1 干擾源監(jiān)測與定位技術(shù)
1.1 干擾監(jiān)測技術(shù)
常規(guī)的干擾監(jiān)測與定位只是一個局部系統(tǒng)，應(yīng)該建立一個一體化的干擾監(jiān)測與定位技術(shù)，既可以實現(xiàn)對于衛(wèi)星信號干擾的監(jiān)測與定位，也可以實現(xiàn)對地面用戶的干擾監(jiān)測與定位。干擾監(jiān)測與定位設(shè)備有機載設(shè)備、車載設(shè)備和地面設(shè)備。
地面干擾監(jiān)測設(shè)備由地面干擾監(jiān)測設(shè)備和衛(wèi)星信號監(jiān)測設(shè)備組成。主要包括: 干擾監(jiān)測測向天線、定向接收天線、干擾信號監(jiān)測接收模塊、衛(wèi)星信號監(jiān)測接收模塊等。地面干擾監(jiān)測設(shè)備如圖1 所示。
圖1 地面干擾監(jiān)測設(shè)備組成示意圖
地面固定監(jiān)測與車載式監(jiān)測，二者的工作模式有一定的區(qū)別。
車載干擾監(jiān)測主要組成示意圖如圖2 所示，車輛頂端安裝一個多陣元天線陣，每個天線陣元的射頻信號下變頻到中頻，然后進行A/ D 采樣。從A/ D出來的數(shù)字信號再經(jīng)過帶通濾波和下采樣，最后信號經(jīng)過一個實時的自適應(yīng)數(shù)字波束形成器。為了保證天線陣各個方位角的角分辨率，可以選擇圓形天線陣，一個陣元位于圓心，其余天線陣元均勻分布圓上,為了保證DOA 的估計精度，天線間隔應(yīng)該盡量大。
圖2 車載干擾監(jiān)測系統(tǒng)示意圖
在波束形成之前，利用從天線通道提取的原始信號可以估算出干擾信號的到達方向( DOA) 。因此，只要估計出干擾源在天線陣不同位置的DOA值，然后由三角測量法就可以估計出干擾源的位置。
1.2 干擾源定位技術(shù)
對干擾源的定位，一般要給出干擾源的三維參數(shù): 方位角、距離、離地高度。
目前干擾源定位技術(shù)主要包括: 基于信號到達時間差(TDOA) 定位技術(shù)，即測時差定位; 基于信號到達角(AOA) 定位技術(shù)，即測向定位; 基于信號到達頻率差( FDOA) 定位技術(shù)。圖3 非常直觀地給出了這3 種干擾源定位技術(shù)的區(qū)別與聯(lián)系。在具體實現(xiàn)時，通常選擇幾種技術(shù)相結(jié)合的方式，以取長補短獲得更好的性能。如TDOA 與FDOA 相結(jié)合，可以彌補TDOA 對運動干擾源定位時間的滯后性。三角測量法與弧線相交法相結(jié)合，可以有效地克服DF 系統(tǒng)誤差及數(shù)據(jù)隨機誤差的影響，達到較高的精度。
圖3 干擾源定位技術(shù)分類
2 干擾轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星信號的監(jiān)測與定位
2.1 基于地面對衛(wèi)星干擾信號的監(jiān)測與定位技術(shù)
與地面干擾監(jiān)測與定位系統(tǒng)一樣，對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)干擾信號的監(jiān)測與定位技術(shù)主要有2 種: 基于信號到達時間差( TDOA) 定位技術(shù)，即測時差定位;基于信號到達角( AOA) 定位技術(shù)，即測向定位。
到達時間差( 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。到達時間差定位也稱為雙曲線( 面) 定位，它是通過處理信號到達多個接收站之間的時間差來確定目標位置，從幾何意義上理解是從多個等值測量的定位雙曲線( 面) 來尋找其交點。TDOA 定位一般是由處于相同軌道的兩顆衛(wèi)星相互配合來實現(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
