衛(wèi)星通信系統(tǒng)中同頻干擾定位方法研究

成思玥，劉 燕

（1.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心北京監(jiān)測(cè)站，北京 102609；2.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心烏魯木齊監(jiān)測(cè)站，烏魯木齊 830000）

1 研究背景

衛(wèi)星通信發(fā)展至今，以通信范圍廣、質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)，在日常生活和各行各業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。C、Ku 頻段的靜止軌道衛(wèi)星通信發(fā)展較為成熟，承擔(dān)的通信業(yè)務(wù)繁多，衛(wèi)星通信系統(tǒng)復(fù)雜，當(dāng)前C、Ku 頻段的軌道資源和頻譜資源幾乎飽和，用頻秩序繁忙。近年來(lái)，我國(guó)衛(wèi)星頻段的頻率資源被盜用和干擾案件頻發(fā)且數(shù)量呈上升趨勢(shì)，嚴(yán)重侵害了我國(guó)頻譜資源的用頻秩序和合法用戶的利益。面對(duì)種類眾多的衛(wèi)星干擾信號(hào)，定位干擾信號(hào)上行站是加強(qiáng)衛(wèi)星頻譜資源管理的必要技術(shù)手段之一。

本文針對(duì)當(dāng)前存在的問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際工作，基于衛(wèi)星干擾源雙星定位技術(shù)原理，深入研究了衛(wèi)星通信系統(tǒng)中同頻干擾定位方法，對(duì)定位干擾信號(hào)上行站存在的問(wèn)題提出兩種解決方法并結(jié)合實(shí)際案例分析，驗(yàn)證了這兩種方法的準(zhǔn)確性和可靠性，滿足我們當(dāng)前工作的需求，具有一定的實(shí)踐意義。

2 同頻干擾的特征和危害

同頻干擾是指干擾信號(hào)與合法業(yè)務(wù)信號(hào)的發(fā)射頻率相同或部分相同，形成干擾信號(hào)和合法業(yè)務(wù)信號(hào)疊加的情況，最差的情況是，干擾信號(hào)可能淹沒(méi)在合法業(yè)務(wù)信號(hào)下，且?guī)捙c合法業(yè)務(wù)信號(hào)相近，這類干擾嚴(yán)重影響了合法用戶的通信質(zhì)量，如果受干擾的是廣播電視信號(hào)，嚴(yán)重的會(huì)造成廣播電視節(jié)目異常，無(wú)法正常觀看和收聽(tīng)。同頻干擾典型頻譜特征如圖1所示。

圖1 典型同頻干擾頻譜圖

3 同頻干擾的定位方法研究與分析

目前，對(duì)衛(wèi)星干擾信號(hào)上行站的定位的主流技術(shù)是雙星定位技術(shù)，同頻干擾信號(hào)的定位也是通過(guò)雙星定位實(shí)現(xiàn)，但由于干擾信號(hào)與業(yè)務(wù)信號(hào)的疊加，給定位工作帶來(lái)難度。

3.1 雙星定位原理

對(duì)干擾信號(hào)的上行站進(jìn)行定位，選取與受擾衛(wèi)星軌道位置相近且參數(shù)相似的衛(wèi)星作為定位鄰星，可利用接收站的2副接收天線分別接收受擾衛(wèi)星和定位鄰星的信號(hào)，建立定位接收鏈路，受擾衛(wèi)星信號(hào)和定位鄰星信號(hào)同時(shí)采集用于定位計(jì)算。

干擾信號(hào)發(fā)射天線的主瓣由受擾衛(wèi)星接收并轉(zhuǎn)發(fā)，旁瓣由定位鄰星接收并轉(zhuǎn)發(fā)，同一信號(hào)經(jīng)由2顆不同的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，到達(dá)接收站。不同的轉(zhuǎn)發(fā)路徑造成主瓣和旁瓣到達(dá)接收站存在時(shí)間差，稱為TDOA（Time Difference of Arrival）。同時(shí)，由衛(wèi)星攝動(dòng)和轉(zhuǎn)發(fā)器頻率漂移引起的頻率差，稱為FDOA（Frequency Difference of Arrival）。TDOA 和FDOA 可以分別在地球交出曲線，2條曲線的交點(diǎn)即為干擾信號(hào)發(fā)射天線的位置?？梢哉f(shuō)，確定受擾衛(wèi)星和定位鄰星后，地球上每個(gè)位置都對(duì)應(yīng)唯一的一組TDOA和FDOA。

