衛星網絡干擾信號的監測與定位技術

楚恒林,李獻球

（北京環球信息中心,北京 100094）

0 引言

1990年以來衛星通信等業務迅速發展,而地面空間有意或無意的干擾對系統的威脅也日益增加。據歐洲電信衛星組織（EUTELSAT）的有關報告,每年都會出現數百次衛星系統受干擾事件。從我國衛星系統的實際應用來看,人為干擾事件也時有發生。為了避開干擾,一方面要對空間頻率資源進行合理劃分和有效保護;同時也要采取迅速而有效的措施來監測定位干擾信號。

面對越來越多的干擾事件,以及對接收機及衛星的直接攻擊和干擾,必須研究對衛星和接收機干擾的監測和定位技術,同時星載干擾監測與定位技術是勢之所趨。

1 干擾源監測與定位技術

1.1 干擾監測技術

常規的干擾監測與定位只是一個局部系統,應該建立一個一體化的干擾監測與定位技術,既可以實現對于衛星信號干擾的監測與定位,也可以實現對地面用戶的干擾監測與定位。干擾監測與定位設備有機載設備、車載設備和地面設備。

地面干擾監測設備由地面干擾監測設備和衛星信號監測設備組成。主要包括:干擾監測測向天線、定向接收天線、干擾信號監測接收模塊、衛星信號監測接收模塊等。地面干擾監測設備如圖1所示。

圖1 地面干擾監測設備組成示意圖

地面固定監測與車載式監測,二者的工作模式有一定的區別。

車載干擾監測主要組成示意圖如圖2所示,車輛頂端安裝一個多陣元天線陣,每個天線陣元的射頻信號下變頻到中頻,然后進行A/D采樣。從A/D出來的數字信號再經過帶通濾波和下采樣,最后信號經過一個實時的自適應數字波束形成器。為了保證天線陣各個方位角的角分辨率,可以選擇圓形天線陣,一個陣元位于圓心,其余天線陣元均勻分布圓上,為了保證DOA的估計精度,天線間隔應該盡量大。

圖2 車載干擾監測系統示意圖

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

1.2 干擾源定位技術

對干擾源的定位,一般要給出干擾源的三維參數:方位角、距離、離地高度。

目前干擾源定位技術主要包括:基于信號到達時間差（TDOA）定位技術,即測時差定位;基于信號到達角（AOA）定位技術,即測向定位;基于信號到達頻率差（FDOA）定位技術。圖3非常直觀地給出了這3種干擾源定位技術的區別與聯系。在具體實現時,通常選擇幾種技術相結合的方式,以取長補短獲得更好的性能。如TDOA與FDOA相結合,可以彌補TDOA對運動干擾源定位時間的滯后性。三角測量法與弧線相交法相結合,可以有效地克服DF系統誤差及數據隨機誤差的影響,達到較高的精度。

圖3 干擾源定位技術分類

2 干擾轉發衛星信號的監測與定位

2.1 基于地面對衛星干擾信號的監測與定位技術

與地面干擾監測與定位系統一樣,對衛星網絡干擾信號的監測與定位技術主要有2種:①基于信號到達時間差（TDOA）定位技術,即測時差定位;②基于信號到達角（AOA）定位技術,即測向定位。

到達時間差（TDOA）干擾源定位技術目前已經在民用衛星通信系統中應用。到達時間差定位也稱為雙曲線（面）定位,它是通過處理信號到達多個接收站之間的時間差來確定目標位置,從幾何意義上理解是從多個等值測量的定位雙曲線（面）來尋找其交點。TDOA定位一般是由處于相同軌道的兩顆衛星相互配合來實現,其中一顆為受干擾衛星,另一顆輔助衛星是可以利用的鄰近衛星,如圖4所示。

圖4 衛星干擾源定位原理

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

測向定位是最早出現且廣泛應用的一種定位方法。對處于中、低軌道衛星,由于能夠利用星地之間的相對運動信息,實現測向定位要相對容易些。但對于地球同步軌道衛星,上述連續測向方法就不再適用了。結合衛星天線多波束特性來測定干擾源的空間位置,是近年來衛星干擾源技術的一個發展方向。日本通信綜合研究所（CRL）的研究人員通過工程試驗衛星ETS-VI的S波段多波束相控陣天線進行了干擾源定位實驗,其定位方法為單脈沖比幅測量;同時他們還進一步研究了用于抑制干擾信號的自適應波束形成技術。

