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(jìn)，葛 超，鄧 坤

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

0 引言

衛(wèi)星系統(tǒng)由空間衛(wèi)星、地面監(jiān)控以及空間數(shù)據(jù)信息傳輸鏈路3 部分組成?？臻g數(shù)據(jù)信息傳輸鏈路主要指上行鏈路、下行鏈路和星際鏈路?？臻g衛(wèi)星上行接收鏈路的正常通信，是整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，截至2019 年底，我國(guó)已有317顆左右的衛(wèi)星在軌運(yùn)行，僅次于美國(guó)位居世界第二。這些衛(wèi)星包括通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星（軍民兩用）、地球遙感衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等。隨著民用無(wú)線業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展以及軍用信息化武器裝備的增加，這些在軌運(yùn)行的航天器面臨越來(lái)越復(fù)雜的電磁環(huán)境，有必要對(duì)地面長(zhǎng)期存在、高功率威脅干擾源開(kāi)展監(jiān)測(cè)與定位，為干擾影響的排除提供支撐，保障衛(wèi)星系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

目前部分衛(wèi)星上已配置電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)載荷，其主要作用是對(duì)進(jìn)入衛(wèi)星各種接收天線的有意和無(wú)意干擾信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，測(cè)量干擾信號(hào)的頻率、功率等信息，對(duì)強(qiáng)干擾信號(hào)進(jìn)行告警。本文提出一種利用單通道電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)載荷實(shí)現(xiàn)干擾源初步定位的方法，并開(kāi)展了仿真分析。

1 多星波束覆蓋干擾源定位技術(shù)

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(shè)衛(wèi)星在0,1,2…等多個(gè)時(shí)刻都可以監(jiān)測(cè)到同一個(gè)干擾源。通過(guò)衛(wèi)星波束覆蓋范圍的變化，這個(gè)干擾源可能存在的區(qū)域（圖中的陰影部分）會(huì)逐漸地縮小，以達(dá)到定位的效果。

圖1 多星波束覆蓋定位示意

該定位體制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，多顆衛(wèi)星分別將各自的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（頻譜、監(jiān)測(cè)結(jié)果）回傳至地面，由地面進(jìn)行綜合處理，通過(guò)一段時(shí)間的積累，查找干擾源位置。

1.2 實(shí)施方法

假設(shè)衛(wèi)星系統(tǒng)配置了電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)載荷，若衛(wèi)星系統(tǒng)在時(shí)間段1,…,內(nèi)，在頻率上受到干擾。首先，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中所有衛(wèi)星電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)載荷的監(jiān)測(cè)結(jié)果（信號(hào)參數(shù)測(cè)量、頻譜）進(jìn)行檢索，根據(jù)信號(hào)的頻率、帶寬、調(diào)制樣式，找出監(jiān)測(cè)到該信號(hào)的衛(wèi)星。假設(shè)檢測(cè)到該干擾信號(hào)的衛(wèi)星共有顆（=1,…,）。

1）地表網(wǎng)格化

將全球的地圖展為二維圖，并進(jìn)行“網(wǎng)格化”,如圖2 所示。軸為經(jīng)度（-180°～+180°），軸為緯度（-90°～+90°）。

圖2 地表網(wǎng)格圖

將全球地表按照經(jīng)緯度劃分為×個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格(,)代表相應(yīng)位置，其中心點(diǎn)的經(jīng)緯度值記為(,)，具體定義如下：

網(wǎng)格劃分越細(xì)，定位精度越高，相應(yīng)地，其計(jì)算量也越大。網(wǎng)格與分辨率的關(guān)系見(jiàn)表1，需要注意的是，每個(gè)網(wǎng)格的面積大小存在一定差異。

表1 網(wǎng)格與平均分辨率的關(guān)系

2）構(gòu)建覆蓋矩陣

對(duì)于中高軌衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，根據(jù)其軌道特性，對(duì)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(kāi)的天線波束范圍就可以實(shí)現(xiàn)切線覆蓋。從幾何學(xué)角度分析，衛(wèi)星在特定時(shí)刻，對(duì)地面的波束覆蓋范圍是確定的，如圖3 所示。

圖3 對(duì)地觀測(cè)天線波束覆蓋區(qū)域示意圖

式中，(,)為網(wǎng)格(,)的中心點(diǎn)(,)在時(shí)刻與衛(wèi)星之間的距離。的定義如下：

式中，R為地球的半徑，為衛(wèi)星的軌道高度。即衛(wèi)星能覆蓋到的網(wǎng)格值定義為1，無(wú)法覆蓋到的網(wǎng)格定義為0。

3）干擾源定位

將衛(wèi)星（1,…,）能觀測(cè)到干擾源的時(shí)刻集合定義為Φ。對(duì)相應(yīng)的覆蓋矩陣進(jìn)行求和：

對(duì)∈R中所有元素(,),,=1,…,進(jìn)行搜索，找出最大元素（一般存在多個(gè)最大值）。最大值所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格就是干擾源可能存在的區(qū)域，將該區(qū)域定位為＇。事實(shí)上，由于地面干擾源發(fā)射俯仰角無(wú)法實(shí)現(xiàn)0°～90°覆蓋，干擾源定位區(qū)域可能存在于一個(gè)較大的范圍。將＇中的元素(,)進(jìn)行平均，最終得到干擾源的位置估計(jì)值。

2 仿真分析

多星波束覆蓋定位主要是針對(duì)地面長(zhǎng)時(shí)間存在的高功率干擾信號(hào)。仿真分析的干擾場(chǎng)景想定如圖4所示。

圖4 干擾定位場(chǎng)景

干擾源的定位精度與星座配置、定位時(shí)間、干擾源所處的位置都有關(guān)系。仿真中將地球表面劃分為18×9 個(gè)網(wǎng)格，對(duì)位于各個(gè)網(wǎng)格中的干擾源進(jìn)行定位精度分析。仿真采用6 個(gè)中軌道面的衛(wèi)星，定位間隔時(shí)間為10 min/次（在可視區(qū)域內(nèi)，衛(wèi)星每10 min 可以看到干擾源一次），=15°。衛(wèi)星絕對(duì)定址精度10 m，相對(duì)定址精度10 m，網(wǎng)格數(shù)=1 000。

8 h、12 h、24 h 的仿真結(jié)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(shí)長(zhǎng)、干擾源位置都有關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，配置干擾監(jiān)測(cè)載荷的衛(wèi)星越多，定位的時(shí)間越長(zhǎng)，得到的定位精度也越高。通過(guò)12 h，可以實(shí)現(xiàn)百千米量級(jí)的定位精度。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于衛(wèi)星回傳的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用衛(wèi)星不同時(shí)刻波束覆蓋變化情況，實(shí)現(xiàn)地表長(zhǎng)期存在干擾源定位的方法。該方法工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，其獲取的干擾源初步定位結(jié)果可以引導(dǎo)低軌、機(jī)載、地面等平臺(tái)的偵察設(shè)備開(kāi)展進(jìn)一步的詳查?！?/p>