幅差法干扰源定位异常波动分析

刘安斐，吕 鑫，刘 京，窦晓晶

(北京卫星导航中心，北京 100094)

幅差法干扰源定位异常波动分析

刘安斐，吕 鑫，刘 京，窦晓晶

(北京卫星导航中心，北京 100094)

幅差法定位是针对静止轨道卫星入站干扰源定位的有效方法之一，该方法基于同星多个波束间的干噪比差值进行定位，定位的关键在于同星干噪比差值的获取以及覆盖区域内G/T差值参考数据的准确度。但在实际应用中，由于GEO卫星的实际倾角并非为0，且当该倾角大到一定程度时会出现定位结果随时间和干扰发射频率波动等现象。通过多地长时间干扰试验数据积累和数据处理，从多角度分析了定位结果异常波动的原因，并提出了相应的可能解决措施，为幅差法干扰定位精度提升提供了下一步研究思路。

干扰源定位；G/T差值；动态参考数据库；幅差法

0 引言

卫星导航无线电测定业务(Radio Determination Satellite Service,RDSS)系统[1-3]是多个波束覆盖的静止轨道卫星系统，可通过实时测量同一卫星多个波束间入站干噪比差，并搜索卫星覆盖区内G/T等差值点的方法完成卫星上行地面干扰源定位。文献[4-5]介绍了幅差法入站干扰源定位原理及具体实现方法，其中只对定位精度影响因素分析和方法验证进行了简单介绍。然而，在该方法的实际应用中，由于人造地球同步轨道卫星轨道倾角并非为零，当该轨道倾角较大时，定位结果会出现异常波动现象，主要体现为：同一天内，不同时间段干扰源定位结果不同，且定位误差波动趋势以天为周期；相同时间段，干扰发射频率不同定位结果不同，定位误差相差较大。

本文利用实地干扰试验对干噪比差值随时间和频率变化情况进行长期观察和数据积累，通过干噪比波动情况分析及其与参考数据库中对应卫星上行接收天线G/T差值覆盖区分布符合性验证，深入分析了定位结果波动的可能原因，并给出了相应解决措施和进一步研究方向。

1 幅差法干扰源定位

1.1 幅差法干扰定位原理

幅差法定位原理示意如图1所示。对于一个多颗静止轨道卫星组成的卫星系统，若每颗星具有n(n≥2)个入站波束，则地面对应其任意2个波束上行接收天线的G/T差值相同的点分布在一条闭合曲线(等差值曲线)上[4-5]，若同星各波束下行频点接近，对应地面天线及射频接收设备采用多频点共用模式，即可证明地面控制站接收到某星2个波束间的干噪比差值(J/N0)与干扰源所在位置点对应的星上接收天线G/T差值有直接关系[6]，并可认为地面干扰通过同星2个波束入站的载噪比差值对应地面等差值(G/T差值)曲线。因此，当干扰足够大到同一颗星的m(n≥m≥2)个入站波束都能接收到干扰时，即可根据波束间的干噪比差值进行定位：当m>2时，根据一颗星的入站数据即可将干扰定位在该星波束间G/T差值曲线的交点处；若n=2时，则要求系统多颗星的所有波束均能接收到干扰，并可将干扰源定位在多星G/T差值曲线的交点处。

图1 幅差法干扰源定位示意

1.2 数据搜索法定位流程

幅差法干扰源定位可采用数据搜索法完成干扰源定位解算，工作流程如图2所示。首先根据卫星覆盖区域G/T数据建立参考数据库，发现干扰时，获取每颗卫星下行频点的接收干噪比差值后，在参考数据库中搜索对应干噪比附近一定范围内的等差值特征点，多颗星共同的等差值特征点组成一个区域即为干扰源所在区域。

图2 数据搜索定位法干扰源定位实现流程

2 定位偏差原因分析

根据幅差法干扰源定位原理及其实现流程，同星干噪比差值的获取以及卫星覆盖区G/T差值参考数据库数据与实际干噪比差值的符合性是影响干扰源定位结果的2个主要因素。本文针对实际应用中出现的定位结果异常波动情况，对干噪比差值变化情况和参考数据库数据符合程度分别进行了数据积累和处理分析。

