基于微納衛(wèi)星的電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)

蘇 抗，馬 琴，朱偉強(qiáng)，楊佳敏，趙巾衛(wèi)

(1.中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007;2.東南大學(xué)信息與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0 引言

電磁頻譜是現(xiàn)代社會不可或缺的重要戰(zhàn)略資源，隨著電子信息技術(shù)的不斷進(jìn)步、廣泛應(yīng)用，電磁頻譜資源的稀缺性日益凸顯。目前世界各國均設(shè)立了電磁頻譜監(jiān)管機(jī)構(gòu)，以便更為合理、有效地對其進(jìn)行規(guī)劃、監(jiān)測、管理。電磁頻譜管理直接關(guān)系到社會經(jīng)濟(jì)、國家安全等諸多方面，特別是在航空、水運(yùn)、高鐵等交通運(yùn)輸專用頻率秩序維護(hù)以及要地防護(hù)、活動保障、反恐維穩(wěn)等任務(wù)電磁頻譜安全保障領(lǐng)域，發(fā)揮著非常重要的作用，具有重大意義。大范圍、高密度電磁頻譜應(yīng)用需求與嚴(yán)格受限電磁頻譜資源之間的矛盾，使得電磁頻譜應(yīng)用空間越來越廣泛、應(yīng)用方式越來越復(fù)雜多樣。針對日趨廣闊的監(jiān)測區(qū)域需求以及日益復(fù)雜的電磁環(huán)境適應(yīng)性需求，以地基設(shè)備為核心的現(xiàn)有電磁頻譜監(jiān)測體系，受限于觀測視距以及信號多徑等諸多因素影響，在廣域頻譜監(jiān)測、精確輻射源定位等方面的短板顯著，已難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。特別是對干擾源、非法用頻終端等輻射源的快速查找，目前已經(jīng)成為困擾電磁頻譜監(jiān)管的重要難題，現(xiàn)有以地基設(shè)備為核心的電磁頻譜監(jiān)測設(shè)備，通常僅能在10～100 km量級的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)、提供5～10 km(C.E.P)的輻射源定位精度，在這種情況下，想在高樓密布的城市中快速找到干擾源、非法用頻終端等輻射源幾乎無法實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致實(shí)際工作中需要付出大量的人力和時間詳細(xì)排查，效率低下。近年來迅速發(fā)展的微納衛(wèi)星技術(shù)為電磁頻率監(jiān)測應(yīng)用提供了新的解決方案。微納衛(wèi)星具備高集成度、低費(fèi)效比、短研制周期等特點(diǎn)，通過一箭多星或搭載的發(fā)射方式，構(gòu)建低軌微納電磁頻譜監(jiān)測星座，利用衛(wèi)星平臺的高度優(yōu)勢，多星協(xié)同工作、星地聯(lián)合處理，可實(shí)現(xiàn)大范圍、全天候、寬頻段、長時間的電磁頻譜連續(xù)監(jiān)測以及干擾源、非法用頻終端的快速精確定位，顯著提升電磁頻譜態(tài)勢感知效能，彌補(bǔ)現(xiàn)有監(jiān)測體系能力不足，服務(wù)于無線電管理委員會等電磁頻譜監(jiān)管機(jī)構(gòu)的工作任務(wù)，滿足軍民融合應(yīng)用需求。

1 系統(tǒng)方案

基于微納衛(wèi)星的電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)由低軌電磁頻譜監(jiān)測微納星座與地面處理中心構(gòu)成，如圖1所示。低軌星座由分布在不同軌道面上的電磁頻譜監(jiān)測微納衛(wèi)星組成，具備廣域輻射源信號的檢測采樣能力，監(jiān)測結(jié)果通過星地鏈路傳輸至地面處理中心，在地面進(jìn)行信號的參數(shù)測量與干擾源、非法用頻終端的定位，通過星地協(xié)同的方式，最大程度降低微納衛(wèi)星的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。同時，微納星座還具備多星之間的、以及星地之間的時頻同步能力，以滿足多星協(xié)同工作、星地聯(lián)合處理的任務(wù)執(zhí)行需求。

圖1 基于微納衛(wèi)星的電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)組成

2 微納衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)

