幅差法干擾源定位異常波動分析

劉安斐，呂 鑫，劉 京，竇曉晶

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

幅差法干擾源定位異常波動分析

劉安斐，呂 鑫，劉 京，竇曉晶

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

幅差法定位是針對靜止軌道衛(wèi)星入站干擾源定位的有效方法之一，該方法基于同星多個波束間的干噪比差值進(jìn)行定位，定位的關(guān)鍵在于同星干噪比差值的獲取以及覆蓋區(qū)域內(nèi)G/T差值參考數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。但在實際應(yīng)用中，由于GEO衛(wèi)星的實際傾角并非為0，且當(dāng)該傾角大到一定程度時會出現(xiàn)定位結(jié)果隨時間和干擾發(fā)射頻率波動等現(xiàn)象。通過多地長時間干擾試驗數(shù)據(jù)積累和數(shù)據(jù)處理，從多角度分析了定位結(jié)果異常波動的原因，并提出了相應(yīng)的可能解決措施，為幅差法干擾定位精度提升提供了下一步研究思路。

干擾源定位；G/T差值；動態(tài)參考數(shù)據(jù)庫；幅差法

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航無線電測定業(yè)務(wù)(Radio Determination Satellite Service,RDSS)系統(tǒng)[1-3]是多個波束覆蓋的靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)，可通過實時測量同一衛(wèi)星多個波束間入站干噪比差，并搜索衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)G/T等差值點的方法完成衛(wèi)星上行地面干擾源定位。文獻(xiàn)[4-5]介紹了幅差法入站干擾源定位原理及具體實現(xiàn)方法，其中只對定位精度影響因素分析和方法驗證進(jìn)行了簡單介紹。然而，在該方法的實際應(yīng)用中，由于人造地球同步軌道衛(wèi)星軌道傾角并非為零，當(dāng)該軌道傾角較大時，定位結(jié)果會出現(xiàn)異常波動現(xiàn)象，主要體現(xiàn)為：同一天內(nèi)，不同時間段干擾源定位結(jié)果不同，且定位誤差波動趨勢以天為周期；相同時間段，干擾發(fā)射頻率不同定位結(jié)果不同，定位誤差相差較大。

本文利用實地干擾試驗對干噪比差值隨時間和頻率變化情況進(jìn)行長期觀察和數(shù)據(jù)積累，通過干噪比波動情況分析及其與參考數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)衛(wèi)星上行接收天線G/T差值覆蓋區(qū)分布符合性驗證，深入分析了定位結(jié)果波動的可能原因，并給出了相應(yīng)解決措施和進(jìn)一步研究方向。

1 幅差法干擾源定位

1.1 幅差法干擾定位原理

幅差法定位原理示意如圖1所示。對于一個多顆靜止軌道衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)，若每顆星具有n(n≥2)個入站波束，則地面對應(yīng)其任意2個波束上行接收天線的G/T差值相同的點分布在一條閉合曲線(等差值曲線)上[4-5]，若同星各波束下行頻點接近，對應(yīng)地面天線及射頻接收設(shè)備采用多頻點共用模式，即可證明地面控制站接收到某星2個波束間的干噪比差值(J/N0)與干擾源所在位置點對應(yīng)的星上接收天線G/T差值有直接關(guān)系[6]，并可認(rèn)為地面干擾通過同星2個波束入站的載噪比差值對應(yīng)地面等差值(G/T差值)曲線。因此，當(dāng)干擾足夠大到同一顆星的m(n≥m≥2)個入站波束都能接收到干擾時，即可根據(jù)波束間的干噪比差值進(jìn)行定位：當(dāng)m>2時，根據(jù)一顆星的入站數(shù)據(jù)即可將干擾定位在該星波束間G/T差值曲線的交點處；若n=2時，則要求系統(tǒng)多顆星的所有波束均能接收到干擾，并可將干擾源定位在多星G/T差值曲線的交點處。

圖1 幅差法干擾源定位示意

1.2 數(shù)據(jù)搜索法定位流程

幅差法干擾源定位可采用數(shù)據(jù)搜索法完成干擾源定位解算，工作流程如圖2所示。首先根據(jù)衛(wèi)星覆蓋區(qū)域G/T數(shù)據(jù)建立參考數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)干擾時，獲取每顆衛(wèi)星下行頻點的接收干噪比差值后，在參考數(shù)據(jù)庫中搜索對應(yīng)干噪比附近一定范圍內(nèi)的等差值特征點，多顆星共同的等差值特征點組成一個區(qū)域即為干擾源所在區(qū)域。

