衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)干擾信號的監(jiān)測與定位技術(shù)[圖]

1990年以來衛(wèi)星通信等業(yè)務(wù)迅速發(fā)展，而地面空間有意或無意的干擾對系統(tǒng)的威脅也日益增加。據(jù)歐洲電信衛(wèi)星組織(EUTELSAT)的有關(guān)報(bào)告，每年都會出現(xiàn)數(shù)百次衛(wèi)星系統(tǒng)受干擾事件。從我國衛(wèi)星系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用來看，人為干擾事件也時(shí)有發(fā)生。為了避開干擾，一方面要對空間頻率資源進(jìn)行合理劃分和有效保護(hù)；同時(shí)也要采取迅速而有效的措施來監(jiān)測定位干擾信號。面對越來越多的干擾事件，以及對接收機(jī)及衛(wèi)星的直接攻擊和干擾，必須研究對衛(wèi)星和接收機(jī)干擾的監(jiān)測和定位技術(shù)，同時(shí)星載干擾監(jiān)測與定位技術(shù)是勢之所趨。

1、干擾源監(jiān)測與定位技術(shù)

1.1 干擾監(jiān)測技術(shù)

常規(guī)的干擾監(jiān)測與定位只是一個(gè)局部系統(tǒng)，應(yīng)該建立一個(gè)一體化的干擾監(jiān)測與定位技術(shù)，既可以實(shí)現(xiàn)對于衛(wèi)星信號干擾的監(jiān)測與定位，也可以實(shí)現(xiàn)對地面用戶的干擾監(jiān)測與定位。干擾監(jiān)測與定位設(shè)備有機(jī)載設(shè)備、車載設(shè)備和地面設(shè)備。

地面干擾監(jiān)測設(shè)備由地面干擾監(jiān)測設(shè)備和衛(wèi)星信號監(jiān)測設(shè)備組成。主要包括：干擾監(jiān)測測向天線、定向接收天線、干擾信號監(jiān)測接收模塊、衛(wèi)星信號監(jiān)測接收模塊等。地面干擾監(jiān)測設(shè)備如圖1所示。

圖1 地面干擾監(jiān)測設(shè)備組成示意圖

地面固定監(jiān)測與車載式監(jiān)測，二者的工作模式有一定的區(qū)別。

車載干擾監(jiān)測主要組成示意圖如圖2所示，車輛頂端安裝一個(gè)多陣元天線陣，每個(gè)天線陣元的射頻信號下變頻到中頻，然后進(jìn)行A/D采樣。從A/D出來的數(shù)字信號再經(jīng)過帶通濾波和下采樣，最后信號經(jīng)過一個(gè)實(shí)時(shí)的自適應(yīng)數(shù)字波束形成器。為了保證天線陣各個(gè)方位角的角分辨率，可以選擇圓形天線陣，一個(gè)陣元位于圓心，其余天線陣元均勻分布圓上，為了保證DOA的估計(jì)精度，天線間隔應(yīng)該盡量大。

圖2 車載干擾監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

在波束形成之前，利用從天線通道提取的原始信號可以估算出干擾信號的到達(dá)方向(DOA)。因此，只要估計(jì)出干擾源在天線陣不同位置的DOA值，然后由三角測量法就可以估計(jì)出干擾源的位置。

1.2 干擾源定位技術(shù)

對干擾源的定位，一般要給出干擾源的三維參數(shù)：方位角、距離、離地高度。

目前干擾源定位技術(shù)主要包括：基于信號到達(dá)時(shí)間差(TDOA)定位技術(shù)，即測時(shí)差定位；基于信號到達(dá)角(AOA)定位技術(shù)，即測向定位；基于信號到達(dá)頻率差(FDOA)定位技術(shù)。圖3非常直觀地給出了這3種干擾源定位技術(shù)的區(qū)別與聯(lián)系。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，通常選擇幾種技術(shù)相結(jié)合的方式，以取長補(bǔ)短獲得更好的性能。如TDOA與FDOA相結(jié)合，可以彌補(bǔ)TDOA對運(yùn)動(dòng)干擾源定位時(shí)間的滯后性。三角測量法與弧線相交法相結(jié)合，可以有效地克服DF系統(tǒng)誤差及數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差的影響，達(dá)到較高的精度。

圖3 干擾源定位技術(shù)分類

2、干擾轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星信號的監(jiān)測與定位

2.1 基于地面對衛(wèi)星干擾信號的監(jiān)測與定位技術(shù)

與地面干擾監(jiān)測與定位系統(tǒng)一樣，對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)干擾信號的監(jiān)測與定位技術(shù)主要有2種：基于信號到達(dá)時(shí)間差(TDOA)定位技術(shù)，即測時(shí)差定位；基于信號到達(dá)角(AOA)定位技術(shù)，即測向定位。

