基于多星波束覆盖的干扰源定位方法

夏宇垠，罗 涛，王志印，胡 进，葛 超，邓 坤

（1.中国航天科工集团8511 研究所，江苏 南京 210007；2.中国人民解放军32053 部队，广东 广州 510000）

0 引言

卫星系统由空间卫星、地面监控以及空间数据信息传输链路3 部分组成。空间数据信息传输链路主要指上行链路、下行链路和星际链路。空间卫星上行接收链路的正常通信，是整个卫星系统正常运行的前提。据有关资料统计，截至2019 年底，我国已有317颗左右的卫星在轨运行，仅次于美国位居世界第二。这些卫星包括通信卫星、导航卫星（军民两用）、地球遥感卫星、气象卫星等。随着民用无线业务的飞速发展以及军用信息化武器装备的增加，这些在轨运行的航天器面临越来越复杂的电磁环境，有必要对地面长期存在、高功率威胁干扰源开展监测与定位，为干扰影响的排除提供支撑，保障卫星系统的正常运行。

目前部分卫星上已配置电磁环境监测载荷，其主要作用是对进入卫星各种接收天线的有意和无意干扰信号进行长期监测，测量干扰信号的频率、功率等信息，对强干扰信号进行告警。本文提出一种利用单通道电磁环境监测载荷实现干扰源初步定位的方法，并开展了仿真分析。

1 多星波束覆盖干扰源定位技术

1.1 基本原理

多星波束覆盖定位的示意图如图1 所示。假设卫星在0,1,2…等多个时刻都可以监测到同一个干扰源。通过卫星波束覆盖范围的变化，这个干扰源可能存在的区域（图中的阴影部分）会逐渐地缩小，以达到定位的效果。

图1 多星波束覆盖定位示意

该定位体制实现简单，多颗卫星分别将各自的电磁环境监测数据（频谱、监测结果）回传至地面，由地面进行综合处理，通过一段时间的积累，查找干扰源位置。

1.2 实施方法

假设卫星系统配置了电磁环境监测载荷，若卫星系统在时间段1,…,内，在频率上受到干扰。首先，对数据库中所有卫星电磁环境监测载荷的监测结果（信号参数测量、频谱）进行检索，根据信号的频率、带宽、调制样式，找出监测到该信号的卫星。假设检测到该干扰信号的卫星共有颗（=1,…,）。

1）地表网格化

将全球的地图展为二维图，并进行“网格化”,如图2 所示。轴为经度（-180°～+180°），轴为纬度（-90°～+90°）。

图2 地表网格图

将全球地表按照经纬度划分为×个网格，每个网格(,)代表相应位置，其中心点的经纬度值记为(,)，具体定义如下：

网格划分越细，定位精度越高，相应地，其计算量也越大。网格与分辨率的关系见表1，需要注意的是，每个网格的面积大小存在一定差异。

表1 网格与平均分辨率的关系

2）构建覆盖矩阵

对于中高轨卫星来说，根据其轨道特性，对地面的天线波束宽度不大于13.5°（中轨）或是8.9°（高轨），一般宽开的天线波束范围就可以实现切线覆盖。从几何学角度分析，卫星在特定时刻，对地面的波束覆盖范围是确定的，如图3 所示。

图3 对地观测天线波束覆盖区域示意图

式中，(,)为网格(,)的中心点(,)在时刻与卫星之间的距离。的定义如下：

式中，R为地球的半径，为卫星的轨道高度。即卫星能覆盖到的网格值定义为1，无法覆盖到的网格定义为0。

3）干扰源定位

将卫星（1,…,）能观测到干扰源的时刻集合定义为Φ。对相应的覆盖矩阵进行求和：

对∈R中所有元素(,),,=1,…,进行搜索，找出最大元素（一般存在多个最大值）。最大值所对应的网格就是干扰源可能存在的区域，将该区域定位为＇。事实上，由于地面干扰源发射俯仰角无法实现0°～90°覆盖，干扰源定位区域可能存在于一个较大的范围。将＇中的元素(,)进行平均，最终得到干扰源的位置估计值。

2 仿真分析

多星波束覆盖定位主要是针对地面长时间存在的高功率干扰信号。仿真分析的干扰场景想定如图4所示。

图4 干扰定位场景

干扰源的定位精度与星座配置、定位时间、干扰源所处的位置都有关系。仿真中将地球表面划分为18×9 个网格，对位于各个网格中的干扰源进行定位精度分析。仿真采用6 个中轨道面的卫星，定位间隔时间为10 min/次（在可视区域内，卫星每10 min 可以看到干扰源一次），=15°。卫星绝对定址精度10 m，相对定址精度10 m，网格数=1 000。

8 h、12 h、24 h 的仿真结果如图5—7 所示。

图5 定位误差的分布图（8 h）

仿真分析可以看出，多星波束覆盖定位体制的定位精度与星座配置、定位时长、干扰源位置都有关系，一般来说，配置干扰监测载荷的卫星越多，定位的时间越长，得到的定位精度也越高。通过12 h，可以实现百千米量级的定位精度。

3 结束语

本文提出了一种基于卫星回传的电磁环境监测数据，利用卫星不同时刻波束覆盖变化情况，实现地表长期存在干扰源定位的方法。该方法工程实现简单，其获取的干扰源初步定位结果可以引导低轨、机载、地面等平台的侦察设备开展进一步的详查。■