微納衛星組網電子偵察定位關鍵技術探討

朱偉強，王克讓，朱曉丹

(中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

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微納衛星組網電子偵察定位關鍵技術探討

朱偉強，王克讓，朱曉丹

(中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

基于微納衛星的電子偵察還處于起步階段，許多問題亟需解決。討論了微納衛星組網電子偵察定位三個方面的若干關鍵技術，分別是電子偵察基本架構、載荷硬件架構和星間組網通信。在提出松耦合和緊耦合組網偵察定位架構的基礎上，討論了對地面和空中動目標的定位方法以及載荷實現相關的關鍵技術，給出了一種星間鏈路方案，提出了一種基于參數的中頻數據壓縮方法，可為微納衛星電子偵察技術的發展提供一些參考。

電子偵察；微納衛星；無源定位；自組織組網；數據壓縮；微型化

0　引言

星載電子偵察是獲取電子情報的重要手段，尤其在快速作戰決策方面，更是有其獨特的作用。但是目前電子偵察衛星面臨兩個方面的問題，一是其研制周期長、研發與制作費用高、風險性大等弱點逐漸顯露；二是無法滿足大范圍、連續性的長期監視的軍事需求。同步軌道雖然能長時間、大范圍連續監視，但靈敏度及定位精度受限，而低軌衛星過頂時間有限，雖然可以通過組網解決，但是由此將引入衛星數量的急劇增加和星間、星地數傳的需求及相應的成本增加等更多問題。隨著微電子、微機電、組網技術的飛速發展，基于微納衛星的電子偵察技術優勢越來越明顯，利用微納衛星組網技術來解決目前電子偵察衛星發展遇到的問題勢在必行。基于微納衛星組網電子偵察技術具有如下突出優勢[1]：快速響應，快速組裝組網；大覆蓋、高時效、連續觀測；低成本、低風險。

基于微納衛星的載荷方面，國內外對通信、光學偵察、導航等領域[2]有較多研究，但是電子偵察載荷研究較少，本文主要對微納衛星組網電子偵察基本架構、載荷、星間組網通信等方面的關鍵技術進行了探討。

1　微納衛星組網電子偵察基本架構

1.1單星偵察能力分析

受單星平臺載荷能力的限制，單星偵察有效載荷設備應該盡量降低其體積、質量、功耗和造價。其主要特點如下：

1)一般僅有單個通道，因此無法使用多通道，如相位干涉儀、數字陣列的空間譜估計等方法測量來波方向；

2)處理能力有限，很難在單星處理大量數據或者進行實時復雜運算。

在上述限制條件下，單星偵察載荷可以獲得含有目標空間位置、運動狀態等信息的主要觀測量有：來波到達時間、頻率、信號幅度，以及上述三個觀測量的高階量。

1)到達時間(TOA)

TOA含有目標與觀測器之間的距離信息，而TOA序列含有目標距離及目標距離徑向變化率的信息，這有利于對目標輻射源的定位與跟蹤。

2)頻率(FOA)

FOA含有目標距離及距離變化率的信息，在序列中每個脈沖寬度內的射頻中，含有反映距離變化率的多普勒分量，因此通過測量FOA有可能得到目標位置。

3)信號幅度(AM)

來波信號幅度隨著輻射源距離變化而改變，偵察系統收到的來波功率與距離平方成反比，因此測得來波信號幅度將有可能得到目標距離，但是來波信號幅度與信號源發射功率、發射天線方向性、發射天線掃描、接收天線方向性等有關，檢測微小的信號幅度變化是有難度的，因此利用來波幅度大小很難獲得較準確的距離估計。

從上述單星能力分析中可看出，能夠用來定位的有效信息相對較少，僅能用到TOA、FOA以及相應的高階量，因此基于微納衛星群電子偵察對地面目標可能的定位體制包括時差定位、頻差定位、時頻差復合定位、基于時差序列特征的定位、以及基于頻率高階量的定位體制；而對于空中運動目標而言，由于目標非合作運動帶來的多普勒調制效應，基于頻率及相應高階量的信息對于定位不會有直接的貢獻。

