移動(dòng)擴(kuò)頻參考源在衛(wèi)星干擾源地面排查中的應(yīng)用研究

林 輝，周 平

（國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)中心深圳監(jiān)測(cè)站，廣東 深圳 518120）

0 引言

近年來，衛(wèi)星干擾事件呈現(xiàn)出了爆發(fā)式的增長(zhǎng)，給衛(wèi)星無線電頻譜正常秩序造成了嚴(yán)重的威脅。而衛(wèi)星干擾源上行站典型定位結(jié)果為一個(gè)長(zhǎng)軸半徑約為30千米的橢圓區(qū)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(gè)衛(wèi)星干擾源地面搜測(cè)時(shí)間普遍為3-天，效率低下。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外尚未有公開文獻(xiàn)提出有效提高干擾源搜測(cè)效率的新方法，本文提出的新技術(shù)手段將有效改善當(dāng)前衛(wèi)星干擾源排查困難的現(xiàn)狀。

1 衛(wèi)星干擾源定位原理及參考源的作用

1.1 雙星定位原理

當(dāng)前，衛(wèi)星干擾源定位主要采用雙星定位體制[1][2]。雙星定位的衛(wèi)星是兩顆彼此靠近的同步衛(wèi)星，其中受到干擾的衛(wèi)星稱之為主星，在鄰近位置用于輔助定位的衛(wèi)星為鄰星。由于干擾發(fā)射機(jī)的天線特性，波束主瓣對(duì)準(zhǔn)主星，而波束的某個(gè)副瓣指向鄰星。由于傳播路徑不同，兩路同源信號(hào)到達(dá)固定接收站時(shí)具有不同的時(shí)延，根據(jù)測(cè)量得到信號(hào)的時(shí)間差（DifferentiaI Time Offset， DTO），可在地球上畫出一條時(shí)差線；兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星在相對(duì)于發(fā)射源方向存在一個(gè)相對(duì)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(diǎn)即為干擾源定位最優(yōu)點(diǎn)。在有5個(gè)參考源信號(hào)的前提下，最終的典型定位結(jié)果為一個(gè)以最優(yōu)點(diǎn)為中心，長(zhǎng)軸為30千米，短軸約10千米的橢圓區(qū)域。

圖1 衛(wèi)星干擾源定位示意圖

1.2 引入?yún)⒖荚吹亩ㄎ环匠探M

衛(wèi)星上行站信號(hào)的主瓣和旁瓣信號(hào)經(jīng)由兩顆衛(wèi)星（主星和鄰星）轉(zhuǎn)發(fā)后，由地面站接收后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其傳輸鏈路如圖2所示。

圖2 信號(hào)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(hào)的傳輸信道不一致（主要是兩路信號(hào)的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器本振源不一致），會(huì)給兩路信號(hào)的參數(shù)估計(jì)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(duì)定位方程的簡(jiǎn)化，當(dāng)前衛(wèi)星干擾源定位系統(tǒng)的普遍做法是在定位方程引入已知地理位置和頻點(diǎn)的參考源。引入?yún)⒖荚吹亩ㄎ环匠倘缡剑?）、式（2）所示：

通常衛(wèi)星干擾源定位需要發(fā)射5個(gè)參考源用于校準(zhǔn)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(shí)，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(zhǔn)參考點(diǎn)，故最終解算出的定位結(jié)果r趨近于r0[2][8][9]。

故可得下列結(jié)論：當(dāng)?shù)谝粎⒖颊颈平诟蓴_源目標(biāo)時(shí)，得到的定位結(jié)果精度越高。在衛(wèi)星干擾源定位中，總會(huì)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(yuǎn)小于分母，其值近似為0。

2 參考源小型化技術(shù)

