嚴(yán)銀江，劉安斐

(北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心，北京100094)

0 引言

對(duì)于采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星系統(tǒng)而言，影響衛(wèi)星系統(tǒng)正常工作的主要威脅是來自地面的有意干擾。一旦地面干擾源發(fā)射大功率的上行信號(hào)，將對(duì)衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器造成干擾，嚴(yán)重影響衛(wèi)星信號(hào)的正常傳輸［1，2］。因此，需具備干擾源快速定位手段。

基于鄰星的聯(lián)合時(shí)差頻差的雙星定位法是目前地面干擾源定位的主要方法。但是該方法要求鄰星與受干擾衛(wèi)星相隔角度必須小于8°，并且要求鄰星應(yīng)具備與受干擾衛(wèi)星同頻段同極化的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器［3］。因此，應(yīng)用該方法進(jìn)行干擾源定位具有很大局限性。

本文針對(duì)RDSS系統(tǒng)入站透明轉(zhuǎn)發(fā)器易受干擾問題［4］，根據(jù) RDSS 系統(tǒng)［5］多波束覆蓋特點(diǎn)，提出了一種RDSS系統(tǒng)幅差法入站干擾源定位原理及其實(shí)現(xiàn)方法并給出相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。

1 RDSS系統(tǒng)幅差法入站干擾源定位原理

1.1 RDSS系統(tǒng)工作原理

根據(jù)國(guó)際無線電規(guī)則，無線電測(cè)定業(yè)務(wù)是通過衛(wèi)星無線電傳播特性來確定一個(gè)物體位置、速度及其他特性衛(wèi)星業(yè)務(wù)。RDSS組成與定位原理圖圖1所示。

典型RDSS系統(tǒng)是以2顆衛(wèi)星為參考點(diǎn)，2個(gè)用戶至衛(wèi)星的距離為觀測(cè)量的雙星定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)的每顆衛(wèi)星均分多個(gè)入站波束覆蓋服務(wù)區(qū)。

RDSS系統(tǒng)由空間段靜止軌道同步衛(wèi)星、地面段測(cè)量控制中心(Measure Control Center，MCC)和用戶設(shè)備共同構(gòu)成，其定位原理是通過用戶應(yīng)答，由用戶以外MCC完成衛(wèi)星至用戶的距離測(cè)量和位置解算［6］，然后再將定位結(jié)果發(fā)送給用戶［5，7］。

圖1 RDSS組成與定位原理

1.2 幅差法干擾源定位原理

對(duì)于RDSS系統(tǒng)的每顆衛(wèi)星而言，同一衛(wèi)星2個(gè)波束上行接收天線G/T差值相同的點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)分布在一條閉合曲線上(即等差值曲線)。若2個(gè)波束的下行頻點(diǎn)頻率接近，地面天線和低噪聲場(chǎng)放等射頻接收設(shè)備采用2個(gè)頻點(diǎn)共用方式，則2個(gè)波束空間損耗和地面設(shè)備增益相同，可認(rèn)為2個(gè)波束間干信比差值只與RDSS衛(wèi)星對(duì)應(yīng)波束2個(gè)天線G/T差值有關(guān)。幅差法定位原理如圖2所示。

圖2 幅差法定位原理

式中，EIRPJAM為干擾源等效全向輻射功率;EIRPSAT為衛(wèi)星等效全向輻射功率;Lu、Ld為上行和下行空間損耗;[G/T]SAT、[G/T]EAR為衛(wèi)星接收天線和地面接收天線品質(zhì)因數(shù);k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23;G1、Gtran和G2分別為衛(wèi)星接收天線、轉(zhuǎn)發(fā)器以及發(fā)射天線增益。

考慮到同一衛(wèi)星2個(gè)波束接收天線距離相近，則可認(rèn)為干擾信號(hào)經(jīng)2個(gè)入站波束的上行鏈路損耗相同，則有

因此，可得出同一衛(wèi)星2個(gè)波束干信比差值與衛(wèi)星2個(gè)波束天線G/T差值相同重要結(jié)論。通過分析衛(wèi)星G/T值差值分布，即可利用波束間干信比差值進(jìn)行干擾源定位:若1顆衛(wèi)星2個(gè)波束同時(shí)接收到入站干擾，則干擾源定位在該衛(wèi)星波束間G/T差值曲線交點(diǎn)處;若多顆衛(wèi)星2個(gè)波束同時(shí)接收到入站干擾，則干擾源定位在多星波束間G/T差值曲線交點(diǎn)處。

