移动扩频参考源在卫星干扰源地面排查中的应用研究

林 辉，周 平

（国家无线电监测中心深圳监测站，广东 深圳 518120）

0 引言

近年来，卫星干扰事件呈现出了爆发式的增长，给卫星无线电频谱正常秩序造成了严重的威胁。而卫星干扰源上行站典型定位结果为一个长轴半径约为30千米的椭圆区域，定位精度较为粗略，造成干扰源的查找面临很大的困难。单个卫星干扰源地面搜测时间普遍为3-天，效率低下。当前，国内外尚未有公开文献提出有效提高干扰源搜测效率的新方法，本文提出的新技术手段将有效改善当前卫星干扰源排查困难的现状。

1 卫星干扰源定位原理及参考源的作用

1.1 双星定位原理

当前，卫星干扰源定位主要采用双星定位体制[1][2]。双星定位的卫星是两颗彼此靠近的同步卫星，其中受到干扰的卫星称之为主星，在邻近位置用于辅助定位的卫星为邻星。由于干扰发射机的天线特性，波束主瓣对准主星，而波束的某个副瓣指向邻星。由于传播路径不同，两路同源信号到达固定接收站时具有不同的时延，根据测量得到信号的时间差（DifferentiaI Time Offset， DTO），可在地球上画出一条时差线；两颗地球静止轨道卫星在相对于发射源方向存在一个相对速度差，由此可在地球上画出一条多普勒频差线[3][4][5]（DifferentialFrequency Offset， DFO），两线的焦点即为干扰源定位最优点。在有5个参考源信号的前提下，最终的典型定位结果为一个以最优点为中心，长轴为30千米，短轴约10千米的椭圆区域。

图1 卫星干扰源定位示意图

1.2 引入参考源的定位方程组

卫星上行站信号的主瓣和旁瓣信号经由两颗卫星（主星和邻星）转发后，由地面站接收后进行数据处理，其传输链路如图2所示。

图2 信号传输链路示意图

r、r0、rm分别表示上行干扰源、第一参考站（也称之为位置参考站）、地面接收站的位置径向矢量。

由于两路信号的传输信道不一致（主要是两路信号的卫星转发器本振源不一致），会给两路信号的参数估计带来很大的误差。为消除信道不一致带来的不利影响，以及对定位方程的简化，当前卫星干扰源定位系统的普遍做法是在定位方程引入已知地理位置和频点的参考源。引入参考源的定位方程如式（1）、式（2）所示：

通常卫星干扰源定位需要发射5个参考源用于校准双星星历，其中，第一参考源融入定位方程，参与定位方程的解算[5][6][7]。

易知，即使没有多参考修正星历的前提下，第一参考位置r0无限逼近干扰源r位置时，式（3）、式（4）的取值均趋近于0。由于干扰源定位是以r0作为基准参考点，故最终解算出的定位结果r趋近于r0[2][8][9]。

故可得下列结论：当第一参考站逼近于干扰源目标时，得到的定位结果精度越高。在卫星干扰源定位中，总会选取地理上距离干扰源近的参考站作为第一参考。

其中，公式（4）中由于分子远小于分母，其值近似为0。

2 参考源小型化技术

目前，绝大多数干扰源定位时均不具备较近的参考站作为第一参考站，从而定位结果误差较大。若有便携式参考源发射站，监测人员可将参考源放置在任意需要的位置发射参考信号，可有效解决定位结果精度不足的问题。而一般的参考源系统是一个复杂系统，包含一副较大口径的环焦天线，大型发射功放一台，三台电机（用以驱动天线的方位、俯仰、极化转动），信号发生器等总重高达500 kg，基于现有体制的参考源系统无法实现随身携带。

扩频信号相比于普通信号，在对主星、邻星两路信号进行互模糊处理时会产生额外的扩频处理增益。此额外的扩频处理增益可以用来缩小参考源系统，即可以用小型天线和功放单元来组建参考源系统，而使得主星、邻星两路信号互模糊时得到与传统参考源一致的信噪比峰值[10]。扩频信号技术是参考源系统小型化的基础，目前，已有扩频参考源系统用于卫星干扰源定位实验取得了成功[11]。

3 扩频参考源系统

3.1 系统组成及功能

基于参考源逼近目标的思路，研制了一套便携式移动参考源系统，用于卫星干扰源排查。系统主要由扩频信号源、上变频功放单元（BUC）、喇叭天线三部分组成，扩频信号源用于产生扩频基带信号传输到上变频功放单元，BUC 单元进行上变频并进行放大输出射频信号，射频信号经由喇叭天线发射到目标卫星。

图3 扩频参考源系统框架图

扩频参考源系统除了上述三个主要功能模块外，还有配套的天线伺服系统用于驱动喇叭天线对准卫星。BUC 单元功放输出为4 W，喇叭天线在C 频段最高增益为11 dBi，在Ku 频段最高增益为17 dBi。系统总体质量为23 kg，相比于传统体制参考源系统，总质量和体积均大幅度降低。