2.1 干噪比差值变化情况分析

分别在A、B两地(分属不同区域)布设干扰源，利用信号源模拟发射单载波干扰，调整信号源输出功率和天线指向，使多颗卫星的所有入站波束均能收到干扰，保持干扰源位置固定不变，持续积累多天数据，记录各星入站波束间干噪比差值，观察其在不同时间、不同频率下的变化情况。

2.1.1 干噪比差随时间变化情况及原因分析

进行干噪比差值变化实验时，固定干扰发射频率和干扰源位置，分别累积A、B两地对应区域干噪比差值数据，具体数据变化趋势如图3所示。

由图3可知，卫星1、2的波束间干噪比差值均在一天内围绕参考数据库标准值起伏波动，且波动趋势与干扰源位置区域无关，但干扰源所处区域不同，干噪比差值波动范围存在差异。由于该干噪比差值变化呈周期性变化趋势，因此，排除干噪比测量误差、链路不稳定及噪声等影响，考虑主要为卫星轨道倾角等引起的运动姿态变化导致天线波束覆盖区随时间偏移所致。

图3 干噪比随时间变化情况

2.1.2 干噪比差值随发射频率变化情况及原因分析

干噪比差值变化实验时，固定干扰源位置不变，在实验频带范围内，以0.5MHz为间隔改变干扰发射频率，同时记录各星干噪比差值测量值。从干噪比差值记录数据来看，干噪比差值变化趋势与干扰源位置区域和时间无关，不同时段地点A和地点B区域同一卫星干噪比差值波动趋势一致。3颗卫星入站波束间干噪比差值随频率变化情况如图4所示，各星干噪比差值均随频率存在波动，但波动趋势和波动范围不同。该现象考虑为主要是因卫星通信链路中转发器、滤波器等器件的频率平坦性所致，属系统固有，与时间和位置无关，对应影响可通过修正规避。

图4 干噪比随频率变化情况

2.1.3 其他干扰信号影响

由图3可知，系统对应频段可能存在干扰：事实上，卫星1、2分别在下午16:40左右、晚上20:30和早上8:00左右均会出现一段时间的宽带干扰，这一点从图3的卫星入站干噪比随时间变化图中均有体现，在对应干扰出现时段上干噪比差值均存在一个突变。另外，若系统某颗星存在单载波形式等窄带干扰，且干扰强度较大，就会导致在对应频段出现相近频率干扰时，对应频点干噪比差值较其他频点偏差较大[7-9]，从而致使该频点定位误差偏大。

2.2 参考数据库与实际干噪比差值符合性影响分析

幅差法干扰源定位结果对干噪比差值波动非常敏感。为讨论干噪比差值波动对定位误差的影响程度，本文采用模拟点定位方法，进行定位误差影响验证实验。实验时，根据干扰源位置点经纬度，选择对应能覆盖的2颗星和3颗星，通过在各位置点对应波束G/T值上分别累加±0.3dB、±0.5dB和±1dB误差模拟实际干噪比完成定位来分析。位置点A、B区域模拟定位实验结果如表1和表2所示，对应A区域模拟双星、三星定位结果对比如图5所示，图5中“X”为干扰位置估计点标识。

表1 双星模拟干扰源定位实验结果

表2 三星模拟干扰源定位实验结果

图5 A区域双星及三星定位结果对比

由表1、表2和图5可以看出，在双星定位情况下，由于两星等差值曲线交角为锐角，干噪比差值的微小波动即会造成上百km的定位偏差；根据表1，在A区域，±0.3 dB和±0.5 dB的干噪比差值偏差造成的最大定位偏差在300～500 km，±1 dB的干噪比差值偏差造成的定位偏差则达上千km，而B区域对应偏差计算值更大。采用三星定位时，定位偏差从数据上有明显改善，A区域±0.3 dB偏差情况下对应的最大定位偏差即由400 km降至150 km以内，从定位方法和定位结果图来看，采用两星以上数据定位时，定位估计点为所交区域的几何中心，定位结果的判定综合了多颗星的数据信息，从一定程度上降低了双星定位时交角为锐角引起的干噪比差值敏感性。

通过干噪比差值偏差对定位结果影响的定量分析可知，幅差法干扰源定位误差对干噪比差值极为敏感，需从参考数据实时变化准确度和干噪比差值获取等方面进行改进和提升，提高参考数据库与干噪比差值符合度，从而改善定位效果；另外从卫星数据使用角度做出的实验数据分析，三星定位较两星定位效果提升明显，建议实际干扰定位应用时以数量尽可能多的有效卫星数据参与定位的结果为准。

