卫星网络干扰信号的监测与定位技术

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1990 年以来卫星通信等业务迅速发展,而地面空间有意或无意的干扰对系统的威胁也日益增加。据欧洲电信卫星组织( EUTELSAT) 的有关报告,每年都会出现数百次卫星系统受干扰事件。从我国卫星系统的实际应用来看,人为干扰事件也时有发生。为了避开干扰,一方面要对空间频率资源进行合理划分和有效保护; 同时也要采取迅速而有效的措施来监测定位干扰信号。面对越来越多的干扰事件,以及对接收机及卫星的直接攻击和干扰,必须研究对卫星和接收机干扰的监测和定位技术,同时星载干扰监测与定位技术是势之所趋。

  1   干扰源监测与定位技术

  1.1   干扰监测技术

  常规的干扰监测与定位只是一个局部系统,应该建立一个一体化的干扰监测与定位技术,既可以实现对于卫星信号干扰的监测与定位,也可以实现对地面用户的干扰监测与定位。干扰监测与定位设备有机载设备、车载设备和地面设备。

  地面干扰监测设备由地面干扰监测设备和卫星信号监测设备组成。主要包括: 干扰监测测向天线、定向接收天线、干扰信号监测接收模块、卫星信号监测接收模块等。地面干扰监测设备如图1 所示。

地面干扰监测设备组成示意图

图1  地面干扰监测设备组成示意图

  地面固定监测与车载式监测,二者的工作模式有一定的区别。

  车载干扰监测主要组成示意图如图2 所示,车辆顶端安装一个多阵元天线阵,每个天线阵元的射频信号下变频到中频,然后进行A/ D 采样。从A/ D出来的数字信号再经过带通滤波和下采样,最后信号经过一个实时的自适应数字波束形成器。为了保证天线阵各个方位角的角分辨率,可以选择圆形天线阵,一个阵元位于圆心,其余天线阵元均匀分布圆上,为了保证DOA 的估计精度,天线间隔应该尽量大。

车载干扰监测系统示意图

图2  车载干扰监测系统示意图 在波束形成之前,利用从天线通道提取的原始信号可以估算出干扰信号的到达方向( DOA) 。因此,只要估计出干扰源在天线阵不同位置的DOA值,然后由三角测量法就可以估计出干扰源的位置。

  1.2   干扰源定位技术

  对干扰源的定位,一般要给出干扰源的三维参数: 方位角、距离、离地高度。

  目前干扰源定位技术主要包括: 基于信号到达时间差(TDOA) 定位技术,即测时差定位; 基于信号到达角(AOA) 定位技术,即测向定位; 基于信号到达频率差( FDOA) 定位技术。图3 非常直观地给出了这3 种干扰源定位技术的区别与联系。在具体实现时,通常选择几种技术相结合的方式,以取长补短获得更好的性能。如TDOA 与FDOA 相结合,可以弥补TDOA 对运动干扰源定位时间的滞后性。三角测量法与弧线相交法相结合,可以有效地克服DF 系统误差及数据随机误差的影响,达到较高的精度。

干扰源定位技术分类

图3  干扰源定位技术分类

  2   干扰转发卫星信号的监测与定位

  2.1   基于地面对卫星干扰信号的监测与定位技术

  与地面干扰监测与定位系统一样,对卫星网络干扰信号的监测与定位技术主要有2 种:   基于信号到达时间差( TDOA) 定位技术,即测时差定位;基于信号到达角( AOA) 定位技术,即测向定位。到达时间差( TDOA) 干扰源定位技术目前已经在民用卫星通信系统中应用。到达时间差定位也称为双曲线( 面) 定位,它是通过处理信号到达多个接收站之间的时间差来确定目标位置,从几何意义上理解是从多个等值测量的定位双曲线( 面) 来寻找其交点。TDOA 定位一般是由处于相同轨道的两颗卫星相互配合来实现,其中一颗为受干扰卫星,另一颗辅助卫星是可以利用的邻近卫星,如图4 所示。

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图4   卫星干扰源定位原理

  在三维空间坐标系中,利用2 颗卫星接收干扰信号的TDOA 定位方法只能够确定干扰源所在一条双曲线,而无法确定干扰源的确切位置点,这就是TDOA 定位的模糊问题。为了精确测量干扰源的空间位置,还必须采取辅助测量措施。例如利用到达频率差( FDOA) 测量信息,或采用干涉方法解模糊等。在实际应用中,地面干扰信号泄漏至相邻卫星的功率往往是十分微弱的,比正常接收信号电平一般要低30~ 40 dB,采用传统的信号检测方法是无法检测的,因此地面监控站需要采用弱信号相关检测等高灵敏度接收技术,至少具有60 dB 以上的处理增益。

  测向定位是最早出现且广泛应用的一种定位方法。对处于中、低轨道卫星,由于能够利用星地之间的相对运动信息,实现测向定位要相对容易些。但对于地球同步轨道卫星,上述连续测向方法就不再适用了。结合卫星天线多波束特性来测定干扰源的空间位置,是近年来卫星干扰源技术的一个发展方向。日本通信综合研究所( CRL) 的研究人员通过工程试验卫星ETS- VI 的S 波段多波束相控阵天线进行了干扰源定位实验,其定位方法为单脉冲比幅测量; 同时他们还进一步研究了用于抑制干扰信号的自适应波束形成技术。