图4 喇叭天线在C频段（6GHz）方向图

图5 喇叭天线在Ku频段（14 GHz）方向图

小喇叭天线的额外优势就是主波束很宽，其 3 dB 波束宽度在 C 频段和 Ku 频段分别为 54°和25°，发射波束能同时覆盖主星和邻星，对星方便[12]。

3.2 参考源与定位系统同步问题

由于扩频参考源主要用于户外搜测信号，参考源发射信号不能在定位系统指令下同步精准发射，造成对参考源信号进行互模糊估计时，计算量大、耗时长，影响正常的定位工作。为减少运算量，大幅缩减计算时间，采用如下策略：

在进行卫星干扰源定位时，扩频参考源通过公众移动通信网络，接收卫星干扰源定位系统发出的指令，配置相关发射参数（发射频点、扩频码序列选择、初始相位设置等），并配置一系列精确到秒的计划发射时刻表。参考源系统根据计划时刻表，在GPS 时间统一系统的协调下，在指定频率准时发射指定的扩频信号。卫星干扰源定位系统按照发射时刻表进行定位采集，就能够利用扩频参考源提供的参考信号快速进行互模糊估计。

图6 扩频参考信号发射策略

4 基于扩频参考源的干扰源搜测流程

对某一个卫星干扰源信号，干扰源定位中心站首先使用 5个固定参考站对卫星干扰源信号进行定位，时差线与频差线相交得到一个初步的定位结果，该定位精度的典型值为 30-40千米，得到定位结果后，后续工作是地面排查干扰源。

4.1 三步法

第一步：根据初步的定位结果，干扰源地面搜测人员携带扩频参考源出车赴干扰源定位区域，并在干扰源疑似区域内架设参考站，向主邻星发射扩频参考信号；干扰源定位中心站利用发射的扩频参考站作为第一参考外加 4个固定参考源，重新对干扰源信号进行定位，此时定位精度将会精确到 10千米以内。

图7 地面发射扩频参考源辅助干扰源排查

第二步：根据第一步的定位结果，在 10千米以内的定位椭圆区域继续发射扩频参考源，干扰源定位中心站进一步定位干扰源信号，此时定位结果准确度将提高到1千米以内。

第三步：在 1千米区域范围内，利用高增益喇叭天线、低噪声放大器、便携式频谱仪人工搜测，大量的实践经验表明，在 1千米的区域内最终确定干扰源的发射位置耗时小于 30分钟。

4.2 参考源逐步逼近、定位结果收敛于真实值的数学解释

由于公式（1）、（2）为非线性方式，无法得到对方程直接求解，考虑对公式（1）、（2）进行泰勒展开[12][13]，得公式（5）、（6）。

公式（5）、（6）省略高阶项得公式（7）、（8）。

由于公式（7）、（8）为线性方程，易求位置径向矢量r1，又因为当干扰源位置r1与第一参考r0距离较大时，省略的高阶项数值较大，导致求解得到的r1值存在较大的误差。此时考虑逐步逼近、迭代求解的方式，将求解出的r1值代入r0，继续使用公式（9）、（10）继续求解r。

当第n+1次求解出的rn+1与第n 次求解出的rn差值为一个极小值时，迭代终止。对公式（7）、（8）迭代求解的收敛性严格证明详见文献[6]。

当位置参考源逐步逼近干扰源时，定位结果越接近真实值。

5 干扰源地面排查实际案例

2016年，有一不明载波非法盗用某卫星转发器信道。使用5个参考源对该干扰信号进行定位（位置参考源距离目标320千米），总计10次定位，定位地点位于广东省某市一带，平均定位误差28.3千米（见图8）。

图8 第一次定位结果

得到初步定位结果后，携带扩频参考源出车赴定位点附近发射扩频参考源信号，以此参考源作为第一参考继续定位目标信号，总计10次定位，定位点平均定位误差4.2千米（见图9）。

图9 第二次定位结果

得到第二次定位结果后，驱车赴定位点附近再次发射扩频参考信号定位干扰源，总计10次定位，第三次定位点平均定位误差 380米（见图 10）。

得到中心站第三次定位结果后，监测人员携手持干扰源排查仪器，开始人工排查信号源，耗时约 25分钟，顺利确定卫星干扰源位置。

6 结束语

图10 第三次定位结果

传统的干扰源地面排查方式基于 5个固定参考源的定位结果，在长轴典型值为 30千米的椭圆区域人工排查，根据地形建筑物的复杂度不等，一般需耗时2-7天才能排查到干扰源。新的方式基于用便携式移动参考源逐步逼近定位的方式，只需额外进行两次定位，能将定位精度提高到 1千米以内，将人工排查时间缩短到 1小时以内。相比前者，新方法能将搜索时间大幅度减少，大大提高了卫星干扰源地面排查的效率。