圖2 數(shù)據(jù)搜索定位法干擾源定位實現(xiàn)流程

2 定位偏差原因分析

根據(jù)幅差法干擾源定位原理及其實現(xiàn)流程，同星干噪比差值的獲取以及衛(wèi)星覆蓋區(qū)G/T差值參考數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)與實際干噪比差值的符合性是影響干擾源定位結(jié)果的2個主要因素。本文針對實際應(yīng)用中出現(xiàn)的定位結(jié)果異常波動情況，對干噪比差值變化情況和參考數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)符合程度分別進(jìn)行了數(shù)據(jù)積累和處理分析。

2.1 干噪比差值變化情況分析

分別在A、B兩地(分屬不同區(qū)域)布設(shè)干擾源，利用信號源模擬發(fā)射單載波干擾，調(diào)整信號源輸出功率和天線指向，使多顆衛(wèi)星的所有入站波束均能收到干擾，保持干擾源位置固定不變，持續(xù)積累多天數(shù)據(jù)，記錄各星入站波束間干噪比差值，觀察其在不同時間、不同頻率下的變化情況。

2.1.1 干噪比差隨時間變化情況及原因分析

進(jìn)行干噪比差值變化實驗時，固定干擾發(fā)射頻率和干擾源位置，分別累積A、B兩地對應(yīng)區(qū)域干噪比差值數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)變化趨勢如圖3所示。

由圖3可知，衛(wèi)星1、2的波束間干噪比差值均在一天內(nèi)圍繞參考數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)值起伏波動，且波動趨勢與干擾源位置區(qū)域無關(guān)，但干擾源所處區(qū)域不同，干噪比差值波動范圍存在差異。由于該干噪比差值變化呈周期性變化趨勢，因此，排除干噪比測量誤差、鏈路不穩(wěn)定及噪聲等影響，考慮主要為衛(wèi)星軌道傾角等引起的運動姿態(tài)變化導(dǎo)致天線波束覆蓋區(qū)隨時間偏移所致。

圖3 干噪比隨時間變化情況

2.1.2 干噪比差值隨發(fā)射頻率變化情況及原因分析

干噪比差值變化實驗時，固定干擾源位置不變，在實驗頻帶范圍內(nèi)，以0.5MHz為間隔改變干擾發(fā)射頻率，同時記錄各星干噪比差值測量值。從干噪比差值記錄數(shù)據(jù)來看，干噪比差值變化趨勢與干擾源位置區(qū)域和時間無關(guān)，不同時段地點A和地點B區(qū)域同一衛(wèi)星干噪比差值波動趨勢一致。3顆衛(wèi)星入站波束間干噪比差值隨頻率變化情況如圖4所示，各星干噪比差值均隨頻率存在波動，但波動趨勢和波動范圍不同。該現(xiàn)象考慮為主要是因衛(wèi)星通信鏈路中轉(zhuǎn)發(fā)器、濾波器等器件的頻率平坦性所致，屬系統(tǒng)固有，與時間和位置無關(guān)，對應(yīng)影響可通過修正規(guī)避。

圖4 干噪比隨頻率變化情況

2.1.3 其他干擾信號影響

由圖3可知，系統(tǒng)對應(yīng)頻段可能存在干擾：事實上，衛(wèi)星1、2分別在下午16:40左右、晚上20:30和早上8:00左右均會出現(xiàn)一段時間的寬帶干擾，這一點從圖3的衛(wèi)星入站干噪比隨時間變化圖中均有體現(xiàn)，在對應(yīng)干擾出現(xiàn)時段上干噪比差值均存在一個突變。另外，若系統(tǒng)某顆星存在單載波形式等窄帶干擾，且干擾強(qiáng)度較大，就會導(dǎo)致在對應(yīng)頻段出現(xiàn)相近頻率干擾時，對應(yīng)頻點干噪比差值較其他頻點偏差較大[7-9]，從而致使該頻點定位誤差偏大。

