移動擴頻參考源在衛星干擾源地面排查中的應用研究

林 輝，周 平

（國家無線電監測中心深圳監測站，廣東 深圳 518120）

0 引言

近年來，衛星干擾事件呈現出了爆發式的增長，給衛星無線電頻譜正常秩序造成了嚴重的威脅。而衛星干擾源上行站典型定位結果為一個長軸半徑約為30千米的橢圓區域，定位精度較為粗略，造成干擾源的查找面臨很大的困難。單個衛星干擾源地面搜測時間普遍為3-天，效率低下。當前，國內外尚未有公開文獻提出有效提高干擾源搜測效率的新方法，本文提出的新技術手段將有效改善當前衛星干擾源排查困難的現狀。

1 衛星干擾源定位原理及參考源的作用

1.1 雙星定位原理

當前，衛星干擾源定位主要采用雙星定位體制[1][2]。雙星定位的衛星是兩顆彼此靠近的同步衛星，其中受到干擾的衛星稱之為主星，在鄰近位置用于輔助定位的衛星為鄰星。由于干擾發射機的天線特性，波束主瓣對準主星，而波束的某個副瓣指向鄰星。由于傳播路徑不同，兩路同源信號到達固定接收站時具有不同的時延，根據測量得到信號的時間差（DifferentiaI Time Offset， DTO），可在地球上畫出一條時差線；兩顆地球靜止軌道衛星在相對于發射源方向存在一個相對速度差，由此可在地球上畫出一條多普勒頻差線[3][4][5]（DifferentialFrequency Offset， DFO），兩線的焦點即為干擾源定位最優點。在有5個參考源信號的前提下，最終的典型定位結果為一個以最優點為中心，長軸為30千米，短軸約10千米的橢圓區域。

圖1 衛星干擾源定位示意圖

1.2 引入參考源的定位方程組

衛星上行站信號的主瓣和旁瓣信號經由兩顆衛星（主星和鄰星）轉發后，由地面站接收后進行數據處理，其傳輸鏈路如圖2所示。

圖2 信號傳輸鏈路示意圖

r、r0、rm分別表示上行干擾源、第一參考站（也稱之為位置參考站）、地面接收站的位置徑向矢量。

由于兩路信號的傳輸信道不一致（主要是兩路信號的衛星轉發器本振源不一致），會給兩路信號的參數估計帶來很大的誤差。為消除信道不一致帶來的不利影響，以及對定位方程的簡化，當前衛星干擾源定位系統的普遍做法是在定位方程引入已知地理位置和頻點的參考源。引入參考源的定位方程如式（1）、式（2）所示：

通常衛星干擾源定位需要發射5個參考源用于校準雙星星歷，其中，第一參考源融入定位方程，參與定位方程的解算[5][6][7]。

易知，即使沒有多參考修正星歷的前提下，第一參考位置r0無限逼近干擾源r位置時，式（3）、式（4）的取值均趨近于0。由于干擾源定位是以r0作為基準參考點，故最終解算出的定位結果r趨近于r0[2][8][9]。

故可得下列結論：當第一參考站逼近于干擾源目標時，得到的定位結果精度越高。在衛星干擾源定位中，總會選取地理上距離干擾源近的參考站作為第一參考。

其中，公式（4）中由于分子遠小于分母，其值近似為0。

2 參考源小型化技術

目前，絕大多數干擾源定位時均不具備較近的參考站作為第一參考站，從而定位結果誤差較大。若有便攜式參考源發射站，監測人員可將參考源放置在任意需要的位置發射參考信號，可有效解決定位結果精度不足的問題。而一般的參考源系統是一個復雜系統，包含一副較大口徑的環焦天線，大型發射功放一臺，三臺電機（用以驅動天線的方位、俯仰、極化轉動），信號發生器等總重高達500 kg，基于現有體制的參考源系統無法實現隨身攜帶。

擴頻信號相比于普通信號，在對主星、鄰星兩路信號進行互模糊處理時會產生額外的擴頻處理增益。此額外的擴頻處理增益可以用來縮小參考源系統，即可以用小型天線和功放單元來組建參考源系統，而使得主星、鄰星兩路信號互模糊時得到與傳統參考源一致的信噪比峰值[10]。擴頻信號技術是參考源系統小型化的基礎，目前，已有擴頻參考源系統用于衛星干擾源定位實驗取得了成功[11]。

3 擴頻參考源系統

3.1 系統組成及功能

基于參考源逼近目標的思路，研制了一套便攜式移動參考源系統，用于衛星干擾源排查。系統主要由擴頻信號源、上變頻功放單元（BUC）、喇叭天線三部分組成，擴頻信號源用于產生擴頻基帶信號傳輸到上變頻功放單元，BUC 單元進行上變頻并進行放大輸出射頻信號，射頻信號經由喇叭天線發射到目標衛星。

圖3 擴頻參考源系統框架圖

擴頻參考源系統除了上述三個主要功能模塊外，還有配套的天線伺服系統用于驅動喇叭天線對準衛星。BUC 單元功放輸出為4 W，喇叭天線在C 頻段最高增益為11 dBi，在Ku 頻段最高增益為17 dBi。系統總體質量為23 kg，相比于傳統體制參考源系統，總質量和體積均大幅度降低。