測時差定位技術的優點是對整個衛星系統的正常運行影響較小,但它要求2顆衛星能同時接收到干擾信號電平,否則就無法正常測得干擾源位置。測向定位技術無需其他衛星協助,僅利用受干擾衛星就可以實現對干擾源的定位。但傳統測向方法（如最大信號法等）的定位精度較低,應用范圍受到限制。以陣列信號處理為基礎的空間譜估計技術（如最大似然估計法、特征分解方法以及熵譜估計法等）突破了瑞利極限,具有很高的估計精度和空間分辨性能,可同時對多個輻射源進行定位。但其在進行方位搜索時需要巨大的計算量,且天線模型誤差及天線指向誤差對定位精度影響較大。

2.2 星載干擾源監測與定位技術

衛星干擾源定位是地面干擾源定位技術在衛星領域的應用,但有別于地面干擾源定位技術。

首先,定位設備的載體不同,地面干擾源監測與定位系統可以是車載的,也可以是固定站;而星載干擾監測與定位系統則受到體積、大小、重量以及功耗的限制。其次,二者側重點不同,多徑效應的影響是地面干擾監測與定位要解決的重點問題之一,而星載干擾監測與定位系統則無需考慮。三是所采用的天線形式不同,地面干擾監測與定位系統一般用無方向性天線組成天線陣來進行測向,而星載干擾監測與定位系統一般采用多波束天線,前者假設各天線陣子接收到的信號是等幅的,它利用信號入射角不同而在各陣子上引起的相位差不同進行測向,而星載多波束天線一般不考慮各波束接收到的信號相位差的影響,它是利用各波束接收到的信號幅度不同進行測向定位。

以空間譜估計原理為基礎的先進測向技術可以有效解決密集信號環境中多個輻射源的高分辨率、高精度測向定位問題。

衛星天線采用多波束天線。常用的空間譜估計方法有最大似然估計法、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一直受到人們的高度重視,至今仍代表空間譜估計技術發展的主流方向。其理論基礎是利用陣列采樣數據的協方差矩陣,在構造（偽）譜函數時引入信號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行輻射源的到達方向（DOA）估計。與常規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,實現方位角/俯仰角的二維參數估計,具有極高的估計精度和超分辨率等優異性能。

3 地面接收機干擾監測與定位技術

對地面接收機的干擾監測與定位利用車載移動干擾監測設備實現。如圖5所示,A設備接收干擾信號,轉發給B設備,B設備既接收干擾信號進行參數估計,同時也要接收A設備轉發的干擾信號,然后經過處理,得出干擾源位置。

圖5 TDOA定位

對地面接收機的干擾監測與定位前提條件是:

①干擾源位于地表,高度忽略;②單個干擾源;③干擾源靜止;④干擾信號為調制信號,頻段固定;⑤干擾源與干擾監測設備之間無遮擋。

3.1 TDOA技術

工作流程:A設備2個、B設備1個。2個A設備將干擾信號轉發給B設備,由B設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個設備的相對位置關系及其自身位置的精度。

定位設備:參數估計方法及參數估計的精度;已知參數的情形下解算干擾源位置的效率、精度;A設備轉發時延估計的精度、時間精度。

3.2 TDOA+FDOA技術

工作流程:A設備、B設備各需要1個。A設備將干擾信號轉發給B設備。B設備接收A設備轉發的干擾信號;接收干擾源直接傳輸的干擾信號;然后,使B設備按一定的速度運動,對信號進行處理,得到多普勒頻移。通過對3組信號進行處理,得到干擾源的位置。

需考慮的因素為:

①3個設備的位置關系;②B設備運動時速度、方向;③3個設備自身位置的精度。

定位設備:參數估計方法及參數估計的精度;已知參數的情形下解算干擾源位置的效率、精度;A設備轉發時延估計的精度;設備時間精度;信號轉發時頻率精度。

以上2種方案適合地面車輛上安裝定位設備來實現。

3.3 AOA技術

工作流程:A設備、B設備各1個。A設備將干擾信號轉發給B設備。B設備接收A設備轉發的干擾信號;接收干擾源直接傳輸的干擾信號;然后,通過測向儀（DF）測出干擾源所在的方向,兩個不同的AOA線取交點就得到了干擾源的位置。

需考慮的因素:2個設備的位置關系以及自身位置的精度。定位設備:DF測向精度、天線的增益方向圖等參數隨頻率的變化;A種設備轉發時延估計的精度。

4 結束語

在干擾監測與定位信號處理時,可針對干擾信號的不同類型建立相應模型,引入置信區間,置信水平等參數,將干擾源位置以一定的概率限定在一定區域內。

干擾源進行自主監測和快速定位,可以對干擾源的信號進行打擊,但同時需要采取主動防御措施,如用戶機和衛星接收機采取自適應濾波和調零天線等抗干擾技術。因此,干擾監測定位與抗干擾技術是衛星系統十分重要的防護需求,在對干擾的認識和抗干擾技術方面,還有許多問題需要深入研究。

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