2.2 參考數(shù)據(jù)庫與實際干噪比差值符合性影響分析

幅差法干擾源定位結(jié)果對干噪比差值波動非常敏感。為討論干噪比差值波動對定位誤差的影響程度，本文采用模擬點定位方法，進(jìn)行定位誤差影響驗證實驗。實驗時，根據(jù)干擾源位置點經(jīng)緯度，選擇對應(yīng)能覆蓋的2顆星和3顆星，通過在各位置點對應(yīng)波束G/T值上分別累加±0.3dB、±0.5dB和±1dB誤差模擬實際干噪比完成定位來分析。位置點A、B區(qū)域模擬定位實驗結(jié)果如表1和表2所示，對應(yīng)A區(qū)域模擬雙星、三星定位結(jié)果對比如圖5所示，圖5中“X”為干擾位置估計點標(biāo)識。

表1 雙星模擬干擾源定位實驗結(jié)果

表2 三星模擬干擾源定位實驗結(jié)果

圖5 A區(qū)域雙星及三星定位結(jié)果對比

由表1、表2和圖5可以看出，在雙星定位情況下，由于兩星等差值曲線交角為銳角，干噪比差值的微小波動即會造成上百km的定位偏差；根據(jù)表1，在A區(qū)域，±0.3 dB和±0.5 dB的干噪比差值偏差造成的最大定位偏差在300～500 km，±1 dB的干噪比差值偏差造成的定位偏差則達(dá)上千km，而B區(qū)域?qū)?yīng)偏差計算值更大。采用三星定位時，定位偏差從數(shù)據(jù)上有明顯改善，A區(qū)域±0.3 dB偏差情況下對應(yīng)的最大定位偏差即由400 km降至150 km以內(nèi)，從定位方法和定位結(jié)果圖來看，采用兩星以上數(shù)據(jù)定位時，定位估計點為所交區(qū)域的幾何中心，定位結(jié)果的判定綜合了多顆星的數(shù)據(jù)信息，從一定程度上降低了雙星定位時交角為銳角引起的干噪比差值敏感性。

通過干噪比差值偏差對定位結(jié)果影響的定量分析可知，幅差法干擾源定位誤差對干噪比差值極為敏感，需從參考數(shù)據(jù)實時變化準(zhǔn)確度和干噪比差值獲取等方面進(jìn)行改進(jìn)和提升，提高參考數(shù)據(jù)庫與干噪比差值符合度，從而改善定位效果；另外從衛(wèi)星數(shù)據(jù)使用角度做出的實驗數(shù)據(jù)分析，三星定位較兩星定位效果提升明顯，建議實際干擾定位應(yīng)用時以數(shù)量盡可能多的有效衛(wèi)星數(shù)據(jù)參與定位的結(jié)果為準(zhǔn)。

3 定位偏差解決措施

3.1 干噪比波動修正及測量改進(jìn)方法

根據(jù)上述定位偏差原因分析結(jié)果，干噪比差值隨時間變化趨勢存在周期性，干擾波動程度分區(qū)域和衛(wèi)星存在差異，而干噪比差值隨頻率變化趨勢只與衛(wèi)星有關(guān)，且二者均屬固有誤差，因此，可采用系統(tǒng)誤差的校正曲線修正法[10-11]：利用已知位置點多日干噪比實測數(shù)據(jù)，分別針對干噪比隨時間、頻率的波動情況進(jìn)行修正，利用修正后的干噪比值完成定位。

3.1.1 時間波動修正

固定參考干擾源的位置、發(fā)射頻率和發(fā)射功率不變，持續(xù)發(fā)射干擾n天，按時刻記錄對應(yīng)衛(wèi)星干噪比差測量值，將n天記錄的實際干噪比差測量值與參考數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)參考干擾源位置點G/T差值(基準(zhǔn)值)做差，得到各時刻點修正值，n天同一時刻點的修正值均值作為該時刻點的修正值，定位時，根據(jù)當(dāng)前測量時刻查找對應(yīng)修正值，將其與當(dāng)前實測結(jié)果相加得到修正后干噪比差值結(jié)果，然后利用干噪比修正值進(jìn)行定位。A、B區(qū)域的測試結(jié)果表明，利用測試區(qū)域累積數(shù)據(jù)進(jìn)行時間修正，可有效解決本區(qū)域干噪比測量的波動問題。

3.1.2 頻率波動修正

固定參考干擾源位置和發(fā)射功率不變，在有效監(jiān)測頻率范圍內(nèi)，以固定頻率步長為間隔改變干擾發(fā)射頻率，同時記錄各星干噪比差值測量值，選定頻段內(nèi)某一頻率作為基準(zhǔn)頻率，所有頻點的干噪比差值與基準(zhǔn)頻率對應(yīng)值做差，得到頻率修正值，定位時，根據(jù)干擾測量頻率索引查找對應(yīng)的修正值，將其與當(dāng)前實測結(jié)果相加得到修正后的干噪比差值。A、B區(qū)域的測試結(jié)果表明，該頻率校正方法可解決頻率波動問題。