1.2組網偵察定位基本架構

微納衛星組網電子偵察基本架構要綜合考慮的因素有：重訪時間、連續監視時間、重點區域覆蓋情況、定位體制、單星偵察能力、星間/星地組網能力等。隨著技術的發展階段的不同，可分別采用松耦合組網偵察定位架構和緊耦合組網偵察定位架構。

松耦合組網偵察定位架構情況如圖1所示，偵察系統由多個編隊偵察衛星組成，每個編隊偵察衛星由若干顆衛星共同合作完成對地面、海面及空中輻射源目標偵察定位，由不同編隊偵察衛星接力完成對輻射源連續偵察。

圖1　松耦合虛擬孔徑偵察定位體制

這種偵察體制編隊內偵察衛星間距較近，根據編隊內衛星的多少及輻射源目標信號的特點綜合采用時差定位、頻差定位或時頻差聯合定位，編隊內衛星間具備相互通信能力；不同編隊偵察衛星相距較遠(與偵察區域大小相當)，且之間通信能力較弱，僅進行信息交換，即編隊間為松耦合。采用多編隊偵察方式，實現虛擬孔徑的大空域覆蓋，通過編隊間信息交換，可以實現對輻射源信號連續偵察，可以隨時對衛星數量進行補充，增加偵察覆蓋性和偵察時間。該架構具有如下特點：

1)功能劃分明確，系統構成相對簡單；

2)編隊定位體制決定了系統定位精度；

3)僅編隊內衛星組網，對星間數傳、時統、相對定址精度等有較高要求；

4)可以通過單星偵察頻率切換，實現截獲概率和定位精度之間平衡，針對不同目標分配不同偵察資源。

緊耦合組網偵察定位架構情況如圖2所示，偵察系統由多顆偵察衛星組成，每顆衛星能夠根據覆蓋區域、瞬時頻段、星座構型等因素與周邊其它衛星自組織組網，形成超大孔徑超高分辨率電子偵察系統，能夠滿足對輻射源連續偵察的需求。這種組網偵察模式具有很大的靈活性，對組網和數傳能力要求很高，其靈活性表現在：

1)隨衛星運動，星座構型發生變化，每張網內衛星組成及數量隨時會發生變化；

2)根據戰術情報的需求不同，例如提高重點目標的定位精度，可以使網內衛星組成和數量發生變化；

3)根據偵察區域是否具有重疊，單顆偵察衛星可以把時差信息發送到不同網內實現目標定位，即單顆衛星可以作為多張網偵察系統的成員；

圖2　緊耦合虛擬孔徑定位體制

4)隨時可以對衛星進行補充，增加偵察覆蓋性或提高定位精度。

緊耦合組網偵察定位架構有如下特點：

1)系統體制相對復雜，組網具有很大的靈活性，可根據偵察對象及偵察區域的不同自組織組網；

2)可以通過單星偵察頻率可重構，針對不同目標分配不同偵察資源；

3)信號處理相對復雜，需要綜合處理幾顆星之間的數據；

4)要求所有星之間具有較高精度的時統，且對平臺的絕對定址精度、相對定址精度、測速精度等有較高要求；

5)要求系統具有較高的自組織組網能力，每顆星具有一對多和多對一的高速數傳能力。

兩種組網架構的偵察性能對比情況見表1，雖然緊耦合組網定位架構優勢明顯，但就目前技術而言，松耦合組網偵察定位架構更容易實現。

表1　兩種組網偵察的定位基本架構對比

1.3地面(海面)慢速目標定位方法

基于松耦合組網偵察定位架構的偵察系統在開機工作過程中，為了提高截獲概率，編隊內多顆微納衛星往往并不全部工作在一個頻段，而是根據偵察區域目標特點、星座構型及星上資源情況綜合確定采用的定位體制，只有發現存在空中輻射源目標時，衛星才全部工作在同一頻段，進行多星時差定位。當對地面或海面輻射源目標偵察時，根據衛星構型的不同，可以靈活采用多種偵察定位體制，以及這些定位體制的組合，從而擴大瞬時偵察帶寬，提高截獲概率。

目前，可用于對地面、海面輻射源目標進行定位的體制主要有：單星單通道定位[3]、雙星時頻差定位[4]、非共視定位[5]等，除單星單通道定位技術之外，其余技術相對較成熟。

