通信卫星干扰源定位

基于时延差和频移差参数的通信卫星干扰源定位方法摘要关键词：1.问题重述1.1研究意义随着对卫星通信既可提供实时的，也可以提供存储-转发的延时通信服务工具的日益加深的认识，卫星通信已经进入了军事侦察、通信广播、电视直播、导航定位。气象预报、资源探测、环境探测和灾害防护等国防和民用的各个领域，而令它已经成为了不可或缺的通信手段。但卫星对地静止轨道只有一条，随着卫星通信业务的迅速发展，竞争更加激烈，有限的轨道资源变得更加紧张，电磁环境也将更加恶化。卫星通信系统是一个开放式的系统，具有覆盖面广和信道“透明”的特点。它公开的暴露在空间轨道上，又生存在这样一个濒繁复杂的电磁环境中，所以它很容易受到干扰甚至摧毁，并且很难查出干扰源所以，当我们受益于它覆盖过大、不受地理条件限制、通信频带宽、容量大、激动灵活等众多优点时，容易受到自然现象、设备故障、临星干扰、人为原因，又或是它们彼此之间相交叉等各种干扰这一弊端也就不得不引起我们的注意，因为它很大程度上影响了通信卫星的正常运行，继而扰乱了我们的正常生活。虽然一些国际组织和各国卫星公司进行轨道、频率和功率的分配和协调，但是仍未完全避免卫星通信受到干扰，众所周知的最近几年相继发生的中央电视台第一套卫星节目受干扰；深证证券交易所、国家地震预报监测网通信受干扰；法轮功攻击鑫诺卫星等时间便是明显的例证。对卫星非法访问，给卫星的运营商和用户造成了严重的影响。未经授权地向卫星发射通信信号或载波，能够干扰卫星上一个或者多个转发器的正常业务，使通信质量下降。如果干扰信号功率足够大，还可能造成卫星上合法业务的中断。全球每年较大的卫星通信干扰事件达到几千次之多，而且随着卫星通信业务量的增加，地球同步卫星轨道的拥塞，这个数目还会逐渐地增加。这种干扰主要来自人为错误或设备故障，也不能排除蓄意窃取转发器资源或者恶意阻断业务。目前，为了进一步提高卫星干扰源的定位精度，还需要对干扰源测量方法进行深入的研究。完善我国卫星干扰源定位系统，这对于我国的卫星广播通信及其它卫星应用的正常运行和信息安全有重要的作用[6]。1.2卫星干扰源定位的用途对卫星的干扰一般分为有意干扰和无意干扰两种情况[1]，不论哪种情况都需要准确知道干扰源的位置和干扰频率，所以卫星干扰源定位系统在解决卫星无线电频率冲突问题上有十分重要的作用。随着信息化时代的到来，国内外都很重视信息安全问题。特别是卫星广播电视系统的安全问题日益受到政府部门的重视，随着通信卫星的迅速发展，地面故意的或者无意的射频干扰对正常通信广播的威胁也在日益增加，通过卫星干扰源的定位可以保证广播卫星正常运行，在最短时间内排除干扰，对保证政府为百姓建立和谐社会也有着重要的意义。我国的定位系统的定位精度可以达到短半轴12公里、长半轴60公里的椭圆范围。可以在20分钟内捕获干扰信号，定位时间为一个小时左右。通过卫星干扰源定位系统，可以保护我国在轨通信卫星的运行安全，一旦卫星转发器被非法盗用、或被地面的发射源所干扰、可迅速确定地面发射源的位置，消除干扰。同时可以从根本上打击和威慑恶意干扰、偷用转发器的不法分子的嚣张气焰。这对于我国的卫星广播通信及其他卫星应用的正常运行和信息安全有重要作用[9]1.3本文要解决的问题根据题目要求，论文在解决干扰源定位问题时要完成如下四个问题：（1）根据时差(TDOA)和频差（FDOA）运用双星定位系统原理确定出静止干扰源的位置，给出其明确的位置坐标和经纬度。（2）研究干扰源定位过程中可能产生的误差对干扰源定位精度的影响，并用定量分析方法进行明确的定义。（3）对引入的三个参考站按照定位干扰源的方式进行定位，完成定位后与所给的参考站精确位置进行比对，来确定该干扰源定位方式的定位精度。（4）用参考站的数据信息和移动干扰源的数据信息，定位匀速直线移动干扰源的每一时刻的位置并求解其速度。2.问题分析2.1问题重要性分析通信卫星系统的干扰源定位技术是在非协同(Non-cooperative)的条件下实现对未知干扰源的空间定位，它与目前应用广泛的全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)有着本质的区别。