داپلر، مکان‌یابی صورت پذیرفته است. بدین منظور با وارد نمودن پارامترهای زمانی و فرکانسی در سیگنال‌های مدل‌سازی شده، اقدام به حل تابع ابهام متقابل سیگنال‌های باز ارسالی ماهواره‌ها که توسط گیرنده‌های زمینی دریافت شده‌اند، گردیده است. هدف این مقاله، یافتن روش‌های مناسب برای مکان‌یابی غیرفعال اهداف متحرک هوایی است. بدین منظور، با استفاده از روش تابع ابهام متقابل، محاسبه موقعیت هدف مبتنی بر TDOA و FDOA معرفی و بررسی می‌شود. این روش‌ها متناسب با اطلاعاتی است که از اندازه‌گیری‌های انجام‌شده بر روی سیگنال‌های دریافتی به‌دست‌آمده است و همچنین معیارهای مناسب برای مقایسه این روش‌ها ارائه می‌گردد. درروش پیشنهادی مدل‌سازی بر اساس دو گیرنده زمینی و یک گیرنده مرجع صورت گرفته است که در مقایسه با روش‌های مکان‌یابی ارائه‌شده برای هدف زمینی با تعداد بیش از سه گیرنده و دو ماهواره به‌صورت هم‌زمان، از پیچیدگی کمتری برخوردار است و در SNRهای مختلف بهبود عملکرد خود را حفظ کرده است. با انجام شبیه‌سازی، مقدار پیک تابع ابهام که نشان‌دهنده محل تلاقی معادلات TDOA، FDOAو معرف مکان هدف است محاسبه گردید. نتایج شبیه‌سازی‌های انجام‌شده نشان‌دهنده بهبود دقت مکان‌یابی و رسیدن به باند کرامر- رائو است. روش پیشنهادی پیچیدگی محاسباتی را در مقایسه با روش‌های موجود تا 30% کاهش داده و در SNRنزدیک به 6 دسی‌بل، دقت مکان‌یابی را به ترتیب تا 1.5 برابر بهبود می‌بخشد.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.26762935.1403.15.2.2.1

موضوعات

مخابرات- سیستم

عنوان مقاله [English]

UAVs Localization Utilizing Geostationary Satellites through Cross Ambiguity Function Extraction Based on FDOA/TDOA Techniques

نویسندگان [English]

Fatemeh Jalali ¹
MohamadHossein Madani ²

¹ PhD student, Electrical and Computer Faculty, Malek-e- Ashtar University, Tehran, Iran

² Professor, Electrical and Computer Faculty, Malek-e- Ashtar University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Regarding the connection of the terminal of hostile long-range UAVs with satellites of the ground in order to carry out the assigned mission, the positioning scenario has been planned accordingly. In this article, the aim is to passively locate these UAVs using the geolocation method based on extracting the cross ambiguity function by considering the TDOA/FDOA parameters. For this basis, positioning has been done with a scenario based on two GEO satellites (called primary and secondary satellites) and the installation of three ground receivers in designated locations and the modeling of the received signals using the properties of time delays and Doppler shift. For this purpose, by entering the time and frequency parameters in the modeled signals, the cross ambiguity function of the satellite signals received by the ground receivers has been solved. The purpose of this article is to find suitable methods for passive localization of moving aerial targets. For this, by using the method of cross ambiguity function, the target position calculation based on TDOA and FDOA is introduced and investigated. These methods are proportional to the information obtained from the measurements made on the received signals, and appropriate criteria are also provided for comparing these methods. In the proposed method, modeling is based on two ground receivers and one reference receiver. This approach has significant advantages compared to other localization methods that typically use more than three receivers and two satellites simultaneously and, its improvement in different SNR. By performing the simulation, the peak value of the ambiguity function, which indicates the intersection of the TDOA, FDOA and target location equations, was calculated. The results of the performed simulations show the improvement of positioning accuracy and reaching the Cramer-Rao band.

