基于多星波束覆蓋的干擾源定位方法

夏宇垠，羅 濤，王志印，胡 進，葛 超，鄧 坤

（1.中國航天科工集團8511 研究所，江蘇 南京 210007；2.中國人民解放軍32053 部隊，廣東 廣州 510000）

0 引言

衛星系統由空間衛星、地面監控以及空間數據信息傳輸鏈路3 部分組成。空間數據信息傳輸鏈路主要指上行鏈路、下行鏈路和星際鏈路。空間衛星上行接收鏈路的正常通信，是整個衛星系統正常運行的前提。據有關資料統計，截至2019 年底，我國已有317顆左右的衛星在軌運行，僅次于美國位居世界第二。這些衛星包括通信衛星、導航衛星（軍民兩用）、地球遙感衛星、氣象衛星等。隨著民用無線業務的飛速發展以及軍用信息化武器裝備的增加，這些在軌運行的航天器面臨越來越復雜的電磁環境，有必要對地面長期存在、高功率威脅干擾源開展監測與定位，為干擾影響的排除提供支撐，保障衛星系統的正常運行。

目前部分衛星上已配置電磁環境監測載荷，其主要作用是對進入衛星各種接收天線的有意和無意干擾信號進行長期監測，測量干擾信號的頻率、功率等信息，對強干擾信號進行告警。本文提出一種利用單通道電磁環境監測載荷實現干擾源初步定位的方法，并開展了仿真分析。

1 多星波束覆蓋干擾源定位技術

1.1 基本原理

多星波束覆蓋定位的示意圖如圖1 所示。假設衛星在0,1,2…等多個時刻都可以監測到同一個干擾源。通過衛星波束覆蓋范圍的變化，這個干擾源可能存在的區域（圖中的陰影部分）會逐漸地縮小，以達到定位的效果。

圖1 多星波束覆蓋定位示意

該定位體制實現簡單，多顆衛星分別將各自的電磁環境監測數據（頻譜、監測結果）回傳至地面，由地面進行綜合處理，通過一段時間的積累，查找干擾源位置。

1.2 實施方法

假設衛星系統配置了電磁環境監測載荷，若衛星系統在時間段1,…,內，在頻率上受到干擾。首先，對數據庫中所有衛星電磁環境監測載荷的監測結果（信號參數測量、頻譜）進行檢索，根據信號的頻率、帶寬、調制樣式，找出監測到該信號的衛星。假設檢測到該干擾信號的衛星共有顆（=1,…,）。

1）地表網格化

將全球的地圖展為二維圖，并進行“網格化”,如圖2 所示。軸為經度（-180°～+180°），軸為緯度（-90°～+90°）。

圖2 地表網格圖

將全球地表按照經緯度劃分為×個網格，每個網格(,)代表相應位置，其中心點的經緯度值記為(,)，具體定義如下：

網格劃分越細，定位精度越高，相應地，其計算量也越大。網格與分辨率的關系見表1，需要注意的是，每個網格的面積大小存在一定差異。

表1 網格與平均分辨率的關系

2）構建覆蓋矩陣

對于中高軌衛星來說，根據其軌道特性，對地面的天線波束寬度不大于13.5°（中軌）或是8.9°（高軌），一般寬開的天線波束范圍就可以實現切線覆蓋。從幾何學角度分析，衛星在特定時刻，對地面的波束覆蓋范圍是確定的，如圖3 所示。

圖3 對地觀測天線波束覆蓋區域示意圖

式中，(,)為網格(,)的中心點(,)在時刻與衛星之間的距離。的定義如下：

式中，R為地球的半徑，為衛星的軌道高度。即衛星能覆蓋到的網格值定義為1，無法覆蓋到的網格定義為0。

3）干擾源定位

將衛星（1,…,）能觀測到干擾源的時刻集合定義為Φ。對相應的覆蓋矩陣進行求和：

對∈R中所有元素(,),,=1,…,進行搜索，找出最大元素（一般存在多個最大值）。最大值所對應的網格就是干擾源可能存在的區域，將該區域定位為＇。事實上，由于地面干擾源發射俯仰角無法實現0°～90°覆蓋，干擾源定位區域可能存在于一個較大的范圍。將＇中的元素(,)進行平均，最終得到干擾源的位置估計值。

2 仿真分析

多星波束覆蓋定位主要是針對地面長時間存在的高功率干擾信號。仿真分析的干擾場景想定如圖4所示。

圖4 干擾定位場景

干擾源的定位精度與星座配置、定位時間、干擾源所處的位置都有關系。仿真中將地球表面劃分為18×9 個網格，對位于各個網格中的干擾源進行定位精度分析。仿真采用6 個中軌道面的衛星，定位間隔時間為10 min/次（在可視區域內，衛星每10 min 可以看到干擾源一次），=15°。衛星絕對定址精度10 m，相對定址精度10 m，網格數=1 000。

8 h、12 h、24 h 的仿真結果如圖5—7 所示。

圖5 定位誤差的分布圖（8 h）

仿真分析可以看出，多星波束覆蓋定位體制的定位精度與星座配置、定位時長、干擾源位置都有關系，一般來說，配置干擾監測載荷的衛星越多，定位的時間越長，得到的定位精度也越高。通過12 h，可以實現百千米量級的定位精度。

3 結束語

本文提出了一種基于衛星回傳的電磁環境監測數據，利用衛星不同時刻波束覆蓋變化情況，實現地表長期存在干擾源定位的方法。該方法工程實現簡單，其獲取的干擾源初步定位結果可以引導低軌、機載、地面等平臺的偵察設備開展進一步的詳查。■