目前，絕大多數(shù)干擾源定位時(shí)均不具備較近的參考站作為第一參考站，從而定位結(jié)果誤差較大。若有便攜式參考源發(fā)射站，監(jiān)測(cè)人員可將參考源放置在任意需要的位置發(fā)射參考信號(hào)，可有效解決定位結(jié)果精度不足的問題。而一般的參考源系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，包含一副較大口徑的環(huán)焦天線，大型發(fā)射功放一臺(tái)，三臺(tái)電機(jī)（用以驅(qū)動(dòng)天線的方位、俯仰、極化轉(zhuǎn)動(dòng)），信號(hào)發(fā)生器等總重高達(dá)500 kg，基于現(xiàn)有體制的參考源系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)隨身攜帶。

擴(kuò)頻信號(hào)相比于普通信號(hào)，在對(duì)主星、鄰星兩路信號(hào)進(jìn)行互模糊處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生額外的擴(kuò)頻處理增益。此額外的擴(kuò)頻處理增益可以用來縮小參考源系統(tǒng)，即可以用小型天線和功放單元來組建參考源系統(tǒng)，而使得主星、鄰星兩路信號(hào)互模糊時(shí)得到與傳統(tǒng)參考源一致的信噪比峰值[10]。擴(kuò)頻信號(hào)技術(shù)是參考源系統(tǒng)小型化的基礎(chǔ)，目前，已有擴(kuò)頻參考源系統(tǒng)用于衛(wèi)星干擾源定位實(shí)驗(yàn)取得了成功[11]。

3 擴(kuò)頻參考源系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成及功能

基于參考源逼近目標(biāo)的思路，研制了一套便攜式移動(dòng)參考源系統(tǒng)，用于衛(wèi)星干擾源排查。系統(tǒng)主要由擴(kuò)頻信號(hào)源、上變頻功放單元（BUC）、喇叭天線三部分組成，擴(kuò)頻信號(hào)源用于產(chǎn)生擴(kuò)頻基帶信號(hào)傳輸?shù)缴献冾l功放單元，BUC 單元進(jìn)行上變頻并進(jìn)行放大輸出射頻信號(hào)，射頻信號(hào)經(jīng)由喇叭天線發(fā)射到目標(biāo)衛(wèi)星。

圖3 擴(kuò)頻參考源系統(tǒng)框架圖

擴(kuò)頻參考源系統(tǒng)除了上述三個(gè)主要功能模塊外，還有配套的天線伺服系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)喇叭天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)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(tǒng)總體質(zhì)量為23 kg，相比于傳統(tǒng)體制參考源系統(tǒng)，總質(zhì)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(yōu)勢(shì)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(fā)射波束能同時(shí)覆蓋主星和鄰星，對(duì)星方便[12]。

3.2 參考源與定位系統(tǒng)同步問題

由于擴(kuò)頻參考源主要用于戶外搜測(cè)信號(hào)，參考源發(fā)射信號(hào)不能在定位系統(tǒng)指令下同步精準(zhǔn)發(fā)射，造成對(duì)參考源信號(hào)進(jìn)行互模糊估計(jì)時(shí)，計(jì)算量大、耗時(shí)長(zhǎng)，影響正常的定位工作。為減少運(yùn)算量，大幅縮減計(jì)算時(shí)間，采用如下策略：

在進(jìn)行衛(wèi)星干擾源定位時(shí)，擴(kuò)頻參考源通過公眾移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，接收衛(wèi)星干擾源定位系統(tǒng)發(fā)出的指令，配置相關(guān)發(fā)射參數(shù)（發(fā)射頻點(diǎn)、擴(kuò)頻碼序列選擇、初始相位設(shè)置等），并配置一系列精確到秒的計(jì)劃發(fā)射時(shí)刻表。參考源系統(tǒng)根據(jù)計(jì)劃時(shí)刻表，在GPS 時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下，在指定頻率準(zhǔn)時(shí)發(fā)射指定的擴(kuò)頻信號(hào)。衛(wèi)星干擾源定位系統(tǒng)按照發(fā)射時(shí)刻表進(jìn)行定位采集，就能夠利用擴(kuò)頻參考源提供的參考信號(hào)快速進(jìn)行互模糊估計(jì)。