3.1.3 干噪比測量方法改進(jìn)

由圖3可知，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)寬帶干擾和較大近頻窄帶干擾時，受擾衛(wèi)星干噪比差值會發(fā)生較大波動，這種波動的影響主要源自干擾對噪聲譜密度測量產(chǎn)生了影響，從而使得對應(yīng)波束干噪比值發(fā)生變化，若同星各波束的受擾程度不同，勢必導(dǎo)致干噪比差值產(chǎn)生波動。

針對衛(wèi)星經(jīng)常性受擾的情況，采用各波束入站頻譜模板計算噪聲譜密度(入站譜實為噪聲譜，通常衛(wèi)星系統(tǒng)擴(kuò)頻信號淹沒在噪聲中)，該模板在頻譜正常情況時進(jìn)行采集和適當(dāng)修正(毛刺修正)的結(jié)果，能夠代表各波束的正常噪聲頻譜情況。利用頻譜模板計算噪聲能量后，可規(guī)避干噪比測量受底噪波動的影響，從一定程度上降低了其他干擾信號對目標(biāo)干擾源定位結(jié)果的影響，同時，由于采用模板值計算噪聲能量，也可以減小入站噪聲譜跳動引起的短期內(nèi)干噪比的波動。

3.2 定位誤差時變性實用解決途徑

上述時間波動修正方法可有效解決干噪比差值隨時間波動的問題，但該修正方法的使用前提是已知干擾源所處區(qū)域范圍，實際應(yīng)用時，干擾源位置范圍未知，利用修正定位法首先必須確定干擾源位置隸屬作用區(qū)域，因此有必要進(jìn)一步研究該方法的使用問題。

3.2.1 定位誤差時變性原因進(jìn)一步分析

根據(jù)幅差法干擾源搜索定位原理，同星干噪比差值的獲取以及衛(wèi)星覆蓋區(qū)G/T差值參考數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)與實際干噪比差值的符合性是影響干擾源定位結(jié)果的2個主要因素。由于衛(wèi)星在空間運行過程中，受到太陽和月亮的牽引、地球引力場不均勻及太陽輻射壓力等因素的影響，其軌道位置每天會發(fā)生微小擺動，軌道傾角也會發(fā)生累積性變化，當(dāng)該傾角大到一定程度時，一個運動周期內(nèi)衛(wèi)星的位置變化較大，地面接收到的干噪比也以日為周期呈時間性波動趨勢，而衛(wèi)星的運動位置和姿態(tài)的變化，將引起對應(yīng)波束覆蓋區(qū)的整體變化[12-13]。若參考數(shù)據(jù)庫使用衛(wèi)星處在某固定狀態(tài)時(如赤道上空)對應(yīng)的G/T差值數(shù)據(jù)，就會導(dǎo)致動態(tài)變化的干噪比差值和參考數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)時間上存在不符合性，對應(yīng)定位誤差就會出現(xiàn)隨時間波動的現(xiàn)象。

由此分析思想，從另一個角度考慮修正方法，若能得到衛(wèi)星運動周期內(nèi)各位置點對應(yīng)的覆蓋區(qū)G/T值數(shù)據(jù)，形成一個隨時間變化的動態(tài)參考數(shù)據(jù)庫，利用直接測量的干噪比差值進(jìn)行搜索定位，即可在規(guī)避3.1節(jié)時間波動修正方法存在實際應(yīng)用問題的基礎(chǔ)上，解決因干噪比差值和參考數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)不一致引起的定位誤差時變性問題。

3.2.2 基于動態(tài)參考數(shù)據(jù)庫的干擾定位方法

通過構(gòu)建動態(tài)參考數(shù)據(jù)庫解決定位誤差隨時間波動的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在于如何根據(jù)衛(wèi)星星歷推算出對應(yīng)時刻的覆蓋區(qū)各位置點的G/T差值，這首先需要明確衛(wèi)星星歷與G/T差值分布之間的具體關(guān)系。文獻(xiàn)[14-16]作者在分析星載天線指向隨地球同步衛(wèi)星軌道漂移變化情況時指出，軌道傾斜時，衛(wèi)星軌道傾角的變化不僅表現(xiàn)為星下點坐標(biāo)的變化，還會引起偏航角的變化，作者根據(jù)大地坐標(biāo)系與衛(wèi)星坐標(biāo)系的相互關(guān)系和衛(wèi)星姿態(tài)偏航角隨時間變化規(guī)律，推導(dǎo)了地面某點P在傾斜軌道衛(wèi)星坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，因此，可根據(jù)文獻(xiàn)中大地坐標(biāo)系、理想軌道坐標(biāo)系和傾斜軌道坐標(biāo)系間變換關(guān)系[18-20]推導(dǎo)出衛(wèi)星星歷與G/T差值分布關(guān)系。