1.4空中動目標定位方法

空中動目標定位是三維定位問題，傳統星載電子偵察定位技術往往假定目標位于地球表面，也就是說目標的距離信息已知，因此對地面目標定位相對較簡單，而對空中目標進行定位的難度將大大增加。

國內外學者對偵察系統位于地面或者機載平臺進行了較多的研究，利用多站可以實現對目標的瞬時定位，如果觀測站較少，一般假設目標勻速直線運動，利用長時間的觀測積累，從而對目標進行跟蹤，在機載偵察系統中，還要求觀測平臺姿態發生機動變化。

目前星載對空中動目標定位研究較少，國外最多的研究集中在基于4星時差定位[6-7]。由于目標機動，因此在目標速度未知時，目標頻差信息對定位精度沒有直接的貢獻。與傳統三星時差定位構型有所區別的是，為了提高目標高程信息測量精度，第4顆星與其余3顆星必須在軌道高度上拉開距離，形成高度差基線，才能獲得目標高程信息，因此會有4星共視問題，這對編隊軌道設計也提出了挑戰。

下一步的研究方向主要是：

1)利用多星時差定位，并根據頻差信息提取目標速度信息，利用位置和速度信息對目標進行跟蹤，從而進一步提高空中動目標定位精度；

2)衛星或載荷在空間通過運動，在時間上進行積累多次觀測實現定位，可以減少衛星的數量。

另外一種解決空中目標定位的方法是采用外輻射源定位技術，可以考慮利用己方的信號源(如通信衛星等)，也可以考慮采用GPS信號，但是GPS信號相對較弱，影響偵察系統的性能。

2　單星偵察載荷硬件架構

單星電子偵察載荷應具有可重構、微型化、標準化和通用化特點，可重構是指頻段可重構、功能可重構，實現通用信號偵察和特殊需求的雷達、通信和數據鏈的偵察；微型化是指體積小、質量輕并且功耗低，彌補微納衛星平臺承載能力弱的缺陷；標準化、系列化和通用化是為了使載荷滿足衛星快速生產、快速測試和快速發射的需求。采用商用器件可以大大降低載荷的成本，進一步拓展其應用。

2.1可重構技術

在體積、質量、功耗都受到微納衛星平臺能力限制的條件下，載荷的設計理念必然與傳統衛星大而全的方式有所不同，一是通過多顆衛星組網實現傳統大衛星的功能，二是單星載荷采用重構技術，頻段、帶寬、處理算法通過軟件可重構，實現與傳統大衛星相當的性能。

1)輕質可重構高增益天線

微納衛星電子偵察載荷對天線的要求是具有輕質、寬角、寬帶、高增益等特性，因此輕質的可重構高增益天線是較好的選擇。可重構天線是用同一個天線口徑通過實時改變天線的電參數，使天線具有多種功能。可重構天線能夠根據應用需求實時地重構天線的頻率、增益、波束、掃描范圍等特性，使天線適應不同的功能需求。有利于減輕系統的質量、降低系統成本、避免存在于多個天線之間的電磁兼容等問題。

2)可重構接收通道

載荷的偵察接收可通過多級變頻、直接濾波放大、零中頻等接收機方案。變頻接收即超外差中頻數字化是目前電子偵察最常用的方案，但存在設備復雜，成本、功耗較高，體積較大等問題。直接濾波放大接收方案可使接收機具有“可重構”能力，即在不做硬件變動的情況下，通過軟件編程來適應不同的接收機模式。該方案可以省去微波通道，更便于實現接收系統小型化，但是對A/D的工作頻率要求較高。零中頻接收機方案是將天線接收下來經低噪聲放大后的信號直接變換成基帶I/Q信號，其本振頻率與輸入信號相同，這種方案的優點是可以全集成化，該方案一般用于雷達或通信系統。

3)軟件可重構技術

載荷的信號處理也要做到可重構，包括處理對象(雷達信號、通信信號)、處理算法(參數測量、定位等)等，其關鍵技術主要有：電子偵察載荷體系架構技術，一體化、可重構軟硬件平臺技術，偵察功能數字化、軟件化實時處理技術等。

