基于衛(wèi)星信號的外輻射源偵測技術研究

朱國富

（中國西南電子技術研究所，四川成都 610036）

隨著世界軍事技術的進一步發(fā)展，具備隱身能力的先進作戰(zhàn)武器逐步形成戰(zhàn)斗力，這對防空安全構(gòu)成了嚴重的威脅。為了發(fā)現(xiàn)這些威脅目標，常規(guī)的手段是使用雷達系統(tǒng)，然而，雷達系統(tǒng)正面臨著反輻射導彈、綜合電子干擾、低空突防等作戰(zhàn)手段日益嚴重的威脅[1-4]。因此，不主動發(fā)射信號的無源偵測定位技術發(fā)揮著越來越重要的作用。無源偵測定位包括基于目標輻射信號的偵察定位和基于外輻射源照射的偵察定位。

基于外輻射源照射的無源偵測系統(tǒng)是利用空中已有的其他非合作輻射源作為目標的照射源，通過接收來自照射源的直達波和經(jīng)目標反射的回波，測得目標回波的多普勒頻率、到達時差及到達角等，經(jīng)處理后實現(xiàn)目標的探測和跟蹤。這類系統(tǒng)可利用的外照射源有地面廣播通信電臺、電視臺、導航通信衛(wèi)星等。其中，地基外輻射源由于信號覆蓋范圍受限，導致其應用場景受到限制。衛(wèi)星信號具有全天候、無盲區(qū)、安全性高等優(yōu)點，是一種比較好的外輻射源[5-6]。

文中主要描述了基于衛(wèi)星信號的外輻射源偵測系統(tǒng)定位原理，探討了輻射源選擇的要點，并對導航衛(wèi)星信號、直播衛(wèi)星信號作為外輻射源的探測能力進行了分析總結(jié)，為基于衛(wèi)星信號的外輻射源偵測系統(tǒng)設計提供了依據(jù)。

1 定位的基本原理

在外輻射源定位中，可以利用的觀測量有信號到達角、信號時差、信號的多普勒頻率等，對應的常用定位方法有測向交叉定位法、時差定位法、差分多普勒定位法以及前幾種方法的聯(lián)合定位法等。

1.1 測向交叉定位法

測向交叉定位法如圖1 所示，其基本原理是通過3 個及以上的接收站對反射信號進行測向，利用測得的多條方位線進行交叉來實現(xiàn)目標定位，這種方法不需要對直達波信號進行測量。

圖1 測向交叉定位法示意圖

1.2 時差定位法

基于衛(wèi)星信號作為外輻射源的時差定位法主要分為多站時差定位和單站時差定位。

多站時差定位利用目標反射信號到達不同接收站的時間差來對目標進行定位，如圖2 所示，原理同三站時差，每個接收站接收到目標信號的時間與主站接收到目標信號的時間差可構(gòu)成一個雙曲面，3 個雙曲面相交于一點即為目標位置。要對目標實施三維定位，至少需要4 個接收站才能完成。目前TDOA 算法較為成熟，常用的算法有Taylor 展開法、兩部最小二乘法、解偽線性方程組法及它們的改進算法。

單站時差定位適合利用LEO∕MEO 衛(wèi)星星座作為外輻射源，如圖3所示。衛(wèi)星信號直達接收站的距離與衛(wèi)星信號到目標再到接收站的距離差可通過測量兩路信號到達接收站的時間差來獲得，數(shù)學上表示為：

圖3 單站時差定位示意圖

在三維地球坐標系中，設在觀測時刻，導航衛(wèi)星i的位置坐標為(xi,yi,zi)，接收站的位置坐標為(x0,y0,z0)，目標的位置坐標為(x,y,z)。則式（1）可以改寫成定位方程，如式（2）：

其中，c為光速，Tdi為衛(wèi)星i信號直達接收站與衛(wèi)星i信號到目標再到接收站的時間差。Li為衛(wèi)星i到偵察站的距離，可表示為：

定位方程中Tdi為測量量，衛(wèi)星位置通過導航電文給出，接收站位置為已知量，未知量為目標位置(x,y,z)，因此，通過式（2）可求解出目標位置。

1.3 測向測時定位法

測向測時定位法示意圖如圖4 所示，利用衛(wèi)星信號直達接收站與衛(wèi)星信號到目標再到接收站的時間差（距離差），可以確定包含目標的一個橢球面，結(jié)合對目標反射信號的測向信息(方位、俯仰)，示向線與橢球面的交點即為目標位置。

