衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)的監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)

　　到達(dá)時(shí)間差( TDOA) 干擾源定位技術(shù)目前已經(jīng)在民用衛(wèi)星通信系統(tǒng)中應(yīng)用。到達(dá)時(shí)間差定位也稱為雙曲線( 面) 定位，它是通過(guò)處理信號(hào)到達(dá)多個(gè)接收站之間的時(shí)間差來(lái)確定目標(biāo)位置，從幾何意義上理解是從多個(gè)等值測(cè)量的定位雙曲線( 面) 來(lái)尋找其交點(diǎn)。TDOA 定位一般是由處于相同軌道的兩顆衛(wèi)星相互配合來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中一顆為受干擾衛(wèi)星，另一顆輔助衛(wèi)星是可以利用的鄰近衛(wèi)星，如圖4 所示。

圖4 衛(wèi)星干擾源定位原理

　　在三維空間坐標(biāo)系中，利用2 顆衛(wèi)星接收干擾信號(hào)的TDOA 定位方法只能夠確定干擾源所在一條雙曲線，而無(wú)法確定干擾源的確切位置點(diǎn)，這就是TDOA 定位的模糊問(wèn)題。為了精確測(cè)量干擾源的空間位置，還必須采取輔助測(cè)量措施。例如利用到達(dá)頻率差( FDOA) 測(cè)量信息，或采用干涉方法解模糊等。在實(shí)際應(yīng)用中，地面干擾信號(hào)泄漏至相鄰衛(wèi)星的功率往往是十分微弱的，比正常接收信號(hào)電平一般要低30~ 40 dB，采用傳統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)方法是無(wú)法檢測(cè)的，因此地面監(jiān)控站需要采用弱信號(hào)相關(guān)檢測(cè)等高靈敏度接收技術(shù)，至少具有60 dB 以上的處理增益。

　　測(cè)向定位是最早出現(xiàn)且廣泛應(yīng)用的一種定位方法。對(duì)處于中、低軌道衛(wèi)星，由于能夠利用星地之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)測(cè)向定位要相對(duì)容易些。但對(duì)于地球同步軌道衛(wèi)星，上述連續(xù)測(cè)向方法就不再適用了。結(jié)合衛(wèi)星天線多波束特性來(lái)測(cè)定干擾源的空間位置，是近年來(lái)衛(wèi)星干擾源技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。日本通信綜合研究所( CRL) 的研究人員通過(guò)工程試驗(yàn)衛(wèi)星ETS- VI 的S 波段多波束相控陣天線進(jìn)行了干擾源定位實(shí)驗(yàn)，其定位方法為單脈沖比幅測(cè)量; 同時(shí)他們還進(jìn)一步研究了用于抑制干擾信號(hào)的自適應(yīng)波束形成技術(shù)。

　　測(cè)時(shí)差定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的正常運(yùn)行影響較小，但它要求2 顆衛(wèi)星能同時(shí)接收到干擾信號(hào)電平，否則就無(wú)法正常測(cè)得干擾源位置。

　　測(cè)向定位技術(shù)無(wú)需其他衛(wèi)星協(xié)助，僅利用受干擾衛(wèi)星就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾源的定位。但傳統(tǒng)測(cè)向方法( 如最大信號(hào)法等) 的定位精度較低，應(yīng)用范圍受到限制。以陣列信號(hào)處理為基礎(chǔ)的空間譜估計(jì)技術(shù)( 如最大似然估計(jì)法、特征分解方法以及熵譜估計(jì)法等) 突破了瑞利極限，具有很高的估計(jì)精度和空間分辨性能，可同時(shí)對(duì)多個(gè)輻射源進(jìn)行定位。但其在進(jìn)行方位搜索時(shí)需要巨大的計(jì)算量，且天線模型誤差及天線指向誤差對(duì)定位精度影響較大。

　　2.2 星載干擾源監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)

　　衛(wèi)星干擾源定位是地面干擾源定位技術(shù)在衛(wèi)星領(lǐng)域的應(yīng)用，但有別于地面干擾源定位技術(shù)。

　　首先，定位設(shè)備的載體不同，地面干擾源監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)可以是車(chē)載的，也可以是固定站; 而星載干擾監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)則受到體積、大小、重量以及功耗的限制。其次，二者側(cè)重點(diǎn)不同，多徑效應(yīng)的影響是地面干擾監(jiān)測(cè)與定位要解決的重點(diǎn)問(wèn)題之一，而星載干擾監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)則無(wú)需考慮。三是所采用的天線形式不同，地面干擾監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)一般用無(wú)方向性天線組成天線陣來(lái)進(jìn)行測(cè)向，而星載干擾監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)一般采用多波束天線，前者假設(shè)各天線陣子接收到的信號(hào)是等幅的，它利用信號(hào)入射角不同而在各陣子上引起的相位差不同進(jìn)行測(cè)向，而星載多波束天線一般不考慮各波束接收到的信號(hào)相位差的影響，它是利用各波束接收到的信號(hào)幅度不同進(jìn)行測(cè)向定位。

　　以空間譜估計(jì)原理為基礎(chǔ)的先進(jìn)測(cè)向技術(shù)可以有效解決密集信號(hào)環(huán)境中多個(gè)輻射源的高分辨率、高精度測(cè)向定位問(wèn)題。

　　衛(wèi)星天線采用多波束天線。常用的空間譜估計(jì)方法有最大似然估計(jì)法、模型參量法以及特征分解法等。其中，以MUSIC 算法為代表的特征分解方法自提出以來(lái)一直受到人們的高度重視，至今仍代表空間譜估計(jì)技術(shù)發(fā)展的主流方向。其理論基礎(chǔ)是利用陣列采樣數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，在構(gòu)造( 偽) 譜函數(shù)時(shí)引入信號(hào)子空間及噪聲子空間的概念，并充分利用兩者之間的正交性進(jìn)行輻射源的到達(dá)方向( DOA)估計(jì)。與常規(guī)波束形成方法不同的是，特征分解方法可以突破天線瑞利極限的限制，實(shí)現(xiàn)方位角/ 俯仰角的二維參數(shù)估計(jì)，具有極高的估計(jì)精度和超分辨率等優(yōu)異性能。