2.2微型化技術

微型化技術是能否實現微納衛星載荷系統的核心技術，微型化的措施主要有：

1)基于LTCC工藝的多層陶瓷立體設計和互聯技術：要想實現射頻系統小型化必須從目前基于MCM的平面集成方式轉向立體三維的高密度集成方式，基于LTCC工藝的低溫共燒多層陶瓷互聯基板混合集成電路是一種比較新的多層工藝設計技術，這種技術可以滿足微納衛星電子偵察系統對電路小型化、高密度、多功能、高可靠性和高傳輸速率的要求。

2)寬帶射頻SIP模塊設計和三維立體封裝技術：SIP指系統級封裝，其特點是將不同功能的有源器件、無源器件及類似MEMS光學器件等通過采用三維結構形式集中于一個單一封裝內，構成一個類似系統的器件為系統或子系統提供多種功能。微納衛星電子偵察載荷中，把數字、模擬系統各種芯片集成在一起進行SIP設計和封裝可達到更小的尺寸。

3)SOC技術：單片系統(SOC)即在一個芯片上實現的是一個具有復雜功能的系統。SOC并不是簡單地將功能復雜的若干邏輯電路放在一個芯片上。一個完整的單芯片系統，在芯片上包括了微納衛星偵察載荷幾乎所有的電子功能部件，如模擬部件、信號采集/轉換電路、存儲部件、數據處理部件等。SOC用于微納衛星載荷設計，可以充分利用現有的成熟設計資源，在短時間內實現更高性能系統。

4)基于GaAs、MEMS、SiGe等工藝的寬帶射頻多功能芯片技術：該項技術可以改善器件性能，滿足微納衛星電子偵察載荷對高性能、低功耗、高集成度的需求。

2.3COTS器件天基應用技術

一方面，微納衛星偵察系統軌道高度一般為中低軌道，且壽命相比于大衛星要短的多，這成為應用商用現貨(COTS)器件的基礎。另一方面，傳統的宇航級或者883B級器件為了滿足抗輻照指標，價格較貴、集成度較低、量產少，而COTS器件在發展速度、性能、價格等方面具有較大的優勢，可以滿足微納衛星體積小、質量輕、功耗低的需求。

在微納衛星載荷系統中使用COTS器件，要采取一定措施提高商用器件的可靠性和抗輻射能力，才能在最大程度上減小其應用于空間任務的風險。一方面，需要經過嚴格的篩選、測試等措施，選擇合適的器件；另一方面，需要通過屏蔽加固和容錯設計，提高使用的可靠性。

3　星間組網通信技術

基于松耦合的微納衛星組網偵察定位架構中，為了完成對空中動目標定位，必須綜合利用編隊中的每顆衛星的信息，編隊內衛星星間需要進行同步、大量數據傳輸、交換、處理等。而緊耦合組網偵察定位架構對星間通信能力有更高的要求，通信距離更遠、速度更快、組網方式更復雜。可見星間組網通信能力是影響載荷性能發揮的重要因素，而微納衛星平臺能力又限制了星間通信的能力，因此可以從兩個方面綜合優化：一是偵察載荷和星間通信一體化設計，信號處理采用可重構設計，當星間通信要求低時，可分配更多的資源用于偵察，反之，可減少偵察資源；二是綜合優化設計星間通信，其關鍵技術主要有星間鏈路的總體規劃設計、星間通信協議、星上處理等。

3.1星間鏈路技術

松耦合組網偵察定位架構中，每個編隊由多顆微納衛星構成，那么編隊內部組網通信方式有兩種結構，即主從式和分布式。主從式結構中，其中一顆衛星作為主衛星，實現與編隊內其它所有從衛星通信，而編隊內其它所有從衛星僅與主衛星通信，從衛星之間無通信能力。這種組網實現方式相對較簡單，但是犧牲了系統的靈活性，衛星種類變多，主衛星一旦受到干擾或者摧毀整個系統將無法工作。分布式結構中，任意一顆衛星都具有與其它衛星的通信能力，通信方式上無主從之分，該種通信星間鏈路設計復雜，克服了主從式結構的不足，應該是星間鏈路的研究方向。