由于卫星通信系统不是一个面向定位的系统，其采用通信卫星进行干扰定位受到多方面因素的限制，使得实现起来当困难，目前，卫星通信系统实现干扰源定位的主要技术的途径有：（1）基于信号到达时间差(TimeDifferenceofarrival，TDOA)定位技术，即测时差定位；（2）基于信号到达角(Angleofarrival，AOA)定位技术，即测向定位；（3）结合通信卫星多波束天线，基于空间谱估计获取干扰DOA（Directionofarrival）信息定位技术；由于其实际测量定位参数的方法存在误差，因此会造成一定的不可避免的定位误差，一般首先是通过测量计算，得到干扰源所在的区域，然后在确定区域内，配备全频段车在移动定位系统，扩大其地面搜索干扰源的范围，从而进一步提高了定位的准确性和实效性。目前我国定位系统的定位精度可以达到短半轴12公里、长半轴60公里的椭圆范围。并且可以在20分钟内捕获干扰信号，定位时间为1个小时左右。而英美双星的定位范围也是一个椭圆形区域，在95%的情况下其典型定位精度达到10-20公里，DERA系统一般可以在15分钟获得干扰信号，TLS2000系统可以在30分钟左右获得干扰信号。定位时间为1小时左右。而当信号很弱，或者干扰信号没有调制时将会增加定位数据的获取时间。所以提高定位精度，缩小定位区域范围并减少定位时间是干扰源定位系统需要进一步进行的研究工作。双星定位法的概念在中国是由陈芳允院士于20世纪80年代初期提出来的，国际上称此为卫星无线电定位业务(RadioDetermination—SatelliteService，简记为RDSS)。美国的Geostar公司和欧洲的Locstar公司也曾一度从事RDSS系统的研制工作通信卫星系统的干扰源定位技术在应用中会出现很多问题，而通过解决这些问题，建立起精准的同步轨道通信卫星地面干扰源定位系统，可以保护我国在轨道通信卫星的运行安全，一旦卫星转发器被非法盗用、或被敌国地面的发射源所干扰，我国可用最短的时间准确地确定地面发射源的位置，消除干扰。同时可以从根本上打击和威慑恶意干扰、偷用转发器的不法分子和敌对国或敌对势力的嚣张气焰。这对于我国的卫星广播及其他卫星应用的正常运行和信息安全有重要的作用。2.2问题思路分析分析题目可知，本文有四个题目，题目之间关联性很强。问题一是全文的基础，对干扰源的定位的方式决定了整篇文章的优劣；问题二是对问题一的延伸，通俗的来说问题二是对问题一中定位方式的灵敏的分析；问题三用参考站作为干扰源确定问题一的定位方法的定位精度；问题四加深了整个问题的难度，干扰源并不是静止的而是移动的，所以要综合参考站的数据求解移动干扰源的位置，进而求解干扰源的速度。问题思路详细分析如下：针对问题一，通信卫星A受到某静止干扰源的干扰，为测得其准确位置，卫星监测站对该干扰信号进行跟踪分析，侦收来自被干扰卫星A（主星）和相邻卫星B（邻星）的两路转发信号，并对其下变频、采样以及时差（TDOA）和频差（FDOA）进行估计分析。运用时差（TDOA）、频差（FDOA）以及相对WGS84坐标系的位置和移动速度数据，建立几何原理的TDOA方程和多普勒频移原理的FDOA方程，如果以一个TDOA为准建立方程，满足该方程的空间中所有的点会构成一个以两卫星为焦点的双曲面；同样一个FDOA可以构造成一个以曲面，这个曲面不是双曲面，而是很复杂的曲面，这两个曲面再加上地球表面可以交织储出一个椭圆型区域该区域即为干扰源所在区域[2]。这样，就会形成一个非线性方程组，凭借MATLAB软件求解这个非线性方程组，从而准确解出干扰源的位置坐标，进一步求解干扰源的经纬度位置。针对问题二，由于卫星位置和速度的预报误差、上行信号中心频率误差、转发器本振误差、卫星链路噪声、监测站的下变频误差、两路信号到达时间差（TDOA）和到达频率差（FDOA）的误差等误差，影响到定位的精度。