圖2 雙星定位原理示意圖

定位系統(tǒng)在完成信號(hào)采集后，利用正交模糊函數(shù)對(duì)來(lái)自受擾衛(wèi)星信號(hào)和定位鄰星的同一個(gè)頻率的采集信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，得到相關(guān)峰，即TDOA 和FDOA。正交模糊函數(shù)如下：

式中，τ 為時(shí)間差；v 為頻率差；T 為相關(guān)時(shí)長(zhǎng)；t 為時(shí)間。

3.2 同頻干擾定位的難點(diǎn)和解決方法研究

在實(shí)際案件中，干擾信號(hào)的帶寬小于或等于受擾信號(hào)的帶寬，發(fā)射功率也遠(yuǎn)小于受擾信號(hào)，在頻譜監(jiān)測(cè)中，干擾信號(hào)淹沒(méi)在受擾信號(hào)中，對(duì)干擾信號(hào)的采集的同時(shí)，不可避免的采集了受擾信號(hào)，因此在定位相關(guān)時(shí)會(huì)得到多個(gè)相關(guān)峰，正確提取干擾信號(hào)的相關(guān)峰是同頻干擾定位的難點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多品牌定位系統(tǒng)在同頻干擾定位中的實(shí)踐，提出以下兩種解決方法。

3.2.1 解決方法一

當(dāng)干擾信號(hào)帶寬小于受擾信號(hào)時(shí)，利用常規(guī)定位技術(shù)手段解決同頻干擾定位。通常，在定位過(guò)程中，可控制的參數(shù)有，采集信號(hào)的頻率、帶寬、相關(guān)時(shí)長(zhǎng)、地理區(qū)域（即TDOA 和FDOA的范圍）等，可以在定位過(guò)程中，利用上述可調(diào)參數(shù)對(duì)同頻干擾定位。具體步驟為：一是對(duì)受擾信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，得到受擾信號(hào)的TDOA 和FDOA 數(shù)值；二是調(diào)整地理區(qū)域范圍等方法，將受擾信號(hào)的TDOA 或FDOA 排除，再對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，可以獲得干擾信號(hào)的TDOA 和FDOA 數(shù)值，完成定位。

3.2.2 解決方法二

當(dāng)干擾信號(hào)帶寬小于受擾信號(hào)時(shí)，利用信號(hào)對(duì)消技術(shù)解決同頻干擾定位。在干擾信號(hào)發(fā)射功率小，信噪比遠(yuǎn)低于受擾信號(hào)時(shí)，無(wú)法通過(guò)增加相關(guān)時(shí)長(zhǎng)獲得干擾信號(hào)的相關(guān)峰時(shí)，或干擾信號(hào)與受擾信號(hào)發(fā)射位置接近，無(wú)法通過(guò)調(diào)整地理區(qū)域的方法獲得干擾信號(hào)的相關(guān)峰時(shí)，可通過(guò)信號(hào)對(duì)消技術(shù)解決此問(wèn)題。具體步驟為：一是對(duì)受擾信號(hào)進(jìn)行完整采集并采用信號(hào)對(duì)消技術(shù)；二是在此基礎(chǔ)上，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行定位，獲得相關(guān)峰，完成定位。

