文章导读

定位技术通过地理坐标精确标定实体位置，在从导航通信到环境监测等诸多领域都至关重要。传统卫星定位系统面临双重误差挑战：第一，硬件层误差：接收器时延、大气折射、天线相位噪声等物理限制；第二，几何构型误差：卫星空间分布导致的精度衰减因子 (DOP)，其影响远超硬件误差。本文提出了一个用于解决卫星轨道部署的优化问题的框架，旨在视线 (LOS) 约束下最小化位置误差估计的方差，为立方星设计提供理论基石。

研究内容

本研究的情景设定涉及两个主体：一个位于地球表面的电磁波发射源，以及一组搭载接收器的卫星平台，这些接收器作为传感器对发射源进行地理定位。本研究探讨的卫星系统采用无源载荷，仅配备接收装置，能够在不依赖星上发射器或雷达的情况下捕获电磁波。

一般来说，地理位置定位可以通过多种方法实现，其中一种方法是基于到达角 (AOA) 的估算，即信号到达接收器时的入射角度。通过综合多个空间分布接收器的AOA测量数据，可以实现对信号发射源的精准三角定位。该方法基于以下原理：信号会根据发射源位置的不同而以不同角度到达各个接收器。一般而言，要实现信号的地理定位至少需要两个独立的测量方向。

测量结果主要受到两个误差源的影响，第一个误差源与单个信号接收器有关，包括时间延迟、相对论效应、大气的存在、卫星姿态、天线技术以及信噪比 (SNR) 等因素。第二个误差源则源于几何原理，被称为精度衰减 (DOP)，它是由空间中接收器的分布情况所导致的。

下表描述了卫星及其信号发射源的空间表示的数学模型，AOA测量和误差机理的模型，以及总体优化问题模型。

空间与测量建模

本研究基于双星定位系统进行了大量的模拟，目的是确定位于地球表面的一个信号发射器的位置，给出了定量结果，如下列图所示。

双星部署策略模拟

研究总结

本文针对低轨卫星星座优化问题，建立了基于到达角 (AOA) 测量的泛化理论框架。研究提出适用于任意卫星数量的位置精度衰减因子 (PDOP) 最小化模型，并通过双星部署案例验证了升交点赤经差与真近点角差的反对称特性。该成果对于一系列基于立方星平台的新型技术验证项目以及天线阵列的小型化具有重要意义。未来需进一步研究动态信噪比场景、椭球地球模型修正及多时相测量优化。

原文出自 Sensors 期刊：https://www.mdpi.com/1424-8220/25/11/3376

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/sensors

Sensors 期刊介绍

主编：Vittorio M.N. Passaro, Politecnico di Bari, Italy

期刊涵盖所有传感器科学和技术研究领域，例如物理传感器、智能传感器、传感网络、生物传感器、化学传感器、雷达、可穿戴电子设备和先进的传感材料及其在物联网、工业、农业、环境、遥感、导航、通信、车辆、成像、生物医药等领域的应用。目前期刊已被Science Citation Index Expanded (SCIE)、PubMed、EI Compendex、Scopus等数据库收录。

2024 Impact Factor：3.5

2024 CiteScore：8.2

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