傾斜軌道下地面某點的G/T差值推算流程如圖6所示，衛(wèi)星在傾斜軌道上做勻速圓周運動時，可根據(jù)衛(wèi)星星歷(衛(wèi)星位置)及衛(wèi)星處于理想軌道下的地面G/T差值分布數(shù)據(jù)(忽略衛(wèi)星攝動影響時，該分布數(shù)據(jù)理論上不變)計算得到對應(yīng)時刻衛(wèi)星覆蓋區(qū)G/T差值分布：根據(jù)地面某點P的經(jīng)緯度位置坐標(biāo)(EP,NP)推算其至衛(wèi)星實際軌道下的坐標(biāo)及其映射至理想軌道下G/T差值覆蓋區(qū)的位置坐標(biāo)，然后通過查找理想軌道衛(wèi)星覆蓋區(qū)G/T差分布數(shù)據(jù)，得到該映射位置點對應(yīng)G/T差值，即可求出衛(wèi)星在傾斜軌道下特定時刻覆蓋區(qū)范圍內(nèi)地面各點對應(yīng)的G/T差值。

圖6 傾斜軌道下地面某點的G/T差值推算流程

基于動態(tài)參考數(shù)據(jù)庫的干擾定位首先根據(jù)測得的各星干噪比數(shù)據(jù)，按照上述傾斜軌道下地面點G/T差推算關(guān)系生成對應(yīng)時刻各星參考數(shù)據(jù)表，然后分星進(jìn)行特征點搜索，最終完成定位。

4 結(jié)束語

幅差法干擾源定位原理是針對于基于靜止軌道衛(wèi)星的衛(wèi)星通信系統(tǒng)地面上行干擾排查的有效方法之一，該方法在應(yīng)用于實際GEO衛(wèi)星軌道傾角較大的衛(wèi)星系統(tǒng)時，會出現(xiàn)定位誤差隨時間和頻率波動的現(xiàn)象，本文對長期干噪比數(shù)據(jù)和參考G/T分布符合性進(jìn)行驗證，從數(shù)據(jù)修正、測量方法改進(jìn)等角度提出了對應(yīng)可能的解決方法，通過定位誤差時變性原因的進(jìn)一步分析，提出了基于動態(tài)參考數(shù)據(jù)庫的干擾定位方法，為幅差法干擾源定位的實際應(yīng)用和性能提升提供了下一步的研究方向。

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Analysis of the Abnormal Fluctuations in Amplitude Difference Interference Location Method

LIU An-fei,LU Xin,LIU Jing,DOU Xiao-jing

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

Amplitude difference interference location method is an effective method to locate the interference source against the geostationary satellite,in which the difference of jamming-to-noise ratio between two beams is used to locate the unknown uplink interference.In this location,acquisition of the jamming-to-noise ratio between two beams of the same satellite and the accuracy of the G/T difference distribution are the key issues.However,in actual situation,the inclination of the GEO satellite is not zero.And if this inclination is large enough,other positioning error fluctuations will be introduced with time and interference frequency.In this paper,the causes of abnormal fluctuations of the positioning results are analyzed based on data accumulation and data processing of interferences in several different areas.And corresponding possible solutions are put forward,which provides the next step for the performance improvement of amplitude difference interference localization.

interference location;G/T difference;dynamic reference database;amplitude difference interference location method

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.09.05

劉安斐,呂鑫,劉京,等.幅差法干擾源定位異常波動分析[J].無線電工程,2017,47(9):21-26.[LIU Anfei,LU Xin,LIU Jing,et al.Analysis of the Abnormal Fluctuations in Amplitude Difference Interference Location Method[J].Radio Engineering,2017,47(9):21-26.]

TP391.4

A

1003-3106(2017)09-0021-06

2017-05-12

國家部委級基金資助項目。

劉安斐 女，(1982—)，碩士，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航。

呂 鑫 男，(1986—)，助理工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航。