3 定位偏差解决措施

3.1 干噪比波动修正及测量改进方法

根据上述定位偏差原因分析结果，干噪比差值随时间变化趋势存在周期性，干扰波动程度分区域和卫星存在差异，而干噪比差值随频率变化趋势只与卫星有关，且二者均属固有误差，因此，可采用系统误差的校正曲线修正法[10-11]：利用已知位置点多日干噪比实测数据，分别针对干噪比随时间、频率的波动情况进行修正，利用修正后的干噪比值完成定位。

3.1.1 时间波动修正

固定参考干扰源的位置、发射频率和发射功率不变，持续发射干扰n天，按时刻记录对应卫星干噪比差测量值，将n天记录的实际干噪比差测量值与参考数据库中对应参考干扰源位置点G/T差值(基准值)做差，得到各时刻点修正值，n天同一时刻点的修正值均值作为该时刻点的修正值，定位时，根据当前测量时刻查找对应修正值，将其与当前实测结果相加得到修正后干噪比差值结果，然后利用干噪比修正值进行定位。A、B区域的测试结果表明，利用测试区域累积数据进行时间修正，可有效解决本区域干噪比测量的波动问题。

3.1.2 频率波动修正

固定参考干扰源位置和发射功率不变，在有效监测频率范围内，以固定频率步长为间隔改变干扰发射频率，同时记录各星干噪比差值测量值，选定频段内某一频率作为基准频率，所有频点的干噪比差值与基准频率对应值做差，得到频率修正值，定位时，根据干扰测量频率索引查找对应的修正值，将其与当前实测结果相加得到修正后的干噪比差值。A、B区域的测试结果表明，该频率校正方法可解决频率波动问题。

3.1.3 干噪比测量方法改进

由图3可知，当系统出现宽带干扰和较大近频窄带干扰时，受扰卫星干噪比差值会发生较大波动，这种波动的影响主要源自干扰对噪声谱密度测量产生了影响，从而使得对应波束干噪比值发生变化，若同星各波束的受扰程度不同，势必导致干噪比差值产生波动。

针对卫星经常性受扰的情况，采用各波束入站频谱模板计算噪声谱密度(入站谱实为噪声谱，通常卫星系统扩频信号淹没在噪声中)，该模板在频谱正常情况时进行采集和适当修正(毛刺修正)的结果，能够代表各波束的正常噪声频谱情况。利用频谱模板计算噪声能量后，可规避干噪比测量受底噪波动的影响，从一定程度上降低了其他干扰信号对目标干扰源定位结果的影响，同时，由于采用模板值计算噪声能量，也可以减小入站噪声谱跳动引起的短期内干噪比的波动。

3.2 定位误差时变性实用解决途径

上述时间波动修正方法可有效解决干噪比差值随时间波动的问题，但该修正方法的使用前提是已知干扰源所处区域范围，实际应用时，干扰源位置范围未知，利用修正定位法首先必须确定干扰源位置隶属作用区域，因此有必要进一步研究该方法的使用问题。

3.2.1 定位误差时变性原因进一步分析

根据幅差法干扰源搜索定位原理，同星干噪比差值的获取以及卫星覆盖区G/T差值参考数据库数据与实际干噪比差值的符合性是影响干扰源定位结果的2个主要因素。由于卫星在空间运行过程中，受到太阳和月亮的牵引、地球引力场不均匀及太阳辐射压力等因素的影响，其轨道位置每天会发生微小摆动，轨道倾角也会发生累积性变化，当该倾角大到一定程度时，一个运动周期内卫星的位置变化较大，地面接收到的干噪比也以日为周期呈时间性波动趋势，而卫星的运动位置和姿态的变化，将引起对应波束覆盖区的整体变化[12-13]。若参考数据库使用卫星处在某固定状态时(如赤道上空)对应的G/T差值数据，就会导致动态变化的干噪比差值和参考数据库数据时间上存在不符合性，对应定位误差就会出现随时间波动的现象。