上述兩種解決方法進(jìn)行比較可知，引入信號(hào)對(duì)消技術(shù)的適用范圍更廣，定位時(shí)不受受擾信號(hào)的影響，但對(duì)定位系統(tǒng)的硬件要求更高，其不僅需要定位系統(tǒng)具備寬帶、窄帶采集功能，寬帶采集用于信號(hào)對(duì)消，窄帶采集用于定位，而且需要定位系統(tǒng)具備信號(hào)分析功能和強(qiáng)大運(yùn)算性能，用于解決提高信號(hào)對(duì)消效果和縮短信號(hào)對(duì)消耗時(shí)。排除受擾信號(hào)位置的方法雖然有一定的局限性，但對(duì)定位系統(tǒng)的要求不高，不需要具備更多地功能模塊，傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)干擾信號(hào)帶寬等于受擾信號(hào)時(shí)，無(wú)法通過(guò)上述兩種技術(shù)手段排除受擾信號(hào)在定位過(guò)程中的影響，需要通過(guò)行政手段，與臺(tái)站管理部門或衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商的配合，獲得受擾信號(hào)的位置，再解決干擾信號(hào)的定位。

3.3 同頻干擾定位案例分析

在實(shí)際應(yīng)用中，由于各衛(wèi)星定位系統(tǒng)有差異，可根據(jù)實(shí)際情況，選擇上述2種解決方法實(shí)現(xiàn)同頻干擾的定位。以下兩起案例是分別采用這兩種方法對(duì)干擾信號(hào)上行站進(jìn)行定位，效果較好。3.3.1 案例一

美國(guó)TLS2000定位系統(tǒng)可通過(guò)雙星定位實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)上行站定位，雖然不具備信號(hào)對(duì)消功能，但仍可通過(guò)常規(guī)定位技術(shù)解決同頻干擾的問(wèn)題，實(shí)際案例為亞洲5號(hào)衛(wèi)星同頻干擾案例，同頻干擾頻譜如圖3所示。

圖3 亞洲5號(hào)衛(wèi)星受擾頻譜圖

在選擇合適鄰星和建立正確定位鏈路的基礎(chǔ)上，定位流程如下：

（1）選擇適合的頻譜采集帶寬，避開(kāi)干擾信號(hào)，對(duì)同頻業(yè)務(wù)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，得到相關(guān)峰1，位于中國(guó)境內(nèi)，如圖4所示，位于地圖中明亮色區(qū)域內(nèi)。

圖4 TLS2000定位系統(tǒng)界面

（2）選擇合適的地理位置范圍，避開(kāi)相關(guān)峰1的位置，再對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，得到相關(guān)峰2，位于沙特地區(qū)，即為干擾信號(hào)的上行站位置，定位結(jié)果如圖5所示。

圖5 TLS2000定位結(jié)果

3.3.2 案例二

采用法國(guó)Zodiac 定位系統(tǒng)，利用其信號(hào)對(duì)消技術(shù)解決同頻干擾上行站定位。實(shí)際案例為自發(fā)實(shí)驗(yàn)，自發(fā)3個(gè)信號(hào)作為同頻干擾信號(hào)，均來(lái)自成都地區(qū)，頻譜如圖6所示。

圖6 自發(fā)實(shí)驗(yàn)頻譜圖

定位流程如下：

（1）將系統(tǒng)切換至CSA 模式分析，對(duì)同頻業(yè)務(wù)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析，包括中心頻率、帶寬和調(diào)制方式等，分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 CSA信號(hào)分析結(jié)果

（2）對(duì)同頻業(yè)務(wù)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)對(duì)消。對(duì)消前后的頻譜對(duì)比如圖8所示。

圖8 對(duì)消前后頻譜圖

（3）在得到單一的干擾信號(hào)后，對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行定位，得到干擾信號(hào)的唯一相關(guān)峰，從而得到上行站位置。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)衛(wèi)星通信中同頻干擾的定位難點(diǎn)進(jìn)行了分析，并提出解決方法，通過(guò)案例分析驗(yàn)證了文中兩種解決方法的高效性和實(shí)用性，對(duì)實(shí)際衛(wèi)星干擾定位工作具有很大的指導(dǎo)作用；在實(shí)際應(yīng)用中，可參考文中提出的兩種解決方法，結(jié)合實(shí)際條件，選擇適當(dāng)方法來(lái)解決此類問(wèn)題，以便更加準(zhǔn)確、可靠地完成同頻干擾定位工作。