靜止軌道衛(wèi)星信號上行站定位影響因素分析

龐 京，吉日格樂，武迎兵

（國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

1 研究背景

衛(wèi)星通信具有傳播距離遠、通信容量大、通信質(zhì)量好、可靠性高等優(yōu)點，在各行各業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。然而，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的開放性導(dǎo)致由人為盜用、設(shè)備故障等原因引起的衛(wèi)星干擾案例層出不窮，給衛(wèi)星用戶的正常通信造成嚴重影響，同時對社會經(jīng)濟造成嚴重損失。近幾年，衛(wèi)星通信技術(shù)飛越發(fā)展，干擾信號較以往呈現(xiàn)了短時、無規(guī)律等特征，對干擾定位工作帶來巨大挑戰(zhàn)，因此，實現(xiàn)準確高效的定位是當(dāng)前亟需解決的問題，開展定位前首先要 熟知影響定位的各種因素。下面對這些因素進行具體分析。

2 定位基本原理

靜止軌道衛(wèi)星信號上行站定位的基本原理如圖1所示。衛(wèi)星上行站對準目標衛(wèi)星（主星）發(fā)射信號時，與主星軌位相隔一定間距的衛(wèi)星（鄰星）也能接收到干擾天線發(fā)射的旁瓣信號。定位系統(tǒng)能夠計算得到信號經(jīng)由主、鄰星轉(zhuǎn)發(fā)并由地面接收站后的時間差（TDOA）和頻率差（FDOA），兩測量值分別在地球表面定出一條南北向曲線和一條東西向曲線，兩線的交點即為目標上行站位置[1]。

圖1 雙星定位基本原理框圖

3 影響因素分析

定位影響因素主要包括選擇合適的定位方法、較好的定位鄰星、誤差較小的定位時刻以及參考源的選用，以及衛(wèi)星星歷精確度對定位結(jié)果的影響、目標信號本身特征等。本節(jié)對這些因素進行具體分析。

3.1 定位方法

目前，針對靜止軌道衛(wèi)星上行站定位的方法主要有雙星時頻差定位、雙星分時頻差定位、三星雙時差定位法。由于FDOA測量精度受衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、星歷精度、衛(wèi)星在軌調(diào)姿等多種因素影響[2]，估值精度較TDOA值低[3]，因此利用兩TDOA值進行定位的三星雙時差方法比雙星時頻差定位法具有更高的準確度[4]。

對于待定位的目標信號，首先要判斷信號為常規(guī)調(diào)制波還是單載波，單載波由于為周期信號無法測得其TDOA值，只能選用雙星分時頻差定位模式；若目標信號為調(diào)制波，可選雙星時頻差定位或三星定位模式。

3.2 鄰星的選擇

3.2.1 主鄰星間距

主鄰星間距是指主星與鄰星之間的距離，即兩顆衛(wèi)星定軌經(jīng)度之間的絕對差值，差值越大，衛(wèi)星間距越大。例如，中星6B號衛(wèi)星軌道位置為115.5°E，中星10號衛(wèi)星軌道位置為110.5°E，兩星間距為5°。

一般情況下，主、鄰星間距太小會導(dǎo)致TDOA估值存在較大誤差，而間距太大會降低鄰星對干擾信號接收質(zhì)量。在一定距離范圍內(nèi)，衛(wèi)星間距越大相對速度越大，TDOA估值精度越高，定位結(jié)果越準確[5]。通常，對C波段上行信號定位時，綜合目標信號質(zhì)量，主鄰星間距一般不超過25°；對Ku頻段上行信號進行定位時，主鄰星間距不超過15°。

此外，需要注意的是，由于干擾源發(fā)射天線有效口徑、發(fā)射功率大小不固定，可選取的鄰星范圍會有所不同。如果干擾源發(fā)射天線有效口徑較小或功率較低，則建議選擇與主星間距較小的衛(wèi)星作為定位鄰星。

3.2.2 主、鄰星轉(zhuǎn)發(fā)器覆蓋范圍及頻率配置

（1）轉(zhuǎn)發(fā)器覆蓋范圍的影響。主、鄰星轉(zhuǎn)發(fā)器的上下行波束覆蓋區(qū)域要盡可能一致，需要能夠同時覆蓋目標上行站、監(jiān)測接收站以及參考源上行站位置，以確保目標信號和參考源信號能同時被主、鄰星接收后轉(zhuǎn)發(fā)，并被定位系統(tǒng)接收，這樣才能利用定位算法開展定位工作。

由于衛(wèi)星C波段轉(zhuǎn)發(fā)器覆蓋范圍較大，一般處于國際電聯(lián)3區(qū)的地區(qū)或國家開展的衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)，其C波段轉(zhuǎn)發(fā)器波束基本都覆蓋3區(qū)。因此，從轉(zhuǎn)發(fā)器覆蓋方面考慮，C波段干擾源定位可選擇鄰星范圍較廣，我國的主要民用衛(wèi)星及鄰近國家的衛(wèi)星均可用作定位鄰星。

（2）轉(zhuǎn)發(fā)器極化及頻率配置。在開展衛(wèi)星干擾定位工作時，還需要考慮主星和鄰星轉(zhuǎn)發(fā)器的頻段和極化方式，一般要求主星和鄰星轉(zhuǎn)發(fā)器的極化方式一致、主鄰星轉(zhuǎn)發(fā)器的本振頻率基本相同。否則會由于接收系統(tǒng)接收功率較低，導(dǎo)致無法有效定位。