由此分析思想，从另一个角度考虑修正方法，若能得到卫星运动周期内各位置点对应的覆盖区G/T值数据，形成一个随时间变化的动态参考数据库，利用直接测量的干噪比差值进行搜索定位，即可在规避3.1节时间波动修正方法存在实际应用问题的基础上，解决因干噪比差值和参考数据库数据不一致引起的定位误差时变性问题。

3.2.2 基于动态参考数据库的干扰定位方法

通过构建动态参考数据库解决定位误差随时间波动的关键环节，在于如何根据卫星星历推算出对应时刻的覆盖区各位置点的G/T差值，这首先需要明确卫星星历与G/T差值分布之间的具体关系。文献[14-16]作者在分析星载天线指向随地球同步卫星轨道漂移变化情况时指出，轨道倾斜时，卫星轨道倾角的变化不仅表现为星下点坐标的变化，还会引起偏航角的变化，作者根据大地坐标系与卫星坐标系的相互关系和卫星姿态偏航角随时间变化规律，推导了地面某点P在倾斜轨道卫星坐标系中的坐标，因此，可根据文献中大地坐标系、理想轨道坐标系和倾斜轨道坐标系间变换关系[18-20]推导出卫星星历与G/T差值分布关系。

倾斜轨道下地面某点的G/T差值推算流程如图6所示，卫星在倾斜轨道上做匀速圆周运动时，可根据卫星星历(卫星位置)及卫星处于理想轨道下的地面G/T差值分布数据(忽略卫星摄动影响时，该分布数据理论上不变)计算得到对应时刻卫星覆盖区G/T差值分布：根据地面某点P的经纬度位置坐标(EP,NP)推算其至卫星实际轨道下的坐标及其映射至理想轨道下G/T差值覆盖区的位置坐标，然后通过查找理想轨道卫星覆盖区G/T差分布数据，得到该映射位置点对应G/T差值，即可求出卫星在倾斜轨道下特定时刻覆盖区范围内地面各点对应的G/T差值。

图6 倾斜轨道下地面某点的G/T差值推算流程

基于动态参考数据库的干扰定位首先根据测得的各星干噪比数据，按照上述倾斜轨道下地面点G/T差推算关系生成对应时刻各星参考数据表，然后分星进行特征点搜索，最终完成定位。

4 结束语

幅差法干扰源定位原理是针对于基于静止轨道卫星的卫星通信系统地面上行干扰排查的有效方法之一，该方法在应用于实际GEO卫星轨道倾角较大的卫星系统时，会出现定位误差随时间和频率波动的现象，本文对长期干噪比数据和参考G/T分布符合性进行验证，从数据修正、测量方法改进等角度提出了对应可能的解决方法，通过定位误差时变性原因的进一步分析，提出了基于动态参考数据库的干扰定位方法，为幅差法干扰源定位的实际应用和性能提升提供了下一步的研究方向。

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Analysis of the Abnormal Fluctuations in Amplitude Difference Interference Location Method

LIU An-fei,LU Xin,LIU Jing,DOU Xiao-jing

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

Amplitude difference interference location method is an effective method to locate the interference source against the geostationary satellite,in which the difference of jamming-to-noise ratio between two beams is used to locate the unknown uplink interference.In this location,acquisition of the jamming-to-noise ratio between two beams of the same satellite and the accuracy of the G/T difference distribution are the key issues.However,in actual situation,the inclination of the GEO satellite is not zero.And if this inclination is large enough,other positioning error fluctuations will be introduced with time and interference frequency.In this paper,the causes of abnormal fluctuations of the positioning results are analyzed based on data accumulation and data processing of interferences in several different areas.And corresponding possible solutions are put forward,which provides the next step for the performance improvement of amplitude difference interference localization.

interference location;G/T difference;dynamic reference database;amplitude difference interference location method

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.09.05

刘安斐,吕鑫,刘京,等.幅差法干扰源定位异常波动分析[J].无线电工程,2017,47(9):21-26.[LIU Anfei,LU Xin,LIU Jing,et al.Analysis of the Abnormal Fluctuations in Amplitude Difference Interference Location Method[J].Radio Engineering,2017,47(9):21-26.]

TP391.4

A

1003-3106(2017)09-0021-06

2017-05-12

国家部委级基金资助项目。

刘安斐 女，(1982—)，硕士，工程师。主要研究方向：卫星导航。

吕 鑫 男，(1986—)，助理工程师。主要研究方向：卫星导航。