星間鏈路的實現方式主要有無線電通信和激光通信兩種。光學鏈路可提供很高的傳輸容量,但卻要求諸如定向天線、精確和連續定位目標衛星等復雜技術支撐。無線電鏈路可采用全向天線、定向天線或全向/定向組合天線。全向天線能克服衛星目標定位的困難,但卻大大降低了傳輸容量。定向天線能實現較高的傳輸容量,但要求很強的衛星目標定位能力。因此可以采用全向天線和定向天線相結合的方式，即首先利用全向天線與相鄰衛星交換位置數據，然后利用定向天線與相鄰衛星高速通信，其中定向天線與衛星共形設計，在衛星表面各個方向的天線波束交疊覆蓋整個空域。

3.2數據壓縮技術

目前星間鏈路的數傳速率并不能滿足微納衛星組網電子偵察的要求，采用數據壓縮技術降低數據傳輸量是一種解決方法，需要研究高壓縮比的壓縮方案，并且不影響時差、頻差的測量精度。

壓縮技術可分為波形壓縮或參數壓縮。傳統使用的基于波形的壓縮技術未能考慮壓縮對時差、頻差估計精度的影響，壓縮后信號和噪聲都發生了變化，會嚴重影響時差、頻差測量精度。最新的研究表明[8]，最為有效的準則是Fisher信息準則，適用于傳輸帶寬受限或存儲容量受限的應用或環境，是一種參數壓縮技術。這一思想也已經在語音、視頻等領域得到了應用，其基本思路是在壓縮時，保證Fisher信息不減小。而根據統計信號處理理論，Fisher信息是評價估計誤差的直接方式，盡可能保證Fisher信息不減小可以保證估計誤差不增大，因此從統計意義上看，Fisher準則是最優的準則。

通過數據壓縮技術[8]，可以將中頻數據有效地壓縮，壓縮比可達4～10倍，同時保證時差、頻差估計精度幾乎不受影響。

4　結束語

當前,微納衛星電子偵察技術方興未艾，相關的關鍵技術尚待研究和突破。本文對微納衛星組網電子偵察定位三個方面的關鍵技術進行了闡述，限于篇幅還有很多技術未涉及到，微納衛星偵察技術的研究任重而道遠。■

[1]黃漢文.微納衛星在空間信息對抗中的應用[J].航天電子對抗，2010, 26(1): 30-32，36.

[2]趙煒渝, 白保存, 金仲和.皮納衛星應用與特點分析[J].國際太空，2013(8): 36-40.

[3]徐義.基于多普勒信息的單星無源定位新技術研究[D].長沙：國防科學技術大學, 2009.

[4]朱偉強, 黃培康, 束鋒, 等.多星TDOA和FDOA聯合定位精度分析[J].系統工程與電子技術，2009, 31(12): 2797-2800.

[5]張奎, 羅景青.測量TDOA的完全非同步照射輻射源定位算法[J].信號處理，2014(8): 874-881.

[6]Sun M, Ho KC.An asymptotically efficient estimator for TDOA and FDOA positioning of multiple disjoint sources in the presence of sensor location uncertainties[J].IEEE Trans.on Signal Processing,2011, 59(7): 3434-3440.

[7]Ho KC, Xu W.An accurate algebraic solution for moving source location using TDOA and FDOA measurements[J].IEEE Trans.on Signal Processing,2004, 52(9): 2453-2463.

[8]趙先鋒.COTS微處理器軟件容錯性能的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學, 2007.

Key techniques of electronic reconnaissance and location based on micro/nano satellite network

Zhu Weiqiang, Wang Kerang, Zhu Xiaodan

(No.8511 Research Institute of CASIC，Nanjing 210007，Jiangsu，China)

Electronic reconnaissance based on micro/nano satellite network is under research, and many problems need to be resolved.The key techniques of three aspects are discussed, including basic reconnaissance system structure, payload hardware structure and inter-satellite networked communication.By introducing loosely coupled architecture and tightly coupled architecture of networked reconnaissance, some key techniques of locating scheme of ground target and air moving target and payload implementation are analyzed.A method of inter-satellite link is proposed.A data compression technique for IF data is introduced based on parameterized method.This study can be referred by micro/nano satellite reconnaissance system.

electronic reconnaissance;micro/nano satellite;passive location;self-organizing networking;data compression;micromation

2015-11-27；2016-03-11修回。

朱偉強(1964-)，男，研究員，博士，主要研究方向為電子對抗總體技術。

TN971+.5；V474.2+7

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