在三維空間坐標系中，利用2 顆衛(wèi)星接收干擾信號的TDOA 定位方法只能夠確定干擾源所在一條雙曲線，而無法確定干擾源的確切位置點，這就是TDOA 定位的模糊問題。為了精確測量干擾源的空間位置，還必須采取輔助測量措施。例如利用到達頻率差( FDOA) 測量信息，或采用干涉方法解模糊等。在實際應(yīng)用中，地面干擾信號泄漏至相鄰衛(wèi)星的功率往往是十分微弱的，比正常接收信號電平一般要低30~ 40 dB，采用傳統(tǒng)的信號檢測方法是無法檢測的，因此地面監(jiān)控站需要采用弱信號相關(guān)檢測等高靈敏度接收技術(shù)，至少具有60 dB 以上的處理增益。
測向定位是最早出現(xiàn)且廣泛應(yīng)用的一種定位方法。對處于中、低軌道衛(wèi)星，由于能夠利用星地之間的相對運動信息，實現(xiàn)測向定位要相對容易些。但對于地球同步軌道衛(wèi)星，上述連續(xù)測向方法就不再適用了。結(jié)合衛(wèi)星天線多波束特性來測定干擾源的空間位置，是近年來衛(wèi)星干擾源技術(shù)的一個發(fā)展方向。日本通信綜合研究所( CRL) 的研究人員通過工程試驗衛(wèi)星ETS- VI 的S 波段多波束相控陣天線進行了干擾源定位實驗，其定位方法為單脈沖比幅測量; 同時他們還進一步研究了用于抑制干擾信號的自適應(yīng)波束形成技術(shù)。
測時差定位技術(shù)的優(yōu)點是對整個衛(wèi)星系統(tǒng)的正常運行影響較小，但它要求2 顆衛(wèi)星能同時接收到干擾信號電平，否則就無法正常測得干擾源位置。
測向定位技術(shù)無需其他衛(wèi)星協(xié)助，僅利用受干擾衛(wèi)星就可以實現(xiàn)對干擾源的定位。但傳統(tǒng)測向方法( 如最大信號法等) 的定位精度較低，應(yīng)用范圍受到限制。以陣列信號處理為基礎(chǔ)的空間譜估計技術(shù)( 如最大似然估計法、特征分解方法以及熵譜估計法等) 突破了瑞利極限，具有很高的估計精度和空間分辨性能，可同時對多個輻射源進行定位。但其在進行方位搜索時需要巨大的計算量，且天線模型誤差及天線指向誤差對定位精度影響較大。
2.2 星載干擾源監(jiān)測與定位技術(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)測與定位系統(tǒng)可以是車載的，也可以是固定站; 而星載干擾監(jiān)測與定位系統(tǒng)則受到體積、大小、重量以及功耗的限制。其次，二者側(cè)重點不同，多徑效應(yīng)的影響是地面干擾監(jiān)測與定位要解決的重點問題之一，而星載干擾監(jiān)測與定位系統(tǒng)則無需考慮。三是所采用的天線形式不同，地面干擾監(jiān)測與定位系統(tǒng)一般用無方向性天線組成天線陣來進行測向，而星載干擾監(jiān)測與定位系統(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是等幅的，它利用信號入射角不同而在各陣子上引起的相位差不同進行測向，而星載多波束天線一般不考慮各波束接收到的信號相位差的影響，它是利用各波束接收到的信號幅度不同進行測向定位。
以空間譜估計原理為基礎(chǔ)的先進測向技術(shù)可以有效解決密集信號環(huán)境中多個輻射源的高分辨率、高精度測向定位問題。
衛(wèi)星天線采用多波束天線。常用的空間譜估計方法有最大似然估計法、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一直受到人們的高度重視，至今仍代表空間譜估計技術(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)時引入信號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行輻射源的到達方向( DOA)估計。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，實現(xiàn)方位角/ 俯仰角的二維參數(shù)估計，具有極高的估計精度和超分辨率等優(yōu)異性能。
3 地面接收機干擾監(jiān)測與定位技術(shù)
