基于卫星信号的外辐射源侦测技术研究

朱国富

（中国西南电子技术研究所，四川成都 610036）

随着世界军事技术的进一步发展，具备隐身能力的先进作战武器逐步形成战斗力，这对防空安全构成了严重的威胁。为了发现这些威胁目标，常规的手段是使用雷达系统，然而，雷达系统正面临着反辐射导弹、综合电子干扰、低空突防等作战手段日益严重的威胁[1-4]。因此，不主动发射信号的无源侦测定位技术发挥着越来越重要的作用。无源侦测定位包括基于目标辐射信号的侦察定位和基于外辐射源照射的侦察定位。

基于外辐射源照射的无源侦测系统是利用空中已有的其他非合作辐射源作为目标的照射源，通过接收来自照射源的直达波和经目标反射的回波，测得目标回波的多普勒频率、到达时差及到达角等，经处理后实现目标的探测和跟踪。这类系统可利用的外照射源有地面广播通信电台、电视台、导航通信卫星等。其中，地基外辐射源由于信号覆盖范围受限，导致其应用场景受到限制。卫星信号具有全天候、无盲区、安全性高等优点，是一种比较好的外辐射源[5-6]。

文中主要描述了基于卫星信号的外辐射源侦测系统定位原理，探讨了辐射源选择的要点，并对导航卫星信号、直播卫星信号作为外辐射源的探测能力进行了分析总结，为基于卫星信号的外辐射源侦测系统设计提供了依据。

1 定位的基本原理

在外辐射源定位中，可以利用的观测量有信号到达角、信号时差、信号的多普勒频率等，对应的常用定位方法有测向交叉定位法、时差定位法、差分多普勒定位法以及前几种方法的联合定位法等。

1.1 测向交叉定位法

测向交叉定位法如图1 所示，其基本原理是通过3 个及以上的接收站对反射信号进行测向，利用测得的多条方位线进行交叉来实现目标定位，这种方法不需要对直达波信号进行测量。

图1 测向交叉定位法示意图

1.2 时差定位法

基于卫星信号作为外辐射源的时差定位法主要分为多站时差定位和单站时差定位。

多站时差定位利用目标反射信号到达不同接收站的时间差来对目标进行定位，如图2 所示，原理同三站时差，每个接收站接收到目标信号的时间与主站接收到目标信号的时间差可构成一个双曲面，3 个双曲面相交于一点即为目标位置。要对目标实施三维定位，至少需要4 个接收站才能完成。目前TDOA 算法较为成熟，常用的算法有Taylor 展开法、两部最小二乘法、解伪线性方程组法及它们的改进算法。

单站时差定位适合利用LEO∕MEO 卫星星座作为外辐射源，如图3所示。卫星信号直达接收站的距离与卫星信号到目标再到接收站的距离差可通过测量两路信号到达接收站的时间差来获得，数学上表示为：

图3 单站时差定位示意图

在三维地球坐标系中，设在观测时刻，导航卫星i的位置坐标为(xi,yi,zi)，接收站的位置坐标为(x0,y0,z0)，目标的位置坐标为(x,y,z)。则式（1）可以改写成定位方程，如式（2）：

其中，c为光速，Tdi为卫星i信号直达接收站与卫星i信号到目标再到接收站的时间差。Li为卫星i到侦察站的距离，可表示为：

定位方程中Tdi为测量量，卫星位置通过导航电文给出，接收站位置为已知量，未知量为目标位置(x,y,z)，因此，通过式（2）可求解出目标位置。

1.3 测向测时定位法

测向测时定位法示意图如图4 所示，利用卫星信号直达接收站与卫星信号到目标再到接收站的时间差（距离差），可以确定包含目标的一个椭球面，结合对目标反射信号的测向信息(方位、俯仰)，示向线与椭球面的交点即为目标位置。

