1   干擾源監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)

　　1.1   干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)

　　常規(guī)的干擾監(jiān)測(cè)與定位只是一個(gè)局部系統(tǒng)，應(yīng)該建立一個(gè)一體化的干擾監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于衛(wèi)星信號(hào)干擾的監(jiān)測(cè)與定位，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地面用戶的干擾監(jiān)測(cè)與定位。干擾監(jiān)測(cè)與定位設(shè)備有機(jī)載設(shè)備、車載設(shè)備和地面設(shè)備。

　　地面干擾監(jiān)測(cè)設(shè)備由地面干擾監(jiān)測(cè)設(shè)備和衛(wèi)星信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備組成。主要包括: 干擾監(jiān)測(cè)測(cè)向天線、定向接收天線、干擾信號(hào)監(jiān)測(cè)接收模塊、衛(wèi)星信號(hào)監(jiān)測(cè)接收模塊等。地面干擾監(jiān)測(cè)設(shè)備如圖1 所示。

圖1  地面干擾監(jiān)測(cè)設(shè)備組成示意圖

　　地面固定監(jiān)測(cè)與車載式監(jiān)測(cè)，二者的工作模式有一定的區(qū)別。

　　車載干擾監(jiān)測(cè)主要組成示意圖如圖2 所示，車輛頂端安裝一個(gè)多陣元天線陣，每個(gè)天線陣元的射頻信號(hào)下變頻到中頻，然后進(jìn)行A/ D 采樣。從A/ D出來(lái)的數(shù)字信號(hào)再經(jīng)過(guò)帶通濾波和下采樣，最后信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)實(shí)時(shí)的自適應(yīng)數(shù)字波束形成器。為了保證天線陣各個(gè)方位角的角分辨率，可以選擇圓形天線陣，一個(gè)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(jì)精度，天線間隔應(yīng)該盡量大。

圖2  車載干擾監(jiān)測(cè)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(hào)可以估算出干擾信號(hào)的到達(dá)方向( DOA) 。因此，只要估計(jì)出干擾源在天線陣不同位置的DOA值，然后由三角測(cè)量法就可以估計(jì)出干擾源的位置。

　　1.2   干擾源定位技術(shù)

　　對(duì)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(hào)到達(dá)時(shí)間差(TDOA) 定位技術(shù)，即測(cè)時(shí)差定位; 基于信號(hào)到達(dá)角(AOA) 定位技術(shù)，即測(cè)向定位; 基于信號(hào)到達(dá)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(shí)現(xiàn)時(shí)，通常選擇幾種技術(shù)相結(jié)合的方式，以取長(zhǎng)補(bǔ)短獲得更好的性能。如TDOA 與FDOA 相結(jié)合，可以彌補(bǔ)TDOA 對(duì)運(yùn)動(dòng)干擾源定位時(shí)間的滯后性。三角測(cè)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(jī)誤差的影響，達(dá)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(hào)的監(jiān)測(cè)與定位

　　2.1   基于地面對(duì)衛(wèi)星干擾信號(hào)的監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)

　　與地面干擾監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)一樣，對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)的監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)主要有2 種:   基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差( TDOA) 定位技術(shù)，即測(cè)時(shí)差定位;基于信號(hào)到達(dá)角( AOA) 定位技術(shù)，即測(cè)向定位。

　　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。

　　3   地面接收機(jī)干擾監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)

　　對(duì)地面接收機(jī)的干擾監(jiān)測(cè)與定位利用車載移動(dòng)干擾監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。如圖5 所示，A 設(shè)備接收干擾信號(hào)，轉(zhuǎn)發(fā)給B 設(shè)備，B 設(shè)備既接收干擾信號(hào)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，同時(shí)也要接收A 設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)處理，得出干擾源位置。

圖5  TDOA 定位

　　對(duì)地面接收機(jī)的干擾監(jiān)測(cè)與定位前提條件是:

　?、俑蓴_源位于地表，高度忽略; ②單個(gè)干擾源;③干擾源靜止; ④ 干擾信號(hào)為調(diào)制信號(hào)，頻段固定; ⑤干擾源與干擾監(jiān)測(cè)設(shè)備之間無(wú)遮擋。

　　3.1   TDOA 技術(shù)

　　工作流程: A 設(shè)備2 個(gè)、B 設(shè)備1 個(gè)。2 個(gè)A 設(shè)備將干擾信號(hào)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(gè)設(shè)備的相對(duì)位置關(guān)系及其自身位置的精度。

　　定位設(shè)備: 參數(shù)估計(jì)方法及參數(shù)估計(jì)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(shí)延估計(jì)的精度、時(shí)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(gè)。A 設(shè)備將干擾信號(hào)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(hào); 接收干擾源直接傳輸?shù)母蓴_信號(hào); 然后，使B 設(shè)備按一定的速度運(yùn)動(dòng)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,得到多普勒頻移。通過(guò)對(duì)3 組信號(hào)進(jìn)行處理，得到干擾源的位置。

　　需考慮的因素為：①3 個(gè)設(shè)備的位置關(guān)系; ②B 設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)速度、方向; ③ 3 個(gè)設(shè)備自身位置的精度。

　　定位設(shè)備: 參數(shù)估計(jì)方法及參數(shù)估計(jì)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(shí)延估計(jì)的精度; 設(shè)備時(shí)間精度; 信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　3.3   AOA 技術(shù)

　　工作流程: A 設(shè)備、B 設(shè)備各1 個(gè)。A 設(shè)備將干擾信號(hào)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(hào); 接收干擾源直接傳輸?shù)母蓴_信號(hào); 然后，通過(guò)測(cè)向儀( DF) 測(cè)出干擾源所在的方向，兩個(gè)不同的AOA 線取交點(diǎn)就得到了干擾源的位置。

　　需考慮的因素: 2 個(gè)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(cè)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(shí)延估計(jì)的精度。

　　4   結(jié)束語(yǔ)

　　在干擾監(jiān)測(cè)與定位信號(hào)處理時(shí)，可針對(duì)干擾信號(hào)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(jìn)行自主監(jiān)測(cè)和快速定位，可以對(duì)干擾源的信號(hào)進(jìn)行打擊，但同時(shí)需要采取主動(dòng)防御措施,如用戶機(jī)和衛(wèi)星接收機(jī)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(cè)定位與抗干擾技術(shù)是衛(wèi)星系統(tǒng)十分重要的防護(hù)需求，在對(duì)干擾的認(rèn)識(shí)和抗干擾技術(shù)方面，還有許多問(wèn)題需要深入研究。