淺談TDOA&FDOA衛(wèi)星干擾源定位原理

前言

　　隨著衛(wèi)星通信事業(yè)的迅猛發(fā)展，通信衛(wèi)星越來越多地受到地面發(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)的正常開展帶來了巨大的威脅，甚至可能產(chǎn)生無法估量的社會影響。為了應(yīng)對這些射頻干擾，通過受擾衛(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。針對這種情況，1982年，英國國防評估研究局（DERA）開始利用時間差和頻率差在相關(guān)頻段進(jìn)行干擾源定位的研究。1993年開始，他們對各種關(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，美國的相關(guān)研究部門也對這一技術(shù)進(jìn)行了研究，其關(guān)鍵技術(shù)在美國申請了專利。1999年美國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)星地面干擾源的問題，受到了全球各大衛(wèi)星公司、政府和軍事部門的關(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)營商和政府部門，satID系統(tǒng)也擁有相當(dāng)多的用戶。該方法已成為解決衛(wèi)星干擾源定位問題的首選方案。在我國，國家無線電監(jiān)測中心北京監(jiān)測站自從2002年以來，利用該技術(shù)成功地對二十余起干擾案例進(jìn)行了定位，保護(hù)了國家的財產(chǎn)和衛(wèi)星操作者的權(quán)益，同時在這方面也積累了不少實(shí)際查找的經(jīng)驗。

定位原理

　　當(dāng)被干擾衛(wèi)星受到干擾時，我們可在與其軌道位置鄰近的衛(wèi)星中選擇一顆類型相同的衛(wèi)星，選擇的鄰星不是唯一的，選擇時需注意的幾個關(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，所以干擾信號的一部分能量會被發(fā)射到這顆相鄰的衛(wèi)星上去。我們可以用監(jiān)測站的兩副天線分別接收這兩個來自兩顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號，并將接收到的信號傳送到定位系統(tǒng)中去。

　　顯然，同一信號經(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)接收站的時間會存在一個時間差值，稱之為TDOA （Time Difference of Arrival）。

　　同時，如圖1所示，由于兩顆衛(wèi)星在空間中的運(yùn)動狀態(tài)并不相同，盡管發(fā)射的是同一個信號，但由于多普勒頻移的影響，在到達(dá)接收站時存在一個頻率差值，稱之為到達(dá)頻率差（FDOA）。


圖1 干擾定位原理

　　TDOA和FDOA在空間中構(gòu)成兩個曲面，又由于干擾源必然位于地球表面，因此這三個曲面的交點(diǎn)中必然包含干擾源所在的位置。不同位置發(fā)射的信號，其對應(yīng)的TDOA和FDOA不同，也就是說，TDOA和FDOA與上行站位置存在一一對應(yīng)的關(guān)系（如圖2所示）。


圖2 三個曲面的交點(diǎn)

　　干擾源定位系統(tǒng)首先將兩顆衛(wèi)星的信號進(jìn)行下變頻，并利用時鐘保持其相對的時間關(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]:

（1）。

　　其中:t是時間，T是相關(guān)的時間長度，υ是頻率差，τ是時間差。


圖3 正交模糊函數(shù)

　　每一個函數(shù)值是兩路信號正交相關(guān)的結(jié)果，對應(yīng)著兩路信號的時間差和頻率差。我們可對正交模糊函數(shù)進(jìn)行三維可視化處理（如圖3所示），實(shí)際上就是計算正交模糊函數(shù)值最大時的時間差和頻率差。正交模糊函數(shù)首先利用較小的采樣長度來粗略估計TDOA，然后利用較大的采樣長度來估算較精確的時間差和頻率差。最后對結(jié)果作內(nèi)插處理，從而完成對時間差和頻率差的測量。其相關(guān)信噪比與在定位系統(tǒng)的ADC處的三個因素有關(guān):一是被測信號在被干擾衛(wèi)星上的信噪比;二是被測信號在相鄰衛(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)計算公式見式（2）:

（2）。

　　其中:SNR為相關(guān)信噪比，snr1為被測信號在被干擾衛(wèi)星上的信噪比，snr2為被測信號在相鄰衛(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，一般可認(rèn)為相關(guān)成功。此時的TDOA和FDOA可以用來進(jìn)行后續(xù)的定位計算工作。

相位校準(zhǔn)和位置校準(zhǔn)

　　上文提到的時間差和頻率差都是我們對接收的雙星信號的實(shí)測數(shù)據(jù)，其中時間差的成分比較單純，就是我們前面定義過的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)器的振蕩器頻率會隨時發(fā)生變化，這就造成了同一頻率的上行信號，其下行信號，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。

　　為了解決這一問題，可采用所謂“相位校準(zhǔn)”的方法，即在測量未知信號的同時，利用另外一個同樣經(jīng)過這兩顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號，由于該信號和未知信號經(jīng)過的轉(zhuǎn)發(fā)過程完全相同，通過對這一信號進(jìn)行嚴(yán)格同時的測量，就可以將轉(zhuǎn)發(fā)器本振的漂移值對消掉。

　　完成了TDOA和FDOA的測量，還需要結(jié)合衛(wèi)星的軌道參數(shù)，即衛(wèi)星在某時刻的位置和速度。一般說來，我們得到的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)的精度不能滿足信號精確定位的要求。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，這些信號的經(jīng)緯度是精確已知的。通過對這些信號進(jìn)行測量，得到其TDOA和FDOA，通過計算，對衛(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）被測信號天線的尺寸。天線尺寸越大，旁瓣輻射到相鄰衛(wèi)星的功率越少，相關(guān)信噪比就會相應(yīng)降低。若低于20 dB的標(biāo)準(zhǔn)則測量失敗。

　�。�2）相鄰衛(wèi)星和被干擾衛(wèi)星的間距。該間距越大，TDOA和FDOA的絕對值越大，對于最后計算干擾源的位置是有利的。但是，間距的增大會導(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)同時覆蓋干擾源，使得干擾源信號能夠到達(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比較容易。對于下行波束覆蓋范圍不同的鄰星，如果沒有其他可用的鄰星的話，用一套系統(tǒng)是無法測試的。需要采用兩套分別位于這兩個區(qū)域的定位系統(tǒng)進(jìn)行所謂的分布式測量。Intelsat公司就采用了6套（2002年）TLS Model 2000系統(tǒng)組建了一個干擾源定位網(wǎng)絡(luò)，可進(jìn)行分布式測量。

　　（4）參考源的分布。無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。各個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。國家無線電監(jiān)測中心在京外站建立了多個參考源發(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）在鄰星上參考信號對應(yīng)頻率處是否有業(yè)務(wù)載波。如果有，該載波會被認(rèn)為是噪聲信號而影響參考信號的相關(guān)信噪比。

　　以上這些因素需要綜合考慮，同時，在實(shí)際操作中人員的經(jīng)驗和判斷也是非常重要的，可以根據(jù)實(shí)際情況隨時修改配置的策略。例如針對某一干擾我們可以先進(jìn)行初步測試，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則要綜合考慮（1）、（3）和（4）、（6）。在選擇鄰星時則要通盤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)測手冊.北京:人民郵電出版社,2002