图4 测向测时定位法示意图

2 辐射源的选择

为了适应外辐射源侦测系统的设计，卫星辐射源的选择一般遵循以下原则：

1）辐射源具有较高的等效全向辐射功率（EIRP）水平；

2）辐射源信号具有较宽的覆盖范围；

3）辐射源信号需要持续稳定存在[7]。

因此，一般在低轨道∕中轨道卫星星座或同步轨道卫星中选择辐射源。

在低轨卫星（LEO）星座中，铱星（Iridium）和全球星（Globalstar）等移动通信卫星会持续发射广播信号和导频信号，尽管低轨卫星的EIRP 水平低，但由于低轨卫星离地面距离近，信号链路衰减小。但是，低轨卫星由于存在高速运动，会导致多普勒频率的快速变化，同时卫星移动通信系统在工作过程中存在波束切换、卫星切换、频率切换等。因此，就算系统可检测足够的SNR 值，这也会使后续处理变得更为复杂。基于上述缺点，低轨移动通信卫星星座并不是合适的辐射源。

在中轨道（MEO）卫星星座中，全球导航卫星系统（GNSS）通常被选用作为辐射源，包括全球卫星定位系统（GPS）、格洛纳斯系统（GLONASS）、伽利略卫星导航系统（GALILEO）、北斗卫星导航系统（BDS），由于GNSS 可以全球全天候覆盖、抗干扰性能好[8]，近年来，越来越多的外辐射源定位系统基于导航卫星信号开展研究和试验。文献[9-10]利用GALILEO 卫星信号作为辐射源，开展了对海上目标探测的研究，将渡轮作为探测目标进行了试验验证。

在同步轨道（GEO）卫星中，数字卫星电视系统（DVB-S）、海事四代卫星（Inmarsat I-4）通常被考虑用作辐射源，这类卫星的特点是辐射功率大、覆盖范围广、卫星处于同步轨道、辐射信号稳定，极大地简化了后续的信号处理过程。

3 探测能力分析

3.1 探测距离计算推导

根据雷达方程，雷达接收功率为：

其中，Pt为卫星发射信号的功率；Gt为卫星发射天线增益；RT为卫星到目标的距离；RR为目标到地面接收站的距离，即为探测距离；σ为目标雷达截面积（RCS），单位为m2。

设地面接收站的有效孔径面积为Ae，则接收站接收到的信号的功率为：

根据天线理论，接收天线增益Gr与有效孔径面积Ae的关系为：

其中，λ为发射信号波长。

将式（6）代入式（5）可得：

噪声功率PN的计算公式如式（8）：

其中，k=1.38×10-23J∕K，为玻尔兹曼常数；B为接收机带宽；Ta为外部噪声；F为噪声系数；T0=290 K，为标准噪声温度。

接收机输入信噪比（SNR）为回波信号功率PR与噪声功率PN之比：

由式（9）可知，根据系统可以检测的信噪比（SNR）、卫星信号等效全向辐射功率（EIRP）、雷达截面积（σ）、卫星到目标的距离（RT）等已知参数，可以计算出接收站到目标的距离（RR），RR即为探测距离。

3.2 基于导航卫星信号的探测能力分析

对于GPS 卫星信号，EIRP=26.8 dBW，为GPS 卫星等效全向辐射功率；λ为发射信号波长（fL1=1 575.42 MHz），λ=(3×108)∕(fL1×106)=0.190 42 m；RT为卫星到目标的距离，如果目标为低空目标，卫星与目标的距离RT近似等于GPS 卫星的轨道高度，即20 200 km[11]。

对于GPS信号，其比特宽度为20 ms，一个比特内包含20个C∕A码周期，一个C∕A码周期由1 023个码片组成[12]，因此20 ms的积累时间对应的增益为43 dB。

