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相關(guān)專(zhuān)題：
隨著衛(wèi)星通信事業(yè)的迅猛發(fā)展，通信衛(wèi)星越來(lái)越多地受到地面發(fā)射源的干擾，這些干擾給正常的衛(wèi)星廣播和通信業(yè)務(wù)的正常開(kāi)展帶來(lái)了巨大的威脅，甚至可能產(chǎn)生無(wú)法估量的社會(huì)影響。為了應(yīng)對(duì)這些射頻干擾，通過(guò)受擾衛(wèi)星迅速而有效地確定地面干擾源位置是非常必要的，而利用傳統(tǒng)的查找方法在精度和速度等方面很難滿足要求。針對(duì)這種情況，1982年，英國(guó)國(guó)防評(píng)估研究局（DERA）開(kāi)始利用時(shí)間差和頻率差在相關(guān)頻段進(jìn)行干擾源定位的研究。1993年開(kāi)始，他們對(duì)各種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并在此基礎(chǔ)上研制出了干擾源定位系統(tǒng)satID。與此同時(shí)，美國(guó)的相關(guān)研究部門(mén)也對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了研究，其關(guān)鍵技術(shù)在美國(guó)申請(qǐng)了專(zhuān)利。1999年美國(guó)Interferometrics公司研制成功商業(yè)化的干擾源定位系統(tǒng)TLS Model 2000。這兩種定位系統(tǒng)基本解決了查找衛(wèi)星地面干擾源的問(wèn)題，受到了全球各大衛(wèi)星公司、政府和軍事部門(mén)的關(guān)注。到目前，TLS Model 2000系統(tǒng)已經(jīng)售出19套，用戶多為衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商和政府部門(mén)，satID系統(tǒng)也擁有相當(dāng)多的用戶。該方法已成為解決衛(wèi)星干擾源定位問(wèn)題的首選方案。在我國(guó)，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心北京監(jiān)測(cè)站自從2002年以來(lái)，利用該技術(shù)成功地對(duì)二十余起干擾案例進(jìn)行了定位，保護(hù)了國(guó)家的財(cái)產(chǎn)和衛(wèi)星操作者的權(quán)益，同時(shí)在這方面也積累了不少實(shí)際查找的經(jīng)驗(yàn)。
定位原理
當(dāng)被干擾衛(wèi)星受到干擾時(shí)，我們可在與其軌道位置鄰近的衛(wèi)星中選擇一顆類(lèi)型相同的衛(wèi)星，選擇的鄰星不是唯一的，選擇時(shí)需注意的幾個(gè)關(guān)鍵因素將在后面介紹。由于干擾源必定有一定的旁瓣泄漏，所以干擾信號(hào)的一部分能量會(huì)被發(fā)射到這顆相鄰的衛(wèi)星上去。我們可以用監(jiān)測(cè)站的兩副天線分別接收這兩個(gè)來(lái)自?xún)深w衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)，并將接收到的信號(hào)傳送到定位系統(tǒng)中去。
顯然，同一信號(hào)經(jīng)歷兩顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)接收站的路徑是不同的，因此，到達(dá)接收站的時(shí)間會(huì)存在一個(gè)時(shí)間差值，稱(chēng)之為T(mén)DOA （Time Difference of Arrival）。
同時(shí)，如圖1所示，由于兩顆衛(wèi)星在空間中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并不相同，盡管發(fā)射的是同一個(gè)信號(hào)，但由于多普勒頻移的影響，在到達(dá)接收站時(shí)存在一個(gè)頻率差值，稱(chēng)之為到達(dá)頻率差（FDOA）。