到達(dá)時(shí)間差(TDOA)干擾源定位技術(shù)目前已經(jīng)在民用衛(wèi)星通信系統(tǒng)中應(yīng)用。到達(dá)時(shí)間差定位也稱為雙曲線(面)定位，它是通過處理信號到達(dá)多個(gè)接收站之間的時(shí)間差來確定目標(biāo)位置，從幾何意義上理解是從多個(gè)等值測量的定位雙曲線(面)來尋找其交點(diǎn)。TDOA定位一般是由處于相同軌道的兩顆衛(wèi)星相互配合來實(shí)現(xiàn)，其中一顆為受干擾衛(wèi)星，另一顆輔助衛(wèi)星是可以利用的鄰近衛(wèi)星，如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星干擾源定位原理

在三維空間坐標(biāo)系中，利用2顆衛(wèi)星接收干擾信號的TDOA定位方法只能夠確定干擾源所在一條雙曲線，而無法確定干擾源的確切位置點(diǎn)，這就是TDOA定位的模糊問題。為了精確測量干擾源的空間位置，還必須采取輔助測量措施。例如利用到達(dá)頻率差(FDOA)測量信息，或采用干涉方法解模糊等。在實(shí)際應(yīng)用中，地面干擾信號泄漏至相鄰衛(wèi)星的功率往往是十分微弱的，比正常接收信號電平一般要低30~40dB，采用傳統(tǒng)的信號檢測方法是無法檢測的，因此地面監(jiān)控站需要采用弱信號相關(guān)檢測等高靈敏度接收技術(shù)，至少具有60dB以上的處理增益。

測向定位是最早出現(xiàn)且廣泛應(yīng)用的一種定位方法。對處于中、低軌道衛(wèi)星，由于能夠利用星地之間的相對運(yùn)動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)測向定位要相對容易些。但對于地球同步軌道衛(wèi)星，上述連續(xù)測向方法就不再適用了。結(jié)合衛(wèi)星天線多波束特性來測定干擾源的空間位置，是近年來衛(wèi)星干擾源技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。日本通信綜合研究所(CRL)的研究人員通過工程試驗(yàn)衛(wèi)星ETS-VI的S波段多波束相控陣天線進(jìn)行了干擾源定位實(shí)驗(yàn)，其定位方法為單脈沖比幅測量；同時(shí)他們還進(jìn)一步研究了用于抑制干擾信號的自適應(yīng)波束形成技術(shù)。

測時(shí)差定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是對整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的正常運(yùn)行影響較小，但它要求2顆衛(wèi)星能同時(shí)接收到干擾信號電平，否則就無法正常測得干擾源位置。

測向定位技術(shù)無需其他衛(wèi)星協(xié)助，僅利用受干擾衛(wèi)星就可以實(shí)現(xiàn)對干擾源的定位。但傳統(tǒng)測向方法(如最大信號法等)的定位精度較低，應(yīng)用范圍受到限制。以陣列信號處理為基礎(chǔ)的空間譜估計(jì)技術(shù)(如最大似然估計(jì)法、特征分解方法以及熵譜估計(jì)法等)突破了瑞利極限，具有很高的估計(jì)精度和空間分辨性能，可同時(shí)對多個(gè)輻射源進(jìn)行定位。但其在進(jìn)行方位搜索時(shí)需要巨大的計(jì)算量，且天線模型誤差及天線指向誤差對定位精度影響較大。

2.2 星載干擾源監(jiān)測與定位技術(shù)

衛(wèi)星干擾源定位是地面干擾源定位技術(shù)在衛(wèi)星領(lǐng)域的應(yīng)用，但有別于地面干擾源定位技術(shù)。

首先，定位設(shè)備的載體不同，地面干擾源監(jiān)測與定位系統(tǒng)可以是車載的，也可以是固定站；而星載干擾監(jiān)測與定位系統(tǒng)則受到體積、大小、重量以及功耗的限制。其次，二者側(cè)重點(diǎn)不同，多徑效應(yīng)的影響是地面干擾監(jiān)測與定位要解決的重點(diǎn)問題之一，而星載干擾監(jiān)測與定位系統(tǒng)則無需考慮。三是所采用的天線形式不同，地面干擾監(jiān)測與定位系統(tǒng)一般用無方向性天線組成天線陣來進(jìn)行測向，而星載干擾監(jiān)測與定位系統(tǒng)一般采用多波束天線，前者假設(shè)各天線陣子接收到的信號是等幅的，它利用信號入射角不同而在各陣子上引起的相位差不同進(jìn)行測向，而星載多波束天線一般不考慮各波束接收到的信號相位差的影響，它是利用各波束接收到的信號幅度不同進(jìn)行測向定位。

以空間譜估計(jì)原理為基礎(chǔ)的先進(jìn)測向技術(shù)可以有效解決密集信號環(huán)境中多個(gè)輻射源的高分辨率、高精度測向定位問題。