2 RDSS系統(tǒng)幅差法干擾源定位方法

基于上述原理的RDSS干擾源定位系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。

圖3 干擾源定位流程

首先對(duì)于RDSS系統(tǒng)每顆衛(wèi)星入站頻譜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);當(dāng)出現(xiàn)干擾時(shí)，實(shí)時(shí)測(cè)量受干擾入站波束干信比，同時(shí)通過計(jì)算獲取同一衛(wèi)星2個(gè)波束間的干信比差值;然后再根據(jù)干信比差值，按一定搜索寬度，與衛(wèi)星G/T差值參考數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，最終解算出干擾源所在位置或區(qū)域。

2.1 參考數(shù)據(jù)庫

根據(jù)衛(wèi)星天線G/T值分布點(diǎn)的理論值，建立初始參考數(shù)據(jù)庫。參考數(shù)據(jù)庫以分布點(diǎn)的經(jīng)度、緯度以及衛(wèi)星2個(gè)波束間G/T值差值為字段覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū)。

考慮到RDSS系統(tǒng)運(yùn)行以后，衛(wèi)星的軌道傾角等技術(shù)狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，引起衛(wèi)星G/T值分布點(diǎn)發(fā)生相應(yīng)變化。由上述公式有:

因此，可利用RDSS系統(tǒng)用戶實(shí)時(shí)入站載噪比信息對(duì)參考數(shù)據(jù)庫予以更新。利用RDSS用戶入站信息數(shù)據(jù)對(duì)參考數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新包括無效點(diǎn)剔除、位置分割、均值處理、統(tǒng)計(jì)改進(jìn)和整合修正等過程。

2.1.1 無效點(diǎn)剔除

原始的用戶入站信息數(shù)據(jù)主要包括用戶定位信息。但是該信息可能出現(xiàn)無定位結(jié)果的情況，也可能會(huì)出現(xiàn)定位結(jié)果超出服務(wù)區(qū)以外的情況。因此在數(shù)據(jù)處理過程當(dāng)中首先應(yīng)將以上用戶入站信息數(shù)據(jù)剔除，以免影響參考數(shù)據(jù)庫正確性。

2.1.2 位置分割

按照最初定義的初始參考數(shù)據(jù)庫格式，將RDSS系統(tǒng)服務(wù)區(qū)以0.5°間隔進(jìn)行分割，對(duì)用戶入站信息數(shù)據(jù)按照定位結(jié)果進(jìn)行位置劃分。位置劃分前后，經(jīng)緯度關(guān)系為:

式中，floor(·)為取整函數(shù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，用戶入站信息數(shù)據(jù)均被劃分到距離定位結(jié)果最近的柵格點(diǎn)上。

2.1.3 均值處理

將位置劃分后的用戶入站信息數(shù)據(jù)按照衛(wèi)星波束進(jìn)行拆分，拆分后再逐一進(jìn)行單波束入站情況剔除和差值求解，最終得到載噪比差值表。考慮到用戶設(shè)備性能差異的影響，應(yīng)區(qū)分不同用戶和不同位置進(jìn)行均值處理，即將同一位置且屬于同一用戶的入站載噪比差值進(jìn)行平均，得到用戶在某一柵格點(diǎn)上的載噪比差值參考值。

2.1.4 統(tǒng)計(jì)改進(jìn)

經(jīng)上述處理之后，載噪比差值數(shù)據(jù)表中同一柵格點(diǎn)可能對(duì)應(yīng)多個(gè)載噪比差值，原因可能是由于同一柵格點(diǎn)的附近區(qū)域存在多個(gè)用戶或是用戶定位結(jié)果有誤造成的。因此，在確定最終載噪比參考值之前，還應(yīng)當(dāng)對(duì)于用戶定位信息進(jìn)行以下分析:

①用戶入站數(shù)據(jù)獲取時(shí)是以時(shí)間先后順序提取的，一般認(rèn)為用戶在一定時(shí)間以內(nèi)位置變化范圍不大。因此若存在同一用戶的定位結(jié)果不同時(shí)可認(rèn)為該用戶入站信息數(shù)據(jù)有誤，則剔除野值點(diǎn)后求均值;若同一用戶定位信息較少且定位結(jié)果不穩(wěn)定可認(rèn)為用戶設(shè)備性能較差，則剔該用戶全部入站信息。