圖6 擴(kuò)頻參考信號(hào)發(fā)射策略

4 基于擴(kuò)頻參考源的干擾源搜測(cè)流程

對(duì)某一個(gè)衛(wèi)星干擾源信號(hào)，干擾源定位中心站首先使用 5個(gè)固定參考站對(duì)衛(wèi)星干擾源信號(hào)進(jìn)行定位，時(shí)差線與頻差線相交得到一個(gè)初步的定位結(jié)果，該定位精度的典型值為 30-40千米，得到定位結(jié)果后，后續(xù)工作是地面排查干擾源。

4.1 三步法

第一步：根據(jù)初步的定位結(jié)果，干擾源地面搜測(cè)人員攜帶擴(kuò)頻參考源出車赴干擾源定位區(qū)域，并在干擾源疑似區(qū)域內(nèi)架設(shè)參考站，向主鄰星發(fā)射擴(kuò)頻參考信號(hào)；干擾源定位中心站利用發(fā)射的擴(kuò)頻參考站作為第一參考外加 4個(gè)固定參考源，重新對(duì)干擾源信號(hào)進(jìn)行定位，此時(shí)定位精度將會(huì)精確到 10千米以內(nèi)。

圖7 地面發(fā)射擴(kuò)頻參考源輔助干擾源排查

第二步：根據(jù)第一步的定位結(jié)果，在 10千米以內(nèi)的定位橢圓區(qū)域繼續(xù)發(fā)射擴(kuò)頻參考源，干擾源定位中心站進(jìn)一步定位干擾源信號(hào)，此時(shí)定位結(jié)果準(zhǔn)確度將提高到1千米以內(nèi)。

第三步：在 1千米區(qū)域范圍內(nèi)，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(cè)，大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在 1千米的區(qū)域內(nèi)最終確定干擾源的發(fā)射位置耗時(shí)小于 30分鐘。

4.2 參考源逐步逼近、定位結(jié)果收斂于真實(shí)值的數(shù)學(xué)解釋

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

公式（5）、（6）省略高階項(xiàng)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?yàn)楫?dāng)干擾源位置r1與第一參考r0距離較大時(shí)，省略的高階項(xiàng)數(shù)值較大，導(dǎo)致求解得到的r1值存在較大的誤差。此時(shí)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(xù)使用公式（9）、（10）繼續(xù)求解r。

當(dāng)?shù)趎+1次求解出的rn+1與第n 次求解出的rn差值為一個(gè)極小值時(shí)，迭代終止。對(duì)公式（7）、（8）迭代求解的收斂性嚴(yán)格證明詳見文獻(xiàn)[6]。

當(dāng)位置參考源逐步逼近干擾源時(shí)，定位結(jié)果越接近真實(shí)值。

5 干擾源地面排查實(shí)際案例

2016年，有一不明載波非法盜用某衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器信道。使用5個(gè)參考源對(duì)該干擾信號(hào)進(jìn)行定位（位置參考源距離目標(biāo)320千米），總計(jì)10次定位，定位地點(diǎn)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(jié)果

得到初步定位結(jié)果后，攜帶擴(kuò)頻參考源出車赴定位點(diǎn)附近發(fā)射擴(kuò)頻參考源信號(hào)，以此參考源作為第一參考繼續(xù)定位目標(biāo)信號(hào)，總計(jì)10次定位，定位點(diǎn)平均定位誤差4.2千米（見圖9）。

圖9 第二次定位結(jié)果

得到第二次定位結(jié)果后，驅(qū)車赴定位點(diǎn)附近再次發(fā)射擴(kuò)頻參考信號(hào)定位干擾源，總計(jì)10次定位，第三次定位點(diǎn)平均定位誤差 380米（見圖 10）。

得到中心站第三次定位結(jié)果后，監(jiān)測(cè)人員攜手持干擾源排查儀器，開始人工排查信號(hào)源，耗時(shí)約 25分鐘，順利確定衛(wèi)星干擾源位置。

6 結(jié)束語

圖10 第三次定位結(jié)果

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