合成孔徑雷達與地面業(yè)務(wù)干擾共存仿真方法研究

劉吉鳳，周 瑤，李福昌（中國聯(lián)通研究院，北京100048）

頻譜資源作為移動通信技術(shù)發(fā)展的核心資源，頻譜劃分將在很大程度上決定產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向、節(jié)奏和格局。干擾共存研究結(jié)果是頻譜劃分的敲門磚，干擾共存可行性研究通過之后才有可能啟動頻譜的劃分標示。衛(wèi)星業(yè)務(wù)以及地面業(yè)務(wù)的共存協(xié)同發(fā)展，有利于提高頻譜利用率，促進無線通信的和諧長效發(fā)展。

合成孔徑雷達（SAR）是一種星載相干側(cè)視雷達系統(tǒng)，利用衛(wèi)星的飛行路徑模仿超大型電子天線或孔徑，生成高分辨率的遙感圖像。國際移動通信（IMT）技術(shù)為公眾移動通信的發(fā)展提供了技術(shù)支撐，持續(xù)為6G 或未來技術(shù)尋求更多的IMT 頻率資源，以滿足不斷增長的無線寬帶數(shù)據(jù)和覆蓋需求，以及IMT 產(chǎn)業(yè)和移動運營商與日俱增的新業(yè)務(wù)所需頻譜需求，以支持其未來技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展。干擾共存仿真研究的重點工作包括干擾系統(tǒng)以及被干擾系統(tǒng)建模、技術(shù)參數(shù)、傳播模型以及仿真方法論等，針對地面系統(tǒng)干擾星載合成孔徑雷達仿真研究，文章具體介紹了大面積干擾共存仿真方法論及其仿真效果。

2 合成孔徑雷達系統(tǒng)介紹

合成孔徑雷達是一種星載有源傳感器〔EESS（active）〕，運行于非對地靜止衛(wèi)星軌道（非GSO）上。軌道通常是高度在350～1 400 km 的圓形。某些系統(tǒng)運行于太陽同步軌道上。一些傳感器每天都對地球上的同一個區(qū)域進行測量，而另一些傳感器則只在一個較長的（往往超過2 個星期）重復周期后才重復進行觀測。衛(wèi)星沿飛行方向前進，其天底指向地球的中心。天線主波束與地球表面法線之間形成一定入射角（°），與星下形成一定星下偏角（°），圖1 所示為EESS（active）示意。波束的發(fā)射垂直于飛行方向，照射出一條掃寬。接入范圍是指垂直于飛行方向的橫向軌道尺寸，而方位角是指與飛行方向平行的縱向軌道尺寸。掃寬是指側(cè)視雷達收集數(shù)據(jù)的地表帶，是范圍尺寸內(nèi)成像部分的寬度。掃寬的縱向范圍由航空器與地面間的相對運動來確定，掃寬寬度的測量與掃寬縱向范圍垂直。

圖1 EESS SAR成像幾何原理

合成孔徑雷達有3種掃描方式：帶狀圖模式、掃描模式和聚光燈模式。常規(guī)SAR 帶狀圖模式假設(shè)雷達天線指向平臺軌跡的一個固定方向。帶狀圖的圖像寬度為掃寬的寬度，而圖像的長度則是沿相關(guān)平臺的飛行線路長度畫出的等值線。在掃描SAR 模式下，SAR 可通過將天線掃向不同位置，照射若干子掃寬。聚光燈模式是SAR 模式中獲得最高分辨率的方式，其通過電子方式調(diào)整雷達波束方向以對準目標，形成時間更長的合成孔徑。聚光燈模式可將SAR 的成像分辨率提高至30 cm 以下。隨著更多脈沖的使用，方位角的分辨率也有所提高。

原則上，SAR 是一種有源相控陣列天線。但SAR并未使用大量并列的天線單元，而是在時間復用條件下使用一個天線單元。天線單元不同的幾何位置是平臺移動的結(jié)果。SAR 采用源相控陣列天線，其天線模式如圖2 所示。從圖2 可以看出，其3 dB 波瓣寬度很窄，旁瓣較寬，地面照射范圍較大。

圖2 SAR天線模式

考慮到合成孔徑雷達采用有源相控陣列天線存在旁瓣干擾，地面業(yè)務(wù)對星載合成孔徑雷達干擾共存研究中，將地面業(yè)務(wù)限制于主瓣范圍內(nèi)建模，有可能低估干擾，不利于發(fā)現(xiàn)部署過程中可能出現(xiàn)的問題。