以全境電磁頻譜監(jiān)測為重點(diǎn)，兼顧全球電磁頻譜態(tài)勢感知任務(wù)，開展低軌電磁頻譜監(jiān)測微納星座設(shè)計(jì)。考慮到微納衛(wèi)星一箭多星發(fā)射與搭載發(fā)射相結(jié)合的特點(diǎn)，微納星座擬采用傾斜圓軌道與太陽同步軌道結(jié)合的混合軌道方案；考慮到微納衛(wèi)星大量采用COTS器件環(huán)境適應(yīng)性相對較弱、距離輻射源距離較遠(yuǎn)靈敏度要求較高等特點(diǎn)，微納星座擬選擇500 km軌道高度。表1給出了一種可能的微納星座設(shè)計(jì)方案。電磁頻譜監(jiān)測星座由100顆微納衛(wèi)星組成，微納衛(wèi)星均勻分布在5個軌道面(3個傾斜圓軌道面與2個太陽同步軌道面)，每個軌道面20顆，形成Walker星座,如圖2所示。

表1 微納混合星座構(gòu)型設(shè)計(jì)方案

圖2 100星星座構(gòu)型示意圖

圖3 星座時間覆蓋率隨緯度變化曲線

圖4 全球不同維度區(qū)域多顆微納衛(wèi)星覆蓋情況

在電磁頻譜監(jiān)測載荷視場角分別為±45°、±55°、±68°(與地球相切)的情況下，圖3給出了設(shè)計(jì)星座對不同維度區(qū)域的時間覆蓋率仿真結(jié)果。設(shè)計(jì)方案具備全球廣域電磁頻譜監(jiān)測能力，在載荷視場角±68°的情況下，系統(tǒng)能夠?qū)θ虼蟛糠志暥葏^(qū)域?qū)崿F(xiàn)近100%的實(shí)時覆蓋。在載荷視場角±68°的情況下，微納星座對全球不同維度區(qū)域的多星覆蓋情況如圖4所示，其中橫軸為緯度，縱軸為具備對該維度輻射源信號檢測采樣的微納衛(wèi)星數(shù)量。設(shè)計(jì)方案對全球不同維度區(qū)域均具備多星協(xié)同監(jiān)測能力，針對不同維度的輻射源，能夠參與協(xié)同監(jiān)測的微納衛(wèi)星平均數(shù)量為3～5顆，最大數(shù)量為5～9顆。可見在500 km軌道高度部署約100顆微納衛(wèi)星，即可實(shí)現(xiàn)全球廣域的電磁頻譜監(jiān)測，連續(xù)地、近實(shí)時地獲取動態(tài)頻譜態(tài)勢；具備較高的多星協(xié)同工作時間窗口，滿足多星協(xié)同工作、星地聯(lián)合處理的輻射源定位需求。

3 多星協(xié)同輻射源定位技術(shù)

在電磁頻譜監(jiān)管工作中，面對的干擾源、非法用頻終端等輻射源信號樣式差異明顯，既有寬帶信號、也有窄帶信號。為了滿足不同類型輻射源信號的定位需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時差、頻差、時頻差等3種多星協(xié)同定位體制。

3.1 多星時差定位技術(shù)

多星時差定位更適用于寬帶輻射源信號的場景。多星時差定位是通過測量三個或三個以上接收設(shè)備采集的信號到達(dá)時間差來對輻射源定位。由于地面輻射源信號到達(dá)不同衛(wèi)星的路徑長度不同，衛(wèi)星接收的目標(biāo)輻射源信號到達(dá)時間不同，將產(chǎn)生到達(dá)時間差TDOA。時差TDOA和目標(biāo)位置、衛(wèi)星位置有關(guān)，當(dāng)衛(wèi)星位置已知時，通過測量時差可解得目標(biāo)位置 。假設(shè)目標(biāo)位置為X=[xyz]T，主星位置為X0=[x0y0z0]T，副星i的位置為Xi=[xiyizi]T(i=1,…,P)，輻射源信號到達(dá)主星與副星的時間差為Δti，則時差與目標(biāo)位置、衛(wèi)星位置的關(guān)系可表示為：

式中，c為電磁波傳播速度。對上述方程組進(jìn)行求解，即可得到輻射源的位置。3.2 多星頻差定位技術(shù)多星頻差定位更適用于窄帶輻射源信號的場景。多星頻差定位是通過測量三個或三個以上接收設(shè)備采集的信號到達(dá)頻率差來對輻射源定位。由于地面輻射源信號到達(dá)不同衛(wèi)星的相對速度不同，衛(wèi)星接收的目標(biāo)輻射源信號到達(dá)頻率不同，將產(chǎn)生到達(dá)頻率差FDOA。頻差FDOA和目標(biāo)位置、衛(wèi)星位置與速度有關(guān)，當(dāng)衛(wèi)星位置與速度已知時，通過測量頻差可解得目標(biāo)位置。假設(shè)目標(biāo)位置為X=[xyz]T、速度為0，主星位置為X0=[x0y0z0]T、速度V0=[vx0vy0vz0]T，副星i的位置為Xi=[xiyizi]T、速度Vi=[vxivyivzi]T(i=1,…,P)，輻射源信號到達(dá)主星與副星的頻率差為Δfi，則時差與目標(biāo)位置、衛(wèi)星位置的關(guān)系可表示為：