圖4 測向測時定位法示意圖

2 輻射源的選擇

為了適應外輻射源偵測系統(tǒng)的設計，衛(wèi)星輻射源的選擇一般遵循以下原則：

1）輻射源具有較高的等效全向輻射功率（EIRP）水平；

2）輻射源信號具有較寬的覆蓋范圍；

3）輻射源信號需要持續(xù)穩(wěn)定存在[7]。

因此，一般在低軌道∕中軌道衛(wèi)星星座或同步軌道衛(wèi)星中選擇輻射源。

在低軌衛(wèi)星（LEO）星座中，銥星（Iridium）和全球星（Globalstar）等移動通信衛(wèi)星會持續(xù)發(fā)射廣播信號和導頻信號，盡管低軌衛(wèi)星的EIRP 水平低，但由于低軌衛(wèi)星離地面距離近，信號鏈路衰減小。但是，低軌衛(wèi)星由于存在高速運動，會導致多普勒頻率的快速變化，同時衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)在工作過程中存在波束切換、衛(wèi)星切換、頻率切換等。因此，就算系統(tǒng)可檢測足夠的SNR 值，這也會使后續(xù)處理變得更為復雜。基于上述缺點，低軌移動通信衛(wèi)星星座并不是合適的輻射源。

在中軌道（MEO）衛(wèi)星星座中，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）通常被選用作為輻射源，包括全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS）、伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GALILEO）、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS），由于GNSS 可以全球全天候覆蓋、抗干擾性能好[8]，近年來，越來越多的外輻射源定位系統(tǒng)基于導航衛(wèi)星信號開展研究和試驗。文獻[9-10]利用GALILEO 衛(wèi)星信號作為輻射源，開展了對海上目標探測的研究，將渡輪作為探測目標進行了試驗驗證。

在同步軌道（GEO）衛(wèi)星中，數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)（DVB-S）、海事四代衛(wèi)星（Inmarsat I-4）通常被考慮用作輻射源，這類衛(wèi)星的特點是輻射功率大、覆蓋范圍廣、衛(wèi)星處于同步軌道、輻射信號穩(wěn)定，極大地簡化了后續(xù)的信號處理過程。

3 探測能力分析

3.1 探測距離計算推導

根據(jù)雷達方程，雷達接收功率為：

其中，Pt為衛(wèi)星發(fā)射信號的功率；Gt為衛(wèi)星發(fā)射天線增益；RT為衛(wèi)星到目標的距離；RR為目標到地面接收站的距離，即為探測距離；σ為目標雷達截面積（RCS），單位為m2。

設地面接收站的有效孔徑面積為Ae，則接收站接收到的信號的功率為：

根據(jù)天線理論，接收天線增益Gr與有效孔徑面積Ae的關系為：

其中，λ為發(fā)射信號波長。

將式（6）代入式（5）可得：

噪聲功率PN的計算公式如式（8）：

其中，k=1.38×10-23J∕K，為玻爾茲曼常數(shù)；B為接收機帶寬；Ta為外部噪聲；F為噪聲系數(shù)；T0=290 K，為標準噪聲溫度。

接收機輸入信噪比（SNR）為回波信號功率PR與噪聲功率PN之比：

由式（9）可知，根據(jù)系統(tǒng)可以檢測的信噪比（SNR）、衛(wèi)星信號等效全向輻射功率（EIRP）、雷達截面積（σ）、衛(wèi)星到目標的距離（RT）等已知參數(shù)，可以計算出接收站到目標的距離（RR），RR即為探測距離。

3.2 基于導航衛(wèi)星信號的探測能力分析

對于GPS 衛(wèi)星信號，EIRP=26.8 dBW，為GPS 衛(wèi)星等效全向輻射功率；λ為發(fā)射信號波長（fL1=1 575.42 MHz），λ=(3×108)∕(fL1×106)=0.190 42 m；RT為衛(wèi)星到目標的距離，如果目標為低空目標，衛(wèi)星與目標的距離RT近似等于GPS 衛(wèi)星的軌道高度，即20 200 km[11]。

對于GPS信號，其比特寬度為20 ms，一個比特內(nèi)包含20個C∕A碼周期，一個C∕A碼周期由1 023個碼片組成[12]，因此20 ms的積累時間對應的增益為43 dB。