針對地面業(yè)務(wù)干擾星載合成孔徑雷達研究，大面積干擾共存仿真方法論在可視場范圍內(nèi)進行共存研究，規(guī)避低估干擾問題，有利于共存問題發(fā)現(xiàn)。

3 大面積干擾共存仿真方法論

3.1 大面積干擾共存方法

大面積干擾共存仿真牽涉到地圖繪制、基站撒放以及合成孔徑雷達天線增益計算，其中IMT 基站在整個可視場或部分可視場對應(yīng)的大面積地球表面進行部署和分布。

3.1.1 位置坐標系定義及坐標系轉(zhuǎn)換

衛(wèi)星照射地球表面面積大，通常為千萬km2以上，地面拓撲無法采用二維平面矢量建模，通常需要采用三維球體矢量建模。對于大面積內(nèi)部署的站點或用戶需要首先進行經(jīng)緯度到球面坐標系的轉(zhuǎn)換，然后基于球面坐標系數(shù)據(jù)進行距離角度等相關(guān)計算。圖3（a）所示為衛(wèi)星在地球上空運行軌跡瞬時截取圖，圖3（b）所示為空間一點采用三維建模方案示意。

圖3 衛(wèi)星運行軌跡及球面坐標系轉(zhuǎn)化示意

球面坐標系定義：首先定義直角坐標系，地心為原點，赤道的一個面，再加上南北極一個軸。

坐標系轉(zhuǎn)換：根據(jù)經(jīng)緯度還有高度（lon，lat，alt）計算某一點的坐標（x，y，z）；考慮地球等效半徑以及該點高度alt，將其抽象成半徑為R的圓，見圖3（b），其中?為緯度lat，α為經(jīng)度lon，則：

3.1.2 地圖繪制

由于地面覆蓋面積超越一般國界甚至某一大洲，可能跨越江海湖泊、山川河流、沙漠戈壁、無人區(qū)等，因此需要引入地圖繪制，以扣除上述區(qū)域，防止地面站出現(xiàn)在非地面部署典型區(qū)域。

如圖4 所示，首先根據(jù)衛(wèi)星運行軌跡確定研究的經(jīng)緯度信息，同時結(jié)合衛(wèi)星高度，確定可視場半徑V；然后，根據(jù)式（4）和式（5）確定可視場邊界對應(yīng)的經(jīng)緯度信息；最后，根據(jù)可視場邊界經(jīng)緯度信息，結(jié)合該區(qū)域地圖信息逐一扣除上述區(qū)域。

圖4 可視場邊界經(jīng)緯度信息確定

式中：

lon1、lat1——星下點經(jīng)緯度信息

θ——可視場邊界點到星下點連線與地理北的夾角，范圍為0～360°

Re——地球等效半徑

圖5 所示為以西經(jīng)100°、北緯35°為中心的1 900萬km2的可視場仿真示例，可見：除海洋外，同時還存在墨西哥灣、五大湖等大范圍水域，而對應(yīng)水域并非IMT典型網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域。

圖5 研究區(qū)域地圖繪制仿真示例

3.1.3 柵格劃分與站點撒放

由于區(qū)域扣除后的地圖為非規(guī)則圖形，同時，大面積研究區(qū)域?qū)е碌幕净蚪K端數(shù)量過多，也需要考慮仿真平臺的處理性能。地面站的撒放需要對地面表面進行柵格劃分。

柵格劃分采用在地球表面分別按照經(jīng)緯度以一定顆粒度進行劃分，顆粒度大小主要考慮衛(wèi)星坐標系中離軸角大小誤差影響。雖然柵格越大越降低運算量、存儲量，易于實現(xiàn)，但越遠離實際情況，而影響的幅度暫不確定。因此，定義rate=alt/grid 寬度進行考量，其中alt為衛(wèi)星高度，grid則為柵格大小。柵格劃分可參照圖6，可以看出赤道處柵格最大，隨著緯度的增加，柵格面積將逐漸降低。