加长积累时间，可以提高处理增益，检出门限按10 dB 计算，增益、积累时间与捕获信噪比关系如表1所示。

表1 积累时间、增益、捕获信噪比关系表

通过分析，如果直接利用GPS 卫星信号作为外辐射源，在积累时间为10 s，RCS=5 m2时，探测距离与SNR 的关系曲线如图5 所示。

图5 GPS探测能力（积累时间:10 s，RCS:5 m2）

从图5 可以看出：

Gr=32 dB，积累时间为10 s时，探测距离可达6 km；

Gr=42 dB，积累时间为10s时，探测距离可达19 km；

Gr=52 dB，积累时间为10s时，探测距离可达59 km。

在RCS=100 m2，积累时间为2 s 时，探测距离与SNR 的关系曲线如图6 所示。

图6 GPS探测能力（积累时间:2 s，RCS:100 m2）

从图6 可以看出：

Gr=32 dB，积累时间为2 s时，探测距离可达12 km；

Gr=42 dB，积累时间为2 s时，探测距离可达38 km；

Gr=52 dB，积累时间为2s时，探测距离可达120 km。

目前在轨的几种卫星导航系统的卫星辐射功率差异不大，具体如表2 所示。

表2 GNSS卫星辐射EIRP值与轨道高度

对于北斗卫星，北斗一代基本停用，国际电联ITU-R M.1787 建议书中对信号功率和频谱的规定：基于理想匹配和0 dBi等方向接收机天线，地表上任何仰角等于或大于5o的最小接收功率如表3所示。

表3 北斗卫星信号功率规定

通过卫星到地面的链路衰减计算可知，北斗卫星的EIRP 值与其他GNSS 卫星的基本一致。

因此，可以看出，利用其他导航卫星信号作为外辐射源的探测能力基本类似，不存在太大的差异。

3.3 基于直播卫星的探测能力分析

直播卫星的基本参数如表4 所示。

表4 直播卫星工作参数表

EIRP 取最大值60 dBW，积累时间取10 s（最大相干积累增益为Gp=TMAXB=85 dB），RCS 取5 m2，探测距离与SNR 的关系曲线如图7 所示。

图7 直播卫星探测（积累时间:10 s，RCS:5 m2）

从图7 中可以看出：

Gr=32 dB，积累时间为10 s时，探测距离可达15 km；

Gr=42 dB，积累时间为10s时，探测距离可达47.5 km；

Gr=52 dB，积累时间为10s时，探测距离可达150 km。

EIRP 取最大值60 dBW，积累时间取2 s（最大相干积累增益为Gp=TMAXB=78 dB），RCS 取100 m2，探测距离与SNR 的关系曲线如图8 所示。

图8 直播卫星探测（积累时间:2 s，RCS:100 m2）

从图8 中可以看出：

Gr=32 dB，积累时间为2 s时，探测距离可达34 km；

Gr=42 dB，积累时间为2 s 时，探测距离可达68.04 km；

Gr=52 dB，积累时间为2 s时，探测距离可达300 km以上。

3.4 分析结果

通过对导航卫星、直播卫星作为辐射源时的探测能力进行了分析，分析结果表明：

1）利用导航卫星信号作为辐射源时，Gr=32 dB，RCS=100 m2，积累时间为2 s时，探测距离可达12 km。系统的探测能力有限，为提高探测距离，需要利用高增益天线及较长的积累时间，对于空中高速运动目标的实际工程应用意义不大，但对于海上低速运动目标具有一定的意义；

2）利用大功率直播卫星作为外辐射源时，Gr=32 dB，RCS=100 m2，积累时间为2 s 时，探测距离可达34 km。虽然卫星到地面距离远，链路衰减大，但是卫星辐射功率大，探测能力优于GNSS 卫星。并且，直播卫星一般会搭载多路转发器，可以利用多路转发器信号实现相参积累，提高检测信噪比，提升探测能力[13]。

现阶段，影响探测能力的主要因素是卫星信号照射到目标时的功率水平，基于卫星信号的外辐射源定位系统适用于对低速、大雷达反射截面积的目标探测。为了提升作用距离和预警能力，可以将探测系统搭载于无人机或其他升空平台前出。

4 结论

该文从利用卫星信号作为外辐射源进行定位的基本原理出发，给出了选择卫星辐射源所需要考虑的主要因素，对不同轨道的卫星信号特点进行了对比，并对导航卫星、直播卫星等常用辐射源的探测能力进行了分析，分析结果表明，大辐射功率的同步轨道卫星更适合用作辐射源。欲让基于卫星信号的外辐射源定位技术真正实现工程应用，还有很多需要研究的关键技术，比如目标信道中直达波、多径杂波及地杂波的抑制，微弱目标信号的检测，直达波信号提纯等[14-16]。相信随着关键技术的研究突破和卫星技术的发展，基于卫星信号的外辐射源定位技术一定会成为其他目标侦测手段的有力补充。