圖5 頻率225 MHz、帶寬25 kHz輻射源三星協(xié)同定位精度

圖6 頻率3 GHz、帶寬2 MHz輻射源三星協(xié)同定位精度

圖8 頻率3 GHz、帶寬2 MHz輻射源四星協(xié)同定位精度

圖9 頻率225 MHz、帶寬25 kHz輻射源單星星地協(xié)同定位精度

圖10 頻率225 MHz、帶寬25 kHz輻射源雙星星地協(xié)同定位精度

圖11 微納電磁頻譜監(jiān)測立方星組成

4 星地協(xié)同輻射源定位技術(shù)

通過多星協(xié)同定位的方式， 能夠在廣泛范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)0.6～6 km(C.E.P)的定位精度，實(shí)現(xiàn)干擾源、非法用頻終端等輻射源的快速感知，但是定位精度任然難以滿足在城市中快速找到輻射源的目的。在多星協(xié)同完成輻射源初步定位的基礎(chǔ)上，采用星地協(xié)同定位方法，可以進(jìn)一步提升有限范圍內(nèi)的輻射源定位精度，顯著提升電磁頻譜監(jiān)管效能。星地協(xié)同定位的核心思想是：采用“地面近距離測向+星地聯(lián)合時差/頻差”的定位體制，在地面觀測設(shè)備附近范圍實(shí)現(xiàn)輻射源的高精度定位。在地面觀測設(shè)備測角精度0.5°的條件下，圖9、圖10給出了典型場景下的干擾源、非法用頻終端等輻射源定位精度仿真結(jié)果。星地協(xié)同定位能夠在地面觀測設(shè)備附近±10 km范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)100 m量級的輻射源定位，快速將輻射源定位到小區(qū)、甚至樓宇范圍，使得在城市中快速找到干擾源、非法用頻終端等輻射源成為可能。5 微納電磁頻譜監(jiān)測衛(wèi)星技術(shù)

微納電磁頻譜監(jiān)測衛(wèi)星采樣立方星(CubeSat)規(guī)范設(shè)計(jì)，具備小型化、易集成化、低成本、快發(fā)射等突出優(yōu)點(diǎn)。整星組成如圖11所示，單星質(zhì)量小于15 kg。為了實(shí)現(xiàn)寬帶、高靈敏度電磁頻譜監(jiān)測載荷的輕小型化設(shè)計(jì)，微波模塊采用微組裝工藝集成3D封裝芯片和裸芯片結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，數(shù)字模塊采用高集成度FPGA和DSP結(jié)合的SIP設(shè)計(jì)方案，顯著降低了載荷的質(zhì)量、功耗、體積。此外，基于COTS器件的電磁頻譜監(jiān)測載荷還具備功能可重構(gòu)能力，通過有限資源的分時復(fù)用，能夠執(zhí)行寬頻段電磁頻譜監(jiān)測以及指定干擾源、 非法用頻終端等輻射源定位任務(wù)。

6 結(jié)束語

微納衛(wèi)星電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)通過100顆15 kg量級、基于COTS器件的電磁頻譜監(jiān)測立方星構(gòu)成星座，采用多星協(xié)同工作、星地聯(lián)合處理的方式，以較低代價實(shí)現(xiàn)了廣域電磁頻譜態(tài)勢的連續(xù)、動態(tài)感知，以及干擾源、非法用頻終端等輻射源的快速、精確定位。與地基電磁頻譜監(jiān)測設(shè)備相比，其監(jiān)測范圍、定位精度均實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級的提升，有效彌補(bǔ)了現(xiàn)有監(jiān)測體系在廣域頻譜監(jiān)測、精確輻射源定位等方面的短板，通過更為高效、精確的感知，為電磁頻譜使用規(guī)劃提供全面支撐，為電磁頻譜管理執(zhí)行提供高效保障，在社會經(jīng)濟(jì)、國家安全等諸多方面，具備廣闊應(yīng)用前景。■