TDOA和FDOA在空間中構(gòu)成兩個(gè)曲面，又由于干擾源必然位于地球表面，因此這三個(gè)曲面的交點(diǎn)中必然包含干擾源所在的位置。不同位置發(fā)射的信號(hào)，其對(duì)應(yīng)的TDOA和FDOA不同，也就是說(shuō)，TDOA和FDOA與上行站位置存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系（如圖2所示）。
干擾源定位系統(tǒng)首先將兩顆衛(wèi)星的信號(hào)進(jìn)行下變頻，并利用時(shí)鐘保持其相對(duì)的時(shí)間關(guān)系，其后的步驟是進(jìn)行相關(guān)處理。相關(guān)處理利用了正交模糊函數(shù)[1]:
其中:t是時(shí)間，T是相關(guān)的時(shí)間長(zhǎng)度，υ是頻率差，τ是時(shí)間差。
每一個(gè)函數(shù)值是兩路信號(hào)正交相關(guān)的結(jié)果，對(duì)應(yīng)著兩路信號(hào)的時(shí)間差和頻率差。我們可對(duì)正交模糊函數(shù)進(jìn)行三維可視化處理（如圖3所示），實(shí)際上就是計(jì)算正交模糊函數(shù)值最大時(shí)的時(shí)間差和頻率差。正交模糊函數(shù)首先利用較小的采樣長(zhǎng)度來(lái)粗略估計(jì)TDOA，然后利用較大的采樣長(zhǎng)度來(lái)估算較精確的時(shí)間差和頻率差。最后對(duì)結(jié)果作內(nèi)插處理，從而完成對(duì)時(shí)間差和頻率差的測(cè)量。其相關(guān)信噪比與在定位系統(tǒng)的ADC處的三個(gè)因素有關(guān):一是被測(cè)信號(hào)在被干擾衛(wèi)星上的信噪比;二是被測(cè)信號(hào)在相鄰衛(wèi)星上的信噪比（通常為負(fù)值（dB）);三是定位系統(tǒng)的處理增益。相關(guān)計(jì)算公式見(jiàn)式（2）:
其中:SNR為相關(guān)信噪比，snr1為被測(cè)信號(hào)在被干擾衛(wèi)星上的信噪比，snr2為被測(cè)信號(hào)在相鄰衛(wèi)星上的信噪比，PG為定位系統(tǒng)的處理增益。
當(dāng)相關(guān)信噪比SNR大于20時(shí)，一般可認(rèn)為相關(guān)成功。此時(shí)的TDOA和FDOA可以用來(lái)進(jìn)行后續(xù)的定位計(jì)算工作。
相位校準(zhǔn)和位置校準(zhǔn)
上文提到的時(shí)間差和頻率差都是我們對(duì)接收的雙星信號(hào)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其中時(shí)間差的成分比較單純，就是我們前面定義過(guò)的TDOA。而頻率差中除了由于多普勒頻移引起的FDOA以外，還包含另外的成分。由于靜止軌道衛(wèi)星位于距地心42164 km外的外太空，其各方面環(huán)境極為惡劣。星上的轉(zhuǎn)發(fā)器的振蕩器頻率會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，這就造成了同一頻率的上行信號(hào)，其下行信號(hào)，扣除轉(zhuǎn)發(fā)器本身的頻率差外，還存在轉(zhuǎn)發(fā)器本振的漂移值。這一數(shù)值通常在正負(fù)幾十赫茲到幾萬(wàn)赫茲之間，而通常的FDOA僅為不到10赫茲，因而這一轉(zhuǎn)發(fā)器本振的漂移值是十分有害的。
為了解決這一問(wèn)題，可采用所謂“相位校準(zhǔn)”的方法，即在測(cè)量未知信號(hào)的同時(shí)，利用另外一個(gè)同樣經(jīng)過(guò)這兩顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)，由于該信號(hào)和未知信號(hào)經(jīng)過(guò)的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程完全相同，通過(guò)對(duì)這一信號(hào)進(jìn)行嚴(yán)格同時(shí)的測(cè)量，就可以將轉(zhuǎn)發(fā)器本振的漂移值對(duì)消掉。
