楚恒林,李獻(xiàn)球

（北京環(huán)球信息中心,北京 100094）

0 引言

1990年以來(lái)衛(wèi)星通信等業(yè)務(wù)迅速發(fā)展,而地面空間有意或無(wú)意的干擾對(duì)系統(tǒng)的威脅也日益增加。據(jù)歐洲電信衛(wèi)星組織（EUTELSAT）的有關(guān)報(bào)告,每年都會(huì)出現(xiàn)數(shù)百次衛(wèi)星系統(tǒng)受干擾事件。從我國(guó)衛(wèi)星系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用來(lái)看,人為干擾事件也時(shí)有發(fā)生。為了避開干擾,一方面要對(duì)空間頻率資源進(jìn)行合理劃分和有效保護(hù);同時(shí)也要采取迅速而有效的措施來(lái)監(jiān)測(cè)定位干擾信號(hào)。

面對(duì)越來(lái)越多的干擾事件,以及對(duì)接收機(jī)及衛(wèi)星的直接攻擊和干擾,必須研究對(duì)衛(wèi)星和接收機(jī)干擾的監(jiān)測(cè)和定位技術(shù),同時(shí)星載干擾監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)是勢(shì)之所趨。

1 干擾源監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)

1.1 干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)

常規(guī)的干擾監(jiān)測(cè)與定位只是一個(gè)局部系統(tǒng),應(yīng)該建立一個(gè)一體化的干擾監(jiān)測(cè)與定位技術(shù),既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于衛(wèi)星信號(hào)干擾的監(jiān)測(cè)與定位,也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地面用戶的干擾監(jiān)測(cè)與定位。干擾監(jiān)測(cè)與定位設(shè)備有機(jī)載設(shè)備、車載設(shè)備和地面設(shè)備。

地面干擾監(jiān)測(cè)設(shè)備由地面干擾監(jiān)測(cè)設(shè)備和衛(wèi)星信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備組成。主要包括:干擾監(jiān)測(cè)測(cè)向天線、定向接收天線、干擾信號(hào)監(jiān)測(cè)接收模塊、衛(wèi)星信號(hào)監(jiān)測(cè)接收模塊等。地面干擾監(jiān)測(cè)設(shè)備如圖1所示。

圖1 地面干擾監(jiān)測(cè)設(shè)備組成示意圖

地面固定監(jiān)測(cè)與車載式監(jiān)測(cè),二者的工作模式有一定的區(qū)別。

車載干擾監(jiān)測(cè)主要組成示意圖如圖2所示,車輛頂端安裝一個(gè)多陣元天線陣,每個(gè)天線陣元的射頻信號(hào)下變頻到中頻,然后進(jìn)行A/D采樣。從A/D出來(lái)的數(shù)字信號(hào)再經(jīng)過(guò)帶通濾波和下采樣,最后信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)實(shí)時(shí)的自適應(yīng)數(shù)字波束形成器。為了保證天線陣各個(gè)方位角的角分辨率,可以選擇圓形天線陣,一個(gè)陣元位于圓心,其余天線陣元均勻分布圓上,為了保證DOA的估計(jì)精度,天線間隔應(yīng)該盡量大。

圖2 車載干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

在波束形成之前,利用從天線通道提取的原始信號(hào)可以估算出干擾信號(hào)的到達(dá)方向（DOA）。因此,只要估計(jì)出干擾源在天線陣不同位置的DOA值,然后由三角測(cè)量法就可以估計(jì)出干擾源的位置。

1.2 干擾源定位技術(shù)

對(duì)干擾源的定位,一般要給出干擾源的三維參數(shù):方位角、距離、離地高度。

目前干擾源定位技術(shù)主要包括:基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（TDOA）定位技術(shù),即測(cè)時(shí)差定位;基于信號(hào)到達(dá)角（AOA）定位技術(shù),即測(cè)向定位;基于信號(hào)到達(dá)頻率差（FDOA）定位技術(shù)。圖3非常直觀地給出了這3種干擾源定位技術(shù)的區(qū)別與聯(lián)系。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí),通常選擇幾種技術(shù)相結(jié)合的方式,以取長(zhǎng)補(bǔ)短獲得更好的性能。如TDOA與FDOA相結(jié)合,可以彌補(bǔ)TDOA對(duì)運(yùn)動(dòng)干擾源定位時(shí)間的滯后性。三角測(cè)量法與弧線相交法相結(jié)合,可以有效地克服DF系統(tǒng)誤差及數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差的影響,達(dá)到較高的精度。

圖3 干擾源定位技術(shù)分類

2 干擾轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星信號(hào)的監(jiān)測(cè)與定位

2.1 基于地面對(duì)衛(wèi)星干擾信號(hào)的監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)

與地面干擾監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)一樣,對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)的監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)主要有2種:①基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（TDOA）定位技術(shù),即測(cè)時(shí)差定位;②基于信號(hào)到達(dá)角（AOA）定位技術(shù),即測(cè)向定位。