圖6 柵格劃分示意

在“地圖繪制”結(jié)果對應(yīng)的柵格中按照一定關(guān)系進行站點撒點，在柵格內(nèi)采用均勻撒放的仿真效果圖如圖7所示，其中灰色為站點。

圖7 西經(jīng)100°、北緯35°可視場基站撒放仿真效果圖

3.1.4 合成孔徑雷達天線增益計算

大面積干擾共存仿真研究方法，由于地面很多基站或終端并非位于衛(wèi)星主波瓣范圍內(nèi)，因此，需要對衛(wèi)星天線進行精細建模。

采用笛卡爾坐標系定義合成孔徑雷達天線，原點為衛(wèi)星位置；Z軸為主波束指向，X和Y軸分別位于跨跡和沿跡指向，XOZ為俯仰角平面，YOZ為方位角平面，圖8所示為合成孔徑雷達天線坐標系定義示意。

圖8 天線坐標系定義

合成孔徑雷達的天線模式（見圖2）為俯仰角以及方位角的函數(shù)，此種情況下，需要分別確定干擾鏈路與衛(wèi)星俯仰角平面以及方位角平面之間的角度即可，可分為2 步實現(xiàn)，需要首先確定干擾鏈路在衛(wèi)星俯仰角平面以及方位角平面上投影矢量，然后再確定干擾鏈路與兩投影矢量間夾角。

a）方位角平面和俯仰角平面的確定。

（a）首先確定干擾鏈路在衛(wèi)星俯仰角平面以及方位角平面上投影矢量，然后再確定干擾鏈路與兩投影矢量間夾角。本節(jié)以西經(jīng)100°、北緯35°為例進行描述。本節(jié)僅介紹方位角平面，俯仰角平面可以采用類似方法獲得。

（b）為確定干擾鏈路在面YOZ（沿跡）上的投影，首先確定平面YOZ，進一步需要在該面YOZ上除OZ外確定一根直線或點，不在同一根直線上的3 個點確定一個平面。

（c）面YOZ投到地球上為圖9 中黃色區(qū)域，橙色區(qū)域為衛(wèi)星運行界面；同時，陰影部分為跨級平面，其與黃色區(qū)域（小黃圈）以及橙色區(qū)域（大橙圈）均垂直。

圖9 方位角平面及矢量示意

（d）為簡化，假設(shè)衛(wèi)星總在西經(jīng)100°經(jīng)圈（大橙圈）上方運行，偏離星下點角度是確定的，例如35°。則，小黃圈和大橙圈二者分別所在的平面夾角為35°（即偏移星下點角度），交點為衛(wèi)星所在位置，且交線經(jīng)度不變。

b）面到點的抽取。通過第a）步已確定方位平面YOZ（黃色）和俯仰平面XOZ（陰影），可在其上任意抽取點，只要不與OZ在一條直線上即可確定平面，為方便計算，可抽取縱截面圖中圓錐或球冠的中點分別作為Y，X。下面介紹點Y、X如何獲得。

（a）在△OEZ'中，OE、EZ'以及∠EOZ'已知，則∠OEZ'以及ZZ'可獲得。

（b）在△ZEM中，EZ、ZM以及∠ZEM已知，則EM可獲得。

（c）在△EMY中，EM、EY、MY已知，則∠MEY可知，進一步可推出X、Y的經(jīng)緯度信息。

3.2 大面積干擾共存研究步驟

本節(jié)基于3.1節(jié)的共存方法，給出地面IMT系統(tǒng)同頻干擾星載合成孔徑雷達研究步驟，若進行鄰頻共存研究，僅在干擾計算時考慮帶外射頻指標，此處不贅述。

步驟1：確定評估區(qū)域部署的IMT 基站總數(shù)。評估區(qū)域內(nèi)部署的IMT基站數(shù)量，可由式（6）計算。

式中：

NBS——IMT基站總數(shù)

BSNLF——網(wǎng)絡(luò)負荷因子

A——擬評估區(qū)域的面積（km2）

Ds——區(qū)域內(nèi)IMT基站的分布密度（個/km2）

Ra——覆蓋區(qū)域占建成區(qū)的比例（%）

Rb——建成區(qū)占區(qū)域總面積的比例（%）

以0.25°的經(jīng)度、0.25°的緯度為步長創(chuàng)建柵格。0.25°×0.25°的面積大小等效于緯度為0°時的28 km×28 km。NBS均勻分布在每個柵格中，因此每個柵格中部署的BS數(shù)量取決于柵格區(qū)域的大小。