②對(duì)同一用戶同一位置載噪比差值求均值的同時(shí)，進(jìn)行方差計(jì)算，對(duì)于方差較大的用戶可認(rèn)為該用戶設(shè)備性能較差，則對(duì)其均值數(shù)據(jù)予以剔除。

經(jīng)過上述均值篩選后的用戶入站信息數(shù)據(jù)，再對(duì)同一柵格點(diǎn)不同用戶入站載噪比差值均值再次求均值，最終得到載噪比差值參考值。

2.1.5 整合修正

通過積累一定時(shí)間的用戶入站載噪比差值，按柵格點(diǎn)將所有衛(wèi)星波束參考數(shù)據(jù)整合，并對(duì)參考數(shù)據(jù)表中相應(yīng)衛(wèi)星對(duì)應(yīng)位置載噪比差值參考值進(jìn)行替換，即可得到更新后的參考數(shù)據(jù)表。

2.2 獲取干信比差值

利用頻譜采集設(shè)備對(duì)RDSS系統(tǒng)的入站信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和參數(shù)測(cè)量，獲得實(shí)時(shí)入站信號(hào)功率和噪聲功率，通過比較入站頻譜功率峰值和噪聲功率，判別和捕捉干擾信號(hào)。

確認(rèn)干擾信號(hào)后，自動(dòng)測(cè)量和計(jì)算同一衛(wèi)星2個(gè)波束間干信比差值，然后進(jìn)行干擾源定位計(jì)算，得到干擾源可能位置區(qū)域。

2.3 排除多值點(diǎn)

根據(jù)幅差法干擾源定位原理，定位結(jié)果為多星等差值曲線的相交區(qū)域。由于等差值曲線均為2次以上曲線，通常曲線相交區(qū)域不止一個(gè)，定位結(jié)果存在著多值性，可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(BP 網(wǎng)絡(luò))［9，10］結(jié)果引導(dǎo)的方式進(jìn)行多值點(diǎn)排除。首先利用初始參考數(shù)據(jù)訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)得到網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，在進(jìn)行干擾源搜索定位的同時(shí)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行曲線擬合得到一個(gè)引導(dǎo)位置點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，然后選擇與引導(dǎo)位置點(diǎn)最相近的相交區(qū)域作為干擾源定位區(qū)域。

3 干擾源定位方法的試驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上的幅差法干擾源定位方法，在多個(gè)地點(diǎn)采用單載波信號(hào)作為干擾源，進(jìn)行干擾源定位試驗(yàn)。結(jié)果表明:所有干擾源從捕獲、測(cè)量到最終定位耗時(shí)均小于1 min;所有干擾源定位精度均優(yōu)于200 km，個(gè)別地區(qū)優(yōu)于100 km，詳細(xì)結(jié)果如表1所示。

表1 定位精度評(píng)估表

分析以上試驗(yàn)結(jié)果可知，RDSS系統(tǒng)幅差法干擾源定位方法區(qū)域定位性能存在差異，原因分析如下:

①干信比差值測(cè)量存在誤差，且根據(jù)覆蓋區(qū)分布情況，相同誤差對(duì)各地區(qū)的影響不同;

②RDSS系統(tǒng)用戶機(jī)分布可能不均，比如某些地區(qū)用戶機(jī)數(shù)量過少，而系統(tǒng)服務(wù)區(qū)邊緣覆蓋性能相對(duì)較弱，導(dǎo)致參考數(shù)據(jù)庫相應(yīng)地區(qū)的參考數(shù)據(jù)更新修正值存在誤差，從而對(duì)定位精度產(chǎn)生直接影響。

4 結(jié)束語

根據(jù)具有多個(gè)入站波束RDSS系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一種適合RDSS系統(tǒng)的幅差法干擾源定位方法。該方法與其他干擾源定位方法相比，具有快速定位的顯著特點(diǎn):實(shí)時(shí)獲取多波束干信比數(shù)據(jù)后，最短可在數(shù)秒鐘內(nèi)完成干擾源的定位。尤其通過入站信號(hào)頻譜采集、干擾識(shí)別、參數(shù)測(cè)量和干擾源定位等過程程序控制，可實(shí)現(xiàn)全天候不間斷對(duì)包括突發(fā)和短暫干擾信號(hào)在內(nèi)所有干擾信號(hào)的監(jiān)測(cè)和干擾源定位。上述幅差法干擾源定位方法為具有多個(gè)入站波束的RDSS系統(tǒng)干擾源的快速定位提供了有效的技術(shù)手段。

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