到達(dá)時(shí)間差（TDOA）干擾源定位技術(shù)目前已經(jīng)在民用衛(wèi)星通信系統(tǒng)中應(yīng)用。到達(dá)時(shí)間差定位也稱為雙曲線（面）定位,它是通過(guò)處理信號(hào)到達(dá)多個(gè)接收站之間的時(shí)間差來(lái)確定目標(biāo)位置,從幾何意義上理解是從多個(gè)等值測(cè)量的定位雙曲線（面）來(lái)尋找其交點(diǎn)。TDOA定位一般是由處于相同軌道的兩顆衛(wèi)星相互配合來(lái)實(shí)現(xiàn),其中一顆為受干擾衛(wèi)星,另一顆輔助衛(wèi)星是可以利用的鄰近衛(wèi)星,如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星干擾源定位原理

在三維空間坐標(biāo)系中,利用2顆衛(wèi)星接收干擾信號(hào)的TDOA定位方法只能夠確定干擾源所在一條雙曲線,而無(wú)法確定干擾源的確切位置點(diǎn),這就是TDOA定位的模糊問題。為了精確測(cè)量干擾源的空間位置,還必須采取輔助測(cè)量措施。例如利用到達(dá)頻率差（FDOA）測(cè)量信息,或采用干涉方法解模糊等。在實(shí)際應(yīng)用中,地面干擾信號(hào)泄漏至相鄰衛(wèi)星的功率往往是十分微弱的,比正常接收信號(hào)電平一般要低30～40dB,采用傳統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)方法是無(wú)法檢測(cè)的,因此地面監(jiān)控站需要采用弱信號(hào)相關(guān)檢測(cè)等高靈敏度接收技術(shù),至少具有60dB以上的處理增益。

測(cè)向定位是最早出現(xiàn)且廣泛應(yīng)用的一種定位方法。對(duì)處于中、低軌道衛(wèi)星,由于能夠利用星地之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息,實(shí)現(xiàn)測(cè)向定位要相對(duì)容易些。但對(duì)于地球同步軌道衛(wèi)星,上述連續(xù)測(cè)向方法就不再適用了。結(jié)合衛(wèi)星天線多波束特性來(lái)測(cè)定干擾源的空間位置,是近年來(lái)衛(wèi)星干擾源技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。日本通信綜合研究所（CRL）的研究人員通過(guò)工程試驗(yàn)衛(wèi)星ETS-VI的S波段多波束相控陣天線進(jìn)行了干擾源定位實(shí)驗(yàn),其定位方法為單脈沖比幅測(cè)量;同時(shí)他們還進(jìn)一步研究了用于抑制干擾信號(hào)的自適應(yīng)波束形成技術(shù)。

測(cè)時(shí)差定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的正常運(yùn)行影響較小,但它要求2顆衛(wèi)星能同時(shí)接收到干擾信號(hào)電平,否則就無(wú)法正常測(cè)得干擾源位置。測(cè)向定位技術(shù)無(wú)需其他衛(wèi)星協(xié)助,僅利用受干擾衛(wèi)星就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾源的定位。但傳統(tǒng)測(cè)向方法（如最大信號(hào)法等）的定位精度較低,應(yīng)用范圍受到限制。以陣列信號(hào)處理為基礎(chǔ)的空間譜估計(jì)技術(shù)（如最大似然估計(jì)法、特征分解方法以及熵譜估計(jì)法等）突破了瑞利極限,具有很高的估計(jì)精度和空間分辨性能,可同時(shí)對(duì)多個(gè)輻射源進(jìn)行定位。但其在進(jìn)行方位搜索時(shí)需要巨大的計(jì)算量,且天線模型誤差及天線指向誤差對(duì)定位精度影響較大。

2.2 星載干擾源監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)

衛(wèi)星干擾源定位是地面干擾源定位技術(shù)在衛(wèi)星領(lǐng)域的應(yīng)用,但有別于地面干擾源定位技術(shù)。

首先,定位設(shè)備的載體不同,地面干擾源監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)可以是車載的,也可以是固定站;而星載干擾監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)則受到體積、大小、重量以及功耗的限制。其次,二者側(cè)重點(diǎn)不同,多徑效應(yīng)的影響是地面干擾監(jiān)測(cè)與定位要解決的重點(diǎn)問題之一,而星載干擾監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)則無(wú)需考慮。三是所采用的天線形式不同,地面干擾監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)一般用無(wú)方向性天線組成天線陣來(lái)進(jìn)行測(cè)向,而星載干擾監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)一般采用多波束天線,前者假設(shè)各天線陣子接收到的信號(hào)是等幅的,它利用信號(hào)入射角不同而在各陣子上引起的相位差不同進(jìn)行測(cè)向,而星載多波束天線一般不考慮各波束接收到的信號(hào)相位差的影響,它是利用各波束接收到的信號(hào)幅度不同進(jìn)行測(cè)向定位。

以空間譜估計(jì)原理為基礎(chǔ)的先進(jìn)測(cè)向技術(shù)可以有效解決密集信號(hào)環(huán)境中多個(gè)輻射源的高分辨率、高精度測(cè)向定位問題。