步驟2：生成IMT基站。IMT基站的位置統(tǒng)一部署在網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)。基站與衛(wèi)星的仰角、方位角在同一網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)是相同的。BS 的水平方向為0～360°均勻分布。UE統(tǒng)一部署在BS的服務(wù)區(qū)域內(nèi)。

步驟3：計算來自IMT系統(tǒng)的集總干擾。

步驟3.1：計算評估區(qū)域內(nèi)每個BS 或UE 的干擾。合成孔徑雷達接收機處每個基站或UE 發(fā)射機的干擾功率根據(jù)式（7）進行計算。

式中：

In——來自基站或終端的干擾（dBW/100 MHz）

Ptx——為BS 或UE 在EESS 帶寬內(nèi)的功率（dBW/100 MHz）

Gtx——BS或UE指向衛(wèi)星方向的天線增益（dBi）

PL——傳播損耗（dB），綜合考慮視距損耗、大氣衰減、波束擴展、極化損耗（3 dB）、地物損耗

Grx——合成孔徑雷達在BS或UE方向的接收天線增益（dBi）

步驟3.2：計算對合成孔徑雷達接收機的集總干擾。集總干擾按式（8）進行計算。

式中：

Itotal——研究區(qū)域內(nèi)所有基站和終端到合成孔徑雷達的集總干擾（dBW/100 MHz）

NBS——覆蓋區(qū)域中基站總數(shù)

NUE——覆蓋區(qū)域中終端總數(shù)

ATDD——TDD 激活因子

n——基站或終端索引

步驟4：計算IMT 系統(tǒng)對合成孔徑雷達的干噪比（I/N），并根據(jù)定義的I/N保護標準進行比較。

4 應(yīng)用性能分析

為分析大面積干擾共存仿真方法論的性能，本節(jié)采用蒙特卡羅思想搭建仿真平臺，給出IMT 對合成孔徑雷達集總干擾仿真數(shù)據(jù)以及平臺運行分析。

4.1 仿真參數(shù)

4.1.1 IMT參數(shù)

IMT 仿真參數(shù)參考ITU-R WP5D 38#會議主席報告（見5D/716 號文件附件4.4），其中部署參數(shù)見表1，終端參數(shù)見表2，IMT-2020 AAS 基站的天線參數(shù)見表3，Ra和Rb見表4。

表1 IMT部署參數(shù)〔市區(qū)/郊區(qū)熱點（室外）〕

表2 終端參數(shù)〔市區(qū)/郊區(qū)熱點（室外）〕

表4 較大區(qū)域部署Ra和Rb取值〔熱點（室外）〕

4.1.2 星載合成孔徑雷達（SAR）參數(shù)

合成孔徑雷達仿真參數(shù)參考WP 7C 的聯(lián)絡(luò)聲明（見文件5D/353）的SAR-4相關(guān)內(nèi)容（見表5）。

4.2 仿真結(jié)果

采用蒙特卡羅思想搭建仿真平臺，給出IMT 對合成孔徑雷達集總干擾仿真數(shù)據(jù)以及平臺運行分析結(jié)果，IMT 對合成孔徑雷達集總干擾余量為13.2 dB，IMT對合成孔徑雷達集總干擾CDF分布如圖10所示。

圖10 IMT對合成孔徑雷達集總干擾CDF圖

仿真部署面積為12 625 211.869 km2，IMT 基站數(shù)為173 584 臺，上述數(shù)據(jù)是10 000 次蒙特卡羅仿真運行結(jié)果，從圖10 可以看出曲線平滑；且多次運行的數(shù)據(jù)偏差在0.05 dB 以內(nèi)；仿真平臺部署于內(nèi)存256G/CPU 12核24線程服務(wù)器上，10 000次蒙特卡羅仿真的運行時間為1.5天。

5 結(jié)束語

本文研究了星載合成孔徑雷達與地面業(yè)務(wù)干擾共存仿真方法論，并基于SAR-4 和IMT 系統(tǒng)仿真給出大面積干擾共存方法的運行性能，星載合成孔徑雷達與地面業(yè)務(wù)干擾共存仿真方法論可應(yīng)用于大面積部署系統(tǒng)與星載系統(tǒng)間干擾共存研究，并可高效運行，及時有效輸出仿真數(shù)據(jù)。