3.2.3 鄰星轉(zhuǎn)發(fā)器頻譜使用情況

鄰星轉(zhuǎn)發(fā)器在干擾源發(fā)射頻段范圍內(nèi)要求無載波占用，如目標衛(wèi)星A的上行信號頻點為6025 MHz、帶寬為1 MHz，則用于輔助定位的鄰星B在6025 MHz頻點處應(yīng)無載波占用，否則會導(dǎo)致定位失敗。目前的定位系統(tǒng)實現(xiàn)了技術(shù)升級，具有載波對消功能，能夠?qū)⑧徯巧系妮d波信號進行抵消，可以在一定程度上抵消鄰星載波進行定位。

3.3 衛(wèi)星星歷精度

衛(wèi)星星歷（兩行軌道數(shù)據(jù)）由美國Celestrak 發(fā)明創(chuàng)立，能夠精確捕獲跟蹤衛(wèi)星位置、速度等運行狀態(tài)。衛(wèi)星星歷越精確，計算得到的FDOA和TDOA值就越精確，定位結(jié)果也就越可信。目前，定位所利用的星歷是從NASA公開網(wǎng)站獲取的，精度不高。而對于靜止軌道衛(wèi)星定位，即使星歷只有1mm/s的誤差，也會導(dǎo)致定位結(jié)果幾十千米的定位誤差。由于衛(wèi)星星歷是既定因素，因此，在衛(wèi)星干擾定位實際工作中，可通過參考信號校準法以及軌位精確測量對衛(wèi)星星歷進行校準。

3.4 定位時刻

定位時刻的好壞從某種程度上反映了主、鄰衛(wèi)星的相對運動情況，對定位誤差進行分析，可得到分析結(jié)果如圖2所示。圖中綠色曲線表示TDOA值誤差曲線，橙色曲線表示FDOA值誤差曲線，綜合綠色和橙色曲線得到圖中紫色曲線即為該時刻的定位誤差曲線，兩個尖峰處表示時刻最差，此時進行定位將導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)很大誤差。

圖2 雙星定位時刻優(yōu)劣判斷

通常情況下，干擾信號出現(xiàn)的時間、頻率是不確定的，即使鄰星轉(zhuǎn)發(fā)器符合定位條件，但若干擾信號的出現(xiàn)時間正好處于兩星相對誤差較大時段，應(yīng)盡量避免使用此鄰星進行定位。因此在實際定位過程中，定位時刻是否最佳要根據(jù)干擾信號出現(xiàn)時刻進行即時分析。

3.5 參考源的選擇

雙星定位時，需要至少4個參考信號對衛(wèi)星的星歷進行校準。其中一個參考信號的作用是相位校正，用于削弱衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器不穩(wěn)定引入的相位噪聲對頻差提取的影響，其應(yīng)該盡量與干擾源上行站位置接近；其他參考信號用于修正衛(wèi)星的位置和速度，位置要分布合理，經(jīng)緯度要足夠精確，否則會引入較大偏差，導(dǎo)致定位結(jié)果存在很大誤差。

3.6 目標信號特征

（1）信噪比。目標信號信噪比不低于10 dB能夠較好滿足定位條件。低于5 dB的信號認為是弱信號，信號功率較低，旁瓣的輻射功率較小，使得鄰星接收到的信噪比較低，這種情況下要提高定位系統(tǒng)處理增益，以獲取足夠的信號能量用于定位，同時應(yīng)減小主鄰星間距，以確保目標信號能被定位鄰星轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）發(fā)射天線方向性。發(fā)射天線的方向性對定位鄰星的選擇有一定的限制，只有主星附近的若干個鄰星能接收到旁瓣輻射。一般情況下，天線口徑越大，天線旁瓣越小，能夠轉(zhuǎn)發(fā)信號的鄰星越少，導(dǎo)致無法被鄰星有效轉(zhuǎn)發(fā)。實際定位中提高處理增益無法成功進行相關(guān)計算時應(yīng)減小主鄰星間距。

（3）目標靜動屬性。當(dāng)目標處于運動狀態(tài)時（如行駛中的汽車和輪船等），由于多普勒頻移引起頻差和時間差，影響到定位結(jié)果。目標運動速度較小時，對定位結(jié)果影響不大，可以忽略；目標運動速度較大時，定位過程中除了要考慮衛(wèi)星運動帶來的頻差外，還要考慮目標因自身運動引起的頻差對FDOA值的影響。此外，由于目標速度過快引起目標位置變化，還會對TDOA值產(chǎn)生影響。

目標信號的自身特征影響定位時信號采集參數(shù)的設(shè)置，通常定位系統(tǒng)的處理增益選擇71-74 dB，為獲取足夠的信號能量用于相關(guān)計算。若信號信噪比低或天線方向性強，應(yīng)進一步提高處理增益。

4 結(jié)束語

通過以上分析，建立定位任務(wù)時，首先根據(jù)信號特征、鄰星條件選擇三星或雙星定位模式，鄰星選擇時要考慮鄰星與主星的間距、鄰星轉(zhuǎn)發(fā)器的波束覆蓋范圍、轉(zhuǎn)發(fā)器的頻段占用度、轉(zhuǎn)發(fā)器的實際頻段占用度等。此外，衛(wèi)星星歷、定位時刻、參考源分布因素會對定位結(jié)果的精度產(chǎn)生影響；干擾源信號參數(shù)方面如信噪比低需不斷縮小主、鄰星間距反復(fù)定位來提高精度，而目標的動靜屬性需要根據(jù)定位結(jié)果進行判斷。熟知定位結(jié)果的影響因素能夠讓操作人員在進行實時定位處理時對定位條件進行快速的判斷，制定合理的定位任務(wù)，實現(xiàn)高效準確的定位處理。