  测时差定位技术的优点是对整个卫星系统的正常运行影响较小,但它要求2 颗卫星能同时接收到干扰信号电平,否则就无法正常测得干扰源位置。

  测向定位技术无需其他卫星协助,仅利用受干扰卫星就可以实现对干扰源的定位。但传统测向方法( 如最大信号法等) 的定位精度较低,应用范围受到限制。以阵列信号处理为基础的空间谱估计技术( 如最大似然估计法、特征分解方法以及熵谱估计法等) 突破了瑞利极限,具有很高的估计精度和空间分辨性能,可同时对多个辐射源进行定位。但其在进行方位搜索时需要巨大的计算量,且天线模型误差及天线指向误差对定位精度影响较大。

  2.2   星载干扰源监测与定位技术

  卫星干扰源定位是地面干扰源定位技术在卫星领域的应用,但有别于地面干扰源定位技术。

  首先,定位设备的载体不同,地面干扰源监测与定位系统可以是车载的,也可以是固定站; 而星载干扰监测与定位系统则受到体积、大小、重量以及功耗的限制。其次,二者侧重点不同,多径效应的影响是地面干扰监测与定位要解决的重点问题之一,而星载干扰监测与定位系统则无需考虑。三是所采用的天线形式不同,地面干扰监测与定位系统一般用无方向性天线组成天线阵来进行测向,而星载干扰监测与定位系统一般采用多波束天线,前者假设各天线阵子接收到的信号是等幅的,它利用信号入射角不同而在各阵子上引起的相位差不同进行测向,而星载多波束天线一般不考虑各波束接收到的信号相位差的影响,它是利用各波束接收到的信号幅度不同进行测向定位。

  以空间谱估计原理为基础的先进测向技术可以有效解决密集信号环境中多个辐射源的高分辨率、高精度测向定位问题。

  卫星天线采用多波束天线。常用的空间谱估计方法有最大似然估计法、模型参量法以及特征分解法等。其中,以MUSIC 算法为代表的特征分解方法自提出以来一直受到人们的高度重视,至今仍代表空间谱估计技术发展的主流方向。其理论基础是利用阵列采样数据的协方差矩阵,在构造( 伪) 谱函数时引入信号子空间及噪声子空间的概念,并充分利用两者之间的正交性进行辐射源的到达方向( DOA)估计。与常规波束形成方法不同的是,特征分解方法可以突破天线瑞利极限的限制,实现方位角/ 俯仰角的二维参数估计,具有极高的估计精度和超分辨率等优异性能。

  3   地面接收机干扰监测与定位技术

  对地面接收机的干扰监测与定位利用车载移动干扰监测设备实现。如图5 所示,A 设备接收干扰信号,转发给B 设备,B 设备既接收干扰信号进行参数估计,同时也要接收A 设备转发的干扰信号,然后经过处理,得出干扰源位置。

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图5  TDOA 定位

  对地面接收机的干扰监测与定位前提条件是:

  ①干扰源位于地表,高度忽略; ②单个干扰源;③干扰源静止; ④ 干扰信号为调制信号,频段固定; ⑤干扰源与干扰监测设备之间无遮挡。

  3.1   TDOA 技术

  工作流程: A 设备2 个、B 设备1 个。2 个A 设备将干扰信号转发给B 设备,由B 设备解算得到干扰源位置。

  需考虑的因素( 减小误差,提高定位精度)为3 个设备的相对位置关系及其自身位置的精度。

  定位设备: 参数估计方法及参数估计的精度; 已知参数的情形下解算干扰源位置的效率、精度; A 设备转发时延估计的精度、时间精度。

  3.2   TDOA+ FDOA 技术

  工作流程:A 设备、B 设备各需要1 个。A 设备将干扰信号转发给B 设备。B 设备接收A 设备转发的干扰信号; 接收干扰源直接传输的干扰信号; 然后,使B 设备按一定的速度运动,对信号进行处理,得到多普勒频移。通过对3 组信号进行处理,得到干扰源的位置。

  需考虑的因素为:①3 个设备的位置关系; ②B 设备运动时速度、方向; ③ 3 个设备自身位置的精度。

  定位设备: 参数估计方法及参数估计的精度; 已知参数的情形下解算干扰源位置的效率、精度;A 设备转发时延估计的精度; 设备时间精度; 信号转发时频率精度。

  以上2 种方案适合地面车辆上安装定位设备来实现。

  3.3   AOA 技术

  工作流程: A 设备、B 设备各1 个。A 设备将干扰信号转发给B 设备。B 设备接收A 设备转发的干扰信号; 接收干扰源直接传输的干扰信号; 然后,通过测向仪( DF) 测出干扰源所在的方向,两个不同的AOA 线取交点就得到了干扰源的位置。

  需考虑的因素: 2 个设备的位置关系以及自身位置的精度。定位设备: DF 测向精度、天线的增益方向图等参数随频率的变化; A 种设备转发时延估计的精度。

  4   结束语

  在干扰监测与定位信号处理时,可针对干扰信号的不同类型建立相应模型,引入置信区间,置信水平等参数,将干扰源位置以一定的概率限定在一定区域内。

  干扰源进行自主监测和快速定位,可以对干扰源的信号进行打击,但同时需要采取主动防御措施,如用户机和卫星接收机采取自适应滤波和调零天线等抗干扰技术。因此,干扰监测定位与抗干扰技术是卫星系统十分重要的防护需求,在对干扰的认识和抗干扰技术方面,还有许多问题需要深入研究。

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