衛(wèi)星天線采用多波束天線。常用的空間譜估計(jì)方法有最大似然估計(jì)法、模型參量法以及特征分解法等。其中,以MUSIC算法為代表的特征分解方法自提出以來(lái)一直受到人們的高度重視,至今仍代表空間譜估計(jì)技術(shù)發(fā)展的主流方向。其理論基礎(chǔ)是利用陣列采樣數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣,在構(gòu)造（偽）譜函數(shù)時(shí)引入信號(hào)子空間及噪聲子空間的概念,并充分利用兩者之間的正交性進(jìn)行輻射源的到達(dá)方向（DOA）估計(jì)。與常規(guī)波束形成方法不同的是,特征分解方法可以突破天線瑞利極限的限制,實(shí)現(xiàn)方位角/俯仰角的二維參數(shù)估計(jì),具有極高的估計(jì)精度和超分辨率等優(yōu)異性能。

3 地面接收機(jī)干擾監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)

對(duì)地面接收機(jī)的干擾監(jiān)測(cè)與定位利用車載移動(dòng)干擾監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。如圖5所示,A設(shè)備接收干擾信號(hào),轉(zhuǎn)發(fā)給B設(shè)備,B設(shè)備既接收干擾信號(hào)進(jìn)行參數(shù)估計(jì),同時(shí)也要接收A設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號(hào),然后經(jīng)過(guò)處理,得出干擾源位置。

圖5 TDOA定位

對(duì)地面接收機(jī)的干擾監(jiān)測(cè)與定位前提條件是:

①干擾源位于地表,高度忽略;②單個(gè)干擾源;③干擾源靜止;④干擾信號(hào)為調(diào)制信號(hào),頻段固定;⑤干擾源與干擾監(jiān)測(cè)設(shè)備之間無(wú)遮擋。

3.1 TDOA技術(shù)

工作流程:A設(shè)備2個(gè)、B設(shè)備1個(gè)。2個(gè)A設(shè)備將干擾信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給B設(shè)備,由B設(shè)備解算得到干擾源位置。

需考慮的因素——（減小誤差,提高定位精度）為3個(gè)設(shè)備的相對(duì)位置關(guān)系及其自身位置的精度。

定位設(shè)備:參數(shù)估計(jì)方法及參數(shù)估計(jì)的精度;已知參數(shù)的情形下解算干擾源位置的效率、精度;A設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延估計(jì)的精度、時(shí)間精度。

3.2 TDOA+FDOA技術(shù)

工作流程:A設(shè)備、B設(shè)備各需要1個(gè)。A設(shè)備將干擾信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給B設(shè)備。B設(shè)備接收A設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號(hào);接收干擾源直接傳輸?shù)母蓴_信號(hào);然后,使B設(shè)備按一定的速度運(yùn)動(dòng),對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,得到多普勒頻移。通過(guò)對(duì)3組信號(hào)進(jìn)行處理,得到干擾源的位置。

需考慮的因素為:

①3個(gè)設(shè)備的位置關(guān)系;②B設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)速度、方向;③3個(gè)設(shè)備自身位置的精度。

定位設(shè)備:參數(shù)估計(jì)方法及參數(shù)估計(jì)的精度;已知參數(shù)的情形下解算干擾源位置的效率、精度;A設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延估計(jì)的精度;設(shè)備時(shí)間精度;信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)頻率精度。

以上2種方案適合地面車輛上安裝定位設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3 AOA技術(shù)

工作流程:A設(shè)備、B設(shè)備各1個(gè)。A設(shè)備將干擾信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給B設(shè)備。B設(shè)備接收A設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號(hào);接收干擾源直接傳輸?shù)母蓴_信號(hào);然后,通過(guò)測(cè)向儀（DF）測(cè)出干擾源所在的方向,兩個(gè)不同的AOA線取交點(diǎn)就得到了干擾源的位置。

需考慮的因素:2個(gè)設(shè)備的位置關(guān)系以及自身位置的精度。定位設(shè)備:DF測(cè)向精度、天線的增益方向圖等參數(shù)隨頻率的變化;A種設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延估計(jì)的精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

在干擾監(jiān)測(cè)與定位信號(hào)處理時(shí),可針對(duì)干擾信號(hào)的不同類型建立相應(yīng)模型,引入置信區(qū)間,置信水平等參數(shù),將干擾源位置以一定的概率限定在一定區(qū)域內(nèi)。

干擾源進(jìn)行自主監(jiān)測(cè)和快速定位,可以對(duì)干擾源的信號(hào)進(jìn)行打擊,但同時(shí)需要采取主動(dòng)防御措施,如用戶機(jī)和衛(wèi)星接收機(jī)采取自適應(yīng)濾波和調(diào)零天線等抗干擾技術(shù)。因此,干擾監(jiān)測(cè)定位與抗干擾技術(shù)是衛(wèi)星系統(tǒng)十分重要的防護(hù)需求,在對(duì)干擾的認(rèn)識(shí)和抗干擾技術(shù)方面,還有許多問題需要深入研究。

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