衛(wèi)星天線采用多波束天線。常用的空間譜估計(jì)方法有最大似然估計(jì)法、模型參量法以及特征分解法等。其中，以MUSIC算法為代表的特征分解方法自提出以來一直受到人們的高度重視，至今仍代表空間譜估計(jì)技術(shù)發(fā)展的主流方向。其理論基礎(chǔ)是利用陣列采樣數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，在構(gòu)造(偽)譜函數(shù)時(shí)引入信號子空間及噪聲子空間的概念，并充分利用兩者之間的正交性進(jìn)行輻射源的到達(dá)方向(DOA)估計(jì)。與常規(guī)波束形成方法不同的是，特征分解方法可以突破天線瑞利極限的限制，實(shí)現(xiàn)方位角/俯仰角的二維參數(shù)估計(jì)，具有極高的估計(jì)精度和超分辨率等優(yōu)異性能。

3、地面接收機(jī)干擾監(jiān)測與定位技術(shù)

對地面接收機(jī)的干擾監(jiān)測與定位利用車載移動(dòng)干擾監(jiān)測設(shè)備實(shí)現(xiàn)。如圖5所示，A設(shè)備接收干擾信號，轉(zhuǎn)發(fā)給B設(shè)備，B設(shè)備既接收干擾信號進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，同時(shí)也要接收A設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號，然后經(jīng)過處理，得出干擾源位置。

圖5 TDOA定位

對地面接收機(jī)的干擾監(jiān)測與定位前提條件是：

①干擾源位于地表，高度忽略；②單個(gè)干擾源；③干擾源靜止；④干擾信號為調(diào)制信號，頻段固定；⑤干擾源與干擾監(jiān)測設(shè)備之間無遮擋。

3.1 TDOA技術(shù)

工作流程：A設(shè)備2個(gè)、B設(shè)備1個(gè)。2個(gè)A設(shè)備將干擾信號轉(zhuǎn)發(fā)給B設(shè)備，由B設(shè)備解算得到干擾源位置。

　　需考慮的因素(減小誤差，提高定位精度)為3個(gè)設(shè)備的相對位置關(guān)系及其自身位置的精度。

定位設(shè)備：參數(shù)估計(jì)方法及參數(shù)估計(jì)的精度；已知參數(shù)的情形下解算干擾源位置的效率、精度；A設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延估計(jì)的精度、時(shí)間精度。

3.2 TDOA+FDOA技術(shù)

工作流程：A設(shè)備、B設(shè)備各需要1個(gè)。A設(shè)備將干擾信號轉(zhuǎn)發(fā)給B設(shè)備。B設(shè)備接收A設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號；接收干擾源直接傳輸?shù)母蓴_信號；然后，使B設(shè)備按一定的速度運(yùn)動(dòng)，對信號進(jìn)行處理，得到多普勒頻移。通過對3組信號進(jìn)行處理，得到干擾源的位置。

需考慮的因素為：①3個(gè)設(shè)備的位置關(guān)系；②B設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)速度、方向；③3個(gè)設(shè)備自身位置的精度。

定位設(shè)備：參數(shù)估計(jì)方法及參數(shù)估計(jì)的精度；已知參數(shù)的情形下解算干擾源位置的效率、精度；A設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延估計(jì)的精度；設(shè)備時(shí)間精度；信號轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)頻率精度。

以上2種方案適合地面車輛上安裝定位設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。

3.3 AOA技術(shù)

工作流程：A設(shè)備、B設(shè)備各1個(gè)。A設(shè)備將干擾信號轉(zhuǎn)發(fā)給B設(shè)備。B設(shè)備接收A設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號；接收干擾源直接傳輸?shù)母蓴_信號；然后，通過測向儀(DF)測出干擾源所在的方向，兩個(gè)不同的AOA線取交點(diǎn)就得到了干擾源的位置。

需考慮的因素：2個(gè)設(shè)備的位置關(guān)系以及自身位置的精度。定位設(shè)備：DF測向精度、天線的增益方向圖等參數(shù)隨頻率的變化；A種設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延估計(jì)的精度。

4、結(jié)束語

在干擾監(jiān)測與定位信號處理時(shí)，可針對干擾信號的不同類型建立相應(yīng)模型，引入置信區(qū)間，置信水平等參數(shù)，將干擾源位置以一定的概率限定在一定區(qū)域內(nèi)。

干擾源進(jìn)行自主監(jiān)測和快速定位，可以對干擾源的信號進(jìn)行打擊，但同時(shí)需要采取主動(dòng)防御措施，如用戶機(jī)和衛(wèi)星接收機(jī)采取自適應(yīng)濾波和調(diào)零天線等抗干擾技術(shù)。因此，干擾監(jiān)測定位與抗干擾技術(shù)是衛(wèi)星系統(tǒng)十分重要的防護(hù)需求，在對干擾的認(rèn)識和抗干擾技術(shù)方面，還有許多問題需要深入研究。

來源：《無線電通信技術(shù)》