也就是说这些误差造成对方程所求解的不同，运用灵敏度分析这些误差，以确定这些误差对干扰源定位精度影响的大小。针对问题三，用三个参考站作为确定位置的干扰源，向卫星发射“干扰信号”，形成三个“确定干扰源”的时差（TDOA）和频差（FDOA）数据。运用与问题一相似的方法，建立关于几何原理的TDOA方程和关于多普勒频移原理的FDOA方程，凭借牛顿迭代法求解非线性方程组,分别解出三个“确定干扰源”即三个参考站的位置坐标，与三个参考站的精确位置信息作比较。对于定位精度的计算方式：分别用所求的位置信息坐标与精确位置信息坐标作差，用所得的差值去除以原精确位置信息坐标，所得即误差率，误差率越小，则定位精度越高。针对问题四，对于移动干扰源，某一时刻的位置信息可以结合三个参考站的时差（TDOA）和频差（FDOA）数据，凭借牛顿迭代法得出位置坐标。当所有的时刻位置均求解出来之后，运用MATLAB作图将位置信息显示在图上，之后可以求出移动干扰源在这段确定的时间下的移动位移，已知干扰源作匀速直线运动，所以运用简单的速度公式,即可求出移动干扰源的速度。3.模型假设及说明为了更好地完成对干扰源的定位计算，现对问题假设如下：地球是完美的圆球型，并用地球的平均半径r=6378245米，作为这个球星的半径。地球所处的环境中并不存在其他星体的引力影响。4.模型准备4.1WGS84坐标系一种国际上采用的地心坐标系。坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向BIH(国际时间服务机构)1984.O定义的协议地球极(CTP)方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，称为1984年世界大地坐标系统[3]。示例图形如图1.图1.WGS84坐标系4.2双星定位系统双星定位的两颗卫星通常是两颗彼此靠近的同步卫星，其中受到干扰的卫星是主星，在邻近位置用于辅助定位的称为邻近星。由于干扰发射机的天线特性，波束主瓣对准主星，而波束副瓣则指向邻近星。根据发射频段的不同，卫星间距通常选择在3°到8°之间。干扰发射机的信号分别通过两颗卫星转发器转发，两个地面接收站分别接收两颗卫星的下行信号。由于传播路径不同。两路同源的信号具有不同的TDOA。对于确定的卫星位置，由某一个TDOA值确定的轨迹是一个双曲面，与地球面可相交出一条曲线【29】单一TDOA值只能给出一条位置线，尚不能确定发射源的位置，还必须利用其它的参数。由于卫星入轨的不精确和重力场的变化，同步卫星在轨道上不是相对地球完全静止，而是以24小时的周期沿类似“8”字的封闭轨迹运动。这种漂移运动引起卫星信号频率的多普勒频移，这个多普勒频移使得在地面接收的两个卫星的信号频率存在微笑的差异，这个差异称为频率差FDOA。与TDOA相似，利用FDOA也在地球表面画出一条频差位置线，这两条位置线的交点将是地面干扰源的位置[4]，如图2所示。卫星速度不同形成频率差（FDOA）路径不同形成时差（TDOA）干扰源接收站A接收站B图2.双星定位系统的示意图4.3地球同步卫星的摄动问题实际中，同步卫星相对地面并非完全静止，而是存在一定程度的摄动。轨道平面与赤道平面不重合会导致星下点（卫星在地球表面的垂直投影）呈现“8”字形摆动；太阳、月球和行星的引力变化、地球引力场的变化、潮汐以及大气等都会导致卫星发生轻微摄动。双星定位体制中正是利用这种摄动产生的多普勒频移才构成了FDOA方程。在双星定位体制中，地面监测站的位置和两颗同步通信卫星的位置都是已知的，利用几何原理和多普勒频移原理就可以建立起TDOA和FDOA方程模型。然而，实际中的同步卫星只有很小幅度的摄动，多普勒频移特性并不明显，容易导致FDOA方程出现病态。此外，由于主、邻二星在同步轨道上，也会使得部分定位区域的TDOA方程出现病态。为了消除客这些观条件所造成模型的病态性，往往需要延长的观测时间和观测次数，或适当引入参考监测站以消除部分系统误差。对于本问题所给的主星星历和临星星历数