圖4 喇叭天線在C頻段（6GHz）方向圖

圖5 喇叭天線在Ku頻段（14 GHz）方向圖

小喇叭天線的額外優勢就是主波束很寬，其 3 dB 波束寬度在 C 頻段和 Ku 頻段分別為 54°和25°，發射波束能同時覆蓋主星和鄰星，對星方便[12]。

3.2 參考源與定位系統同步問題

由于擴頻參考源主要用于戶外搜測信號，參考源發射信號不能在定位系統指令下同步精準發射，造成對參考源信號進行互模糊估計時，計算量大、耗時長，影響正常的定位工作。為減少運算量，大幅縮減計算時間，采用如下策略：

在進行衛星干擾源定位時，擴頻參考源通過公眾移動通信網絡，接收衛星干擾源定位系統發出的指令，配置相關發射參數（發射頻點、擴頻碼序列選擇、初始相位設置等），并配置一系列精確到秒的計劃發射時刻表。參考源系統根據計劃時刻表，在GPS 時間統一系統的協調下，在指定頻率準時發射指定的擴頻信號。衛星干擾源定位系統按照發射時刻表進行定位采集，就能夠利用擴頻參考源提供的參考信號快速進行互模糊估計。

圖6 擴頻參考信號發射策略

4 基于擴頻參考源的干擾源搜測流程

對某一個衛星干擾源信號，干擾源定位中心站首先使用 5個固定參考站對衛星干擾源信號進行定位，時差線與頻差線相交得到一個初步的定位結果，該定位精度的典型值為 30-40千米，得到定位結果后，后續工作是地面排查干擾源。

4.1 三步法

第一步：根據初步的定位結果，干擾源地面搜測人員攜帶擴頻參考源出車赴干擾源定位區域，并在干擾源疑似區域內架設參考站，向主鄰星發射擴頻參考信號；干擾源定位中心站利用發射的擴頻參考站作為第一參考外加 4個固定參考源，重新對干擾源信號進行定位，此時定位精度將會精確到 10千米以內。

圖7 地面發射擴頻參考源輔助干擾源排查

第二步：根據第一步的定位結果，在 10千米以內的定位橢圓區域繼續發射擴頻參考源，干擾源定位中心站進一步定位干擾源信號，此時定位結果準確度將提高到1千米以內。

第三步：在 1千米區域范圍內，利用高增益喇叭天線、低噪聲放大器、便攜式頻譜儀人工搜測，大量的實踐經驗表明，在 1千米的區域內最終確定干擾源的發射位置耗時小于 30分鐘。

4.2 參考源逐步逼近、定位結果收斂于真實值的數學解釋

由于公式（1）、（2）為非線性方式，無法得到對方程直接求解，考慮對公式（1）、（2）進行泰勒展開[12][13]，得公式（5）、（6）。

公式（5）、（6）省略高階項得公式（7）、（8）。

由于公式（7）、（8）為線性方程，易求位置徑向矢量r1，又因為當干擾源位置r1與第一參考r0距離較大時，省略的高階項數值較大，導致求解得到的r1值存在較大的誤差。此時考慮逐步逼近、迭代求解的方式，將求解出的r1值代入r0，繼續使用公式（9）、（10）繼續求解r。

當第n+1次求解出的rn+1與第n 次求解出的rn差值為一個極小值時，迭代終止。對公式（7）、（8）迭代求解的收斂性嚴格證明詳見文獻[6]。

當位置參考源逐步逼近干擾源時，定位結果越接近真實值。

5 干擾源地面排查實際案例

2016年，有一不明載波非法盜用某衛星轉發器信道。使用5個參考源對該干擾信號進行定位（位置參考源距離目標320千米），總計10次定位，定位地點位于廣東省某市一帶，平均定位誤差28.3千米（見圖8）。

圖8 第一次定位結果

得到初步定位結果后，攜帶擴頻參考源出車赴定位點附近發射擴頻參考源信號，以此參考源作為第一參考繼續定位目標信號，總計10次定位，定位點平均定位誤差4.2千米（見圖9）。

圖9 第二次定位結果

得到第二次定位結果后，驅車赴定位點附近再次發射擴頻參考信號定位干擾源，總計10次定位，第三次定位點平均定位誤差 380米（見圖 10）。

得到中心站第三次定位結果后，監測人員攜手持干擾源排查儀器，開始人工排查信號源，耗時約 25分鐘，順利確定衛星干擾源位置。

6 結束語

圖10 第三次定位結果

傳統的干擾源地面排查方式基于 5個固定參考源的定位結果，在長軸典型值為 30千米的橢圓區域人工排查，根據地形建筑物的復雜度不等，一般需耗時2-7天才能排查到干擾源。新的方式基于用便攜式移動參考源逐步逼近定位的方式，只需額外進行兩次定位，能將定位精度提高到 1千米以內，將人工排查時間縮短到 1小時以內。相比前者，新方法能將搜索時間大幅度減少，大大提高了衛星干擾源地面排查的效率。