完成了TDOA和FDOA的測(cè)量，還需要結(jié)合衛(wèi)星的軌道參數(shù)，即衛(wèi)星在某時(shí)刻的位置和速度。一般說(shuō)來(lái)，我們得到的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)的精度不能滿足信號(hào)精確定位的要求。為了提高衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)的精度，需要引進(jìn)若干位置參考信號(hào)，這些信號(hào)的經(jīng)緯度是精確已知的。通過(guò)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，得到其TDOA和FDOA，通過(guò)計(jì)算，對(duì)衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，得到一組修正后的軌道數(shù)據(jù)，用這組數(shù)據(jù)處理干擾信號(hào)的TDOA和FDOA即可得到較好的結(jié)果。
定位中的關(guān)鍵因素分析
在定位操作中，存在許多相互制約的因素，了解這些因素以及它們之間的關(guān)系對(duì)于提高定位精度，為地面搜索創(chuàng)造條件是非常有利的。這些因素主要有:
�。�1）被測(cè)信號(hào)天線的尺寸。天線尺寸越大，旁瓣輻射到相鄰衛(wèi)星的功率越少，相關(guān)信噪比就會(huì)相應(yīng)降低。若低于20 dB的標(biāo)準(zhǔn)則測(cè)量失敗。
�。�2）相鄰衛(wèi)星和被干擾衛(wèi)星的間距。該間距越大，TDOA和FDOA的絕對(duì)值越大，對(duì)于最后計(jì)算干擾源的位置是有利的。但是，間距的增大會(huì)導(dǎo)致相關(guān)信噪比不足。
�。�3）相鄰衛(wèi)星的上下行波束區(qū)域，特別是上行波束區(qū)域。兩顆衛(wèi)星的上行波束區(qū)域應(yīng)同時(shí)覆蓋干擾源，使得干擾源信號(hào)能夠到達(dá)衛(wèi)星并被轉(zhuǎn)發(fā)。一般我們選擇上行波束覆蓋與被干擾星相似的鄰星，這樣選擇位置參考信號(hào)比較容易。對(duì)于下行波束覆蓋范圍不同的鄰星，如果沒(méi)有其他可用的鄰星的話，用一套系統(tǒng)是無(wú)法測(cè)試的。需要采用兩套分別位于這兩個(gè)區(qū)域的定位系統(tǒng)進(jìn)行所謂的分布式測(cè)量。Intelsat公司就采用了6套（2002年）TLS Model 2000系統(tǒng)組建了一個(gè)干擾源定位網(wǎng)絡(luò)，可進(jìn)行分布式測(cè)量。
（4）參考源的分布。無(wú)論是相位參考還是位置參考，都要求清楚其上行發(fā)射天線的經(jīng)緯度，精確到秒級(jí)。各個(gè)參考源在地理上分布越廣，效果越好。鑒于很多衛(wèi)星的用戶多集中在北京、上海等大城市，要找到合適的衛(wèi)星參考源作定位用可能有較大困難。國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心在京外站建立了多個(gè)參考源發(fā)射站，可以作為后備參考源使用，基本可以滿足干擾源定位的需要。
�。�5）星歷數(shù)據(jù)的精度。我們了解到的衛(wèi)星星歷一般難以滿足定位需要，這一因素很難直接得到改善。
�。�6）在鄰星上參考信號(hào)對(duì)應(yīng)頻率處是否有業(yè)務(wù)載波。如果有，該載波會(huì)被認(rèn)為是噪聲信號(hào)而影響參考信號(hào)的相關(guān)信噪比。
以上這些因素需要綜合考慮，同時(shí)，在實(shí)際操作中人員的經(jīng)驗(yàn)和判斷也是非常重要的，可以根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)修改配置的策略。例如針對(duì)某一干擾我們可以先進(jìn)行初步測(cè)試，如相關(guān)信噪比較高，可根據(jù)前面的（1）和（2）換用一顆較遠(yuǎn)的鄰星以提高定位精度。在選擇位置參考源時(shí)則要綜合考慮（1）、（3）和（4）、（6）。在選擇鄰星時(shí)則要通盤(pán)考慮以上全部的因素。
參考文獻(xiàn)
[1] Stein S. [1981] Algorithms for Ambiguity Function Process IEEE trans. Acoustic. Speech and signal Processing, Vol ASSP-29, No.3
[2] 頻譜監(jiān)測(cè)手冊(cè).北京:人民郵電出版社,2002