کلیدواژه‌ها [English]

Localization
Satellite
Geolocation
Ambiguity function
FDOA
TDOA

مراجع

[1] Guo, F.; Fan, Y.; Zhou, Y. “Space Electronic Reconaissance, Localization Theories and Methods”; John Wiley & Sons, 1st,2014. ISBN: 9781118542217.

[2] Jia, T.; Ho, K. C.; Wang, H.; Shen, X. “Effect of Motion on Time Delay and Doppler Shift Localization: Analysis and Solution”; IEEE Trans. Signal Process., 2019, 67, 5881–5895. doi: 1109/TSP.2019.2946025

[4] Zheng-bo, S.; Shang-fu,Y. “Analysis on Parameter Error of Satellite Interference Location”; APRASC, 2004, 265-268. doi: 1109/.2004.1422454

[5] Yan, H.; Cao, J.; Chen, L. “Study on Location Accuracy of Dual Satellite Geolocation System”; IEEE, ICSOP, 2010, 107-110. doi: 1109/ICOSP.2010.5656806

[6] Chestnut, P. “Emitter Location Accuracy Using TDOA and Differential Doppler”; IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., 1982, 2, 214-218 . doi: 1109/TAES.1982.309230

[7] Hao, C.; Liu, H.; Hao, K.; Wan, Q. “Satellite Interference Direct Geolocation Using Long-Time Coherent Integration”; IEEE ICCCI, 2019, doi: 1109/ICCC47050.2019. 9064270

[8] Ho, K.C; Xu, W. “An Accurate Algebraic Solution for Moving Source Location Using TDOA and FDOA Measurements”; IEEE Trans. Signal Process., 2004, 9, 2453–2463, doi: 1109/TSP.2004.831921

[9] Peters, Christopher; Thornton, “Cooperative UAS Geolocation of Emitters with Multi-Sensor-Bounded Timing and Localization Error”; IEEE Aerospace Conference, 2023, 1095323, doi: 10.1109/AERO55745.2023.10116023.

[10] Ankit, J.; Pagani, P.; Fleury, R. M.; Ney, M.; Pajusco, P. “Measurement Qualification Metrics for Passive HF Geolocation”; IEEE EuCAP, 2019, 978-88-907018-8-7. doi: 10.1109/EuCAP.2019.8740591

[11] Zou, Y.; Wan, Q. “Emitter Source Localization Using Time-of-Arrival Measurements from Single Moving Receiver”; IEEE Int. Conf. Acoust. Speech. Signal Process, 2017, 3444-3448. doi: 1109/ICASSP.2017.7952796

[12] Wu, R.; Zhang, Y. “A Novel Long-Time Accumulation Method for Double-Satellite TDOA/FDOA Interference Localization”; Radio Science AGU Publications, 2018, 53, 129-142. doi: 10/1002/2017RS006389

[13] Zou, Y.; Liu, H.; Wan, Q. “An Iterative Method for Moving Target Localization Using TDOA and FDOA Measurements”; IEEE Access, 2017, 2169-3536. doi: 10.1109/ACCESS.2017.2785182.

[14] B, Yang; Lei, W.; Qun ,C.; Nan, L. “Passive Satellite Localization using TDOA/FDOA/AOA Measurements”, IEEE Conference Anthology, 978-1-4799-1660-3, 2014. doi: 10.1109/ANTHOLOGY.2013.6784815.

[15] Jung, H.; Kang, J.; Kim, S. “EKF-based Geolocation using TDOA/FDOA Measurements in Dual-Satellite”; IEEE 13^th International Conference on Information and Communication Technology Convergence, 2022. doi: 1109/ICTC55196. 2022.9952551.

[16] Geeraret, J. L.; Mahon, J. W. “Dual- satellite Geolocation with Ephemeries Correction and Uncertainty Mapping”; IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., 2020. doi: 1109/TAES.2019. 2920045.