加長積累時間，可以提高處理增益，檢出門限按10 dB 計算，增益、積累時間與捕獲信噪比關系如表1所示。

表1 積累時間、增益、捕獲信噪比關系表

通過分析，如果直接利用GPS 衛(wèi)星信號作為外輻射源，在積累時間為10 s，RCS=5 m2時，探測距離與SNR 的關系曲線如圖5 所示。

圖5 GPS探測能力（積累時間:10 s，RCS:5 m2）

從圖5 可以看出：

Gr=32 dB，積累時間為10 s時，探測距離可達6 km；

Gr=42 dB，積累時間為10s時，探測距離可達19 km；

Gr=52 dB，積累時間為10s時，探測距離可達59 km。

在RCS=100 m2，積累時間為2 s 時，探測距離與SNR 的關系曲線如圖6 所示。

圖6 GPS探測能力（積累時間:2 s，RCS:100 m2）

從圖6 可以看出：

Gr=32 dB，積累時間為2 s時，探測距離可達12 km；

Gr=42 dB，積累時間為2 s時，探測距離可達38 km；

Gr=52 dB，積累時間為2s時，探測距離可達120 km。

目前在軌的幾種衛(wèi)星導航系統(tǒng)的衛(wèi)星輻射功率差異不大，具體如表2 所示。

表2 GNSS衛(wèi)星輻射EIRP值與軌道高度

對于北斗衛(wèi)星，北斗一代基本停用，國際電聯(lián)ITU-R M.1787 建議書中對信號功率和頻譜的規(guī)定：基于理想匹配和0 dBi等方向接收機天線，地表上任何仰角等于或大于5o的最小接收功率如表3所示。

表3 北斗衛(wèi)星信號功率規(guī)定

通過衛(wèi)星到地面的鏈路衰減計算可知，北斗衛(wèi)星的EIRP 值與其他GNSS 衛(wèi)星的基本一致。

因此，可以看出，利用其他導航衛(wèi)星信號作為外輻射源的探測能力基本類似，不存在太大的差異。

3.3 基于直播衛(wèi)星的探測能力分析

直播衛(wèi)星的基本參數(shù)如表4 所示。

表4 直播衛(wèi)星工作參數(shù)表

EIRP 取最大值60 dBW，積累時間取10 s（最大相干積累增益為Gp=TMAXB=85 dB），RCS 取5 m2，探測距離與SNR 的關系曲線如圖7 所示。

圖7 直播衛(wèi)星探測（積累時間:10 s，RCS:5 m2）

從圖7 中可以看出：

Gr=32 dB，積累時間為10 s時，探測距離可達15 km；

Gr=42 dB，積累時間為10s時，探測距離可達47.5 km；

Gr=52 dB，積累時間為10s時，探測距離可達150 km。

EIRP 取最大值60 dBW，積累時間取2 s（最大相干積累增益為Gp=TMAXB=78 dB），RCS 取100 m2，探測距離與SNR 的關系曲線如圖8 所示。

圖8 直播衛(wèi)星探測（積累時間:2 s，RCS:100 m2）

從圖8 中可以看出：

Gr=32 dB，積累時間為2 s時，探測距離可達34 km；

Gr=42 dB，積累時間為2 s 時，探測距離可達68.04 km；

Gr=52 dB，積累時間為2 s時，探測距離可達300 km以上。

3.4 分析結(jié)果

通過對導航衛(wèi)星、直播衛(wèi)星作為輻射源時的探測能力進行了分析，分析結(jié)果表明：

1）利用導航衛(wèi)星信號作為輻射源時，Gr=32 dB，RCS=100 m2，積累時間為2 s時，探測距離可達12 km。系統(tǒng)的探測能力有限，為提高探測距離，需要利用高增益天線及較長的積累時間，對于空中高速運動目標的實際工程應用意義不大，但對于海上低速運動目標具有一定的意義；

2）利用大功率直播衛(wèi)星作為外輻射源時，Gr=32 dB，RCS=100 m2，積累時間為2 s 時，探測距離可達34 km。雖然衛(wèi)星到地面距離遠，鏈路衰減大，但是衛(wèi)星輻射功率大，探測能力優(yōu)于GNSS 衛(wèi)星。并且，直播衛(wèi)星一般會搭載多路轉(zhuǎn)發(fā)器，可以利用多路轉(zhuǎn)發(fā)器信號實現(xiàn)相參積累，提高檢測信噪比，提升探測能力[13]。

現(xiàn)階段，影響探測能力的主要因素是衛(wèi)星信號照射到目標時的功率水平，基于衛(wèi)星信號的外輻射源定位系統(tǒng)適用于對低速、大雷達反射截面積的目標探測。為了提升作用距離和預警能力，可以將探測系統(tǒng)搭載于無人機或其他升空平臺前出。

4 結(jié)論

該文從利用衛(wèi)星信號作為外輻射源進行定位的基本原理出發(fā)，給出了選擇衛(wèi)星輻射源所需要考慮的主要因素，對不同軌道的衛(wèi)星信號特點進行了對比，并對導航衛(wèi)星、直播衛(wèi)星等常用輻射源的探測能力進行了分析，分析結(jié)果表明，大輻射功率的同步軌道衛(wèi)星更適合用作輻射源。欲讓基于衛(wèi)星信號的外輻射源定位技術真正實現(xiàn)工程應用，還有很多需要研究的關鍵技術，比如目標信道中直達波、多徑雜波及地雜波的抑制，微弱目標信號的檢測，直達波信號提純等[14-16]。相信隨著關鍵技術的研究突破和衛(wèi)星技術的發(fā)展，基于衛(wèi)星信號的外輻射源定位技術一定會成為其他目標偵測手段的有力補充。