對地面接收機的干擾監(jiān)測與定位利用車載移動干擾監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)。如圖5 所示，A 設(shè)備接收干擾信號，轉(zhuǎn)發(fā)給B 設(shè)備，B 設(shè)備既接收干擾信號進行參數(shù)估計，同時也要接收A 設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號，然后經(jīng)過處理，得出干擾源位置。
圖5 TDOA 定位
對地面接收機的干擾監(jiān)測與定位前提條件是:
①干擾源位于地表，高度忽略; ②單個干擾源;③干擾源靜止; ④ 干擾信號為調(diào)制信號，頻段固定; ⑤干擾源與干擾監(jiān)測設(shè)備之間無遮擋。
3.1 TDOA 技術(shù)
工作流程: A 設(shè)備2 個、B 設(shè)備1 個。2 個A 設(shè)備將干擾信號轉(zhuǎn)發(fā)給B 設(shè)備，由B 設(shè)備解算得到干擾源位置。
需考慮的因素( 減小誤差，提高定位精度)為3 個設(shè)備的相對位置關(guān)系及其自身位置的精度。
定位設(shè)備: 參數(shù)估計方法及參數(shù)估計的精度; 已知參數(shù)的情形下解算干擾源位置的效率、精度; A 設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時延估計的精度、時間精度。
3.2 TDOA+ FDOA 技術(shù)
工作流程:A 設(shè)備、B 設(shè)備各需要1 個。A 設(shè)備將干擾信號轉(zhuǎn)發(fā)給B 設(shè)備。B 設(shè)備接收A 設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號; 接收干擾源直接傳輸?shù)母蓴_信號; 然后，使B 設(shè)備按一定的速度運動，對信號進行處理,得到多普勒頻移。通過對3 組信號進行處理，得到干擾源的位置。
需考慮的因素為：①3 個設(shè)備的位置關(guān)系; ②B 設(shè)備運動時速度、方向; ③ 3 個設(shè)備自身位置的精度。
定位設(shè)備: 參數(shù)估計方法及參數(shù)估計的精度; 已知參數(shù)的情形下解算干擾源位置的效率、精度;A 設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時延估計的精度; 設(shè)備時間精度; 信號轉(zhuǎn)發(fā)時頻率精度。
以上2 種方案適合地面車輛上安裝定位設(shè)備來實現(xiàn)。
3.3 AOA 技術(shù)
工作流程: A 設(shè)備、B 設(shè)備各1 個。A 設(shè)備將干擾信號轉(zhuǎn)發(fā)給B 設(shè)備。B 設(shè)備接收A 設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號; 接收干擾源直接傳輸?shù)母蓴_信號; 然后，通過測向儀( DF) 測出干擾源所在的方向，兩個不同的AOA 線取交點就得到了干擾源的位置。
需考慮的因素: 2 個設(shè)備的位置關(guān)系以及自身位置的精度。定位設(shè)備: DF 測向精度、天線的增益方向圖等參數(shù)隨頻率的變化; A 種設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時延估計的精度。
4 結(jié)束語
在干擾監(jiān)測與定位信號處理時，可針對干擾信號的不同類型建立相應(yīng)模型，引入置信區(qū)間，置信水平等參數(shù)，將干擾源位置以一定的概率限定在一定區(qū)域內(nèi)。
干擾源進行自主監(jiān)測和快速定位，可以對干擾源的信號進行打擊，但同時需要采取主動防御措施,如用戶機和衛(wèi)星接收機采取自適應(yīng)濾波和調(diào)零天線等抗干擾技術(shù)。因此，干擾監(jiān)測定位與抗干擾技術(shù)是衛(wèi)星系統(tǒng)十分重要的防護需求，在對干擾的認識和抗干擾技術(shù)方面，還有許多問題需要深入研究。