基于衛(wèi)星信號(hào)的外輻射源偵測技術(shù)研究

朱國富

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川成都 610036）

隨著世界軍事技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，具備隱身能力的先進(jìn)作戰(zhàn)武器逐步形成戰(zhàn)斗力，這對防空安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。為了發(fā)現(xiàn)這些威脅目標(biāo)，常規(guī)的手段是使用雷達(dá)系統(tǒng)，然而，雷達(dá)系統(tǒng)正面臨著反輻射導(dǎo)彈、綜合電子干擾、低空突防等作戰(zhàn)手段日益嚴(yán)重的威脅[1-4]。因此，不主動(dòng)發(fā)射信號(hào)的無源偵測定位技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用。無源偵測定位包括基于目標(biāo)輻射信號(hào)的偵察定位和基于外輻射源照射的偵察定位。

基于外輻射源照射的無源偵測系統(tǒng)是利用空中已有的其他非合作輻射源作為目標(biāo)的照射源，通過接收來自照射源的直達(dá)波和經(jīng)目標(biāo)反射的回波，測得目標(biāo)回波的多普勒頻率、到達(dá)時(shí)差及到達(dá)角等，經(jīng)處理后實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的探測和跟蹤。這類系統(tǒng)可利用的外照射源有地面廣播通信電臺(tái)、電視臺(tái)、導(dǎo)航通信衛(wèi)星等。其中，地基外輻射源由于信號(hào)覆蓋范圍受限，導(dǎo)致其應(yīng)用場景受到限制。衛(wèi)星信號(hào)具有全天候、無盲區(qū)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較好的外輻射源[5-6]。

文中主要描述了基于衛(wèi)星信號(hào)的外輻射源偵測系統(tǒng)定位原理，探討了輻射源選擇的要點(diǎn)，并對導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)、直播衛(wèi)星信號(hào)作為外輻射源的探測能力進(jìn)行了分析總結(jié)，為基于衛(wèi)星信號(hào)的外輻射源偵測系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 定位的基本原理

在外輻射源定位中，可以利用的觀測量有信號(hào)到達(dá)角、信號(hào)時(shí)差、信號(hào)的多普勒頻率等，對應(yīng)的常用定位方法有測向交叉定位法、時(shí)差定位法、差分多普勒定位法以及前幾種方法的聯(lián)合定位法等。

1.1 測向交叉定位法

測向交叉定位法如圖1 所示，其基本原理是通過3 個(gè)及以上的接收站對反射信號(hào)進(jìn)行測向，利用測得的多條方位線進(jìn)行交叉來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位，這種方法不需要對直達(dá)波信號(hào)進(jìn)行測量。

圖1 測向交叉定位法示意圖

1.2 時(shí)差定位法

基于衛(wèi)星信號(hào)作為外輻射源的時(shí)差定位法主要分為多站時(shí)差定位和單站時(shí)差定位。

多站時(shí)差定位利用目標(biāo)反射信號(hào)到達(dá)不同接收站的時(shí)間差來對目標(biāo)進(jìn)行定位，如圖2 所示，原理同三站時(shí)差，每個(gè)接收站接收到目標(biāo)信號(hào)的時(shí)間與主站接收到目標(biāo)信號(hào)的時(shí)間差可構(gòu)成一個(gè)雙曲面，3 個(gè)雙曲面相交于一點(diǎn)即為目標(biāo)位置。要對目標(biāo)實(shí)施三維定位，至少需要4 個(gè)接收站才能完成。目前TDOA 算法較為成熟，常用的算法有Taylor 展開法、兩部最小二乘法、解偽線性方程組法及它們的改進(jìn)算法。

單站時(shí)差定位適合利用LEO∕MEO 衛(wèi)星星座作為外輻射源，如圖3所示。衛(wèi)星信號(hào)直達(dá)接收站的距離與衛(wèi)星信號(hào)到目標(biāo)再到接收站的距離差可通過測量兩路信號(hào)到達(dá)接收站的時(shí)間差來獲得，數(shù)學(xué)上表示為：

圖3 單站時(shí)差定位示意圖

在三維地球坐標(biāo)系中，設(shè)在觀測時(shí)刻，導(dǎo)航衛(wèi)星i的位置坐標(biāo)為(xi,yi,zi)，接收站的位置坐標(biāo)為(x0,y0,z0)，目標(biāo)的位置坐標(biāo)為(x,y,z)。則式（1）可以改寫成定位方程，如式（2）：

其中，c為光速，Tdi為衛(wèi)星i信號(hào)直達(dá)接收站與衛(wèi)星i信號(hào)到目標(biāo)再到接收站的時(shí)間差。Li為衛(wèi)星i到偵察站的距離，可表示為：

定位方程中Tdi為測量量，衛(wèi)星位置通過導(dǎo)航電文給出，接收站位置為已知量，未知量為目標(biāo)位置(x,y,z)，因此，通過式（2）可求解出目標(biāo)位置。

1.3 測向測時(shí)定位法

測向測時(shí)定位法示意圖如圖4 所示，利用衛(wèi)星信號(hào)直達(dá)接收站與衛(wèi)星信號(hào)到目標(biāo)再到接收站的時(shí)間差（距離差），可以確定包含目標(biāo)的一個(gè)橢球面，結(jié)合對目標(biāo)反射信號(hào)的測向信息(方位、俯仰)，示向線與橢球面的交點(diǎn)即為目標(biāo)位置。

圖4 測向測時(shí)定位法示意圖

2 輻射源的選擇

為了適應(yīng)外輻射源偵測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，衛(wèi)星輻射源的選擇一般遵循以下原則：

1）輻射源具有較高的等效全向輻射功率（EIRP）水平；

2）輻射源信號(hào)具有較寬的覆蓋范圍；

3）輻射源信號(hào)需要持續(xù)穩(wěn)定存在[7]。

因此，一般在低軌道∕中軌道衛(wèi)星星座或同步軌道衛(wèi)星中選擇輻射源。

在低軌衛(wèi)星（LEO）星座中，銥星（Iridium）和全球星（Globalstar）等移動(dòng)通信衛(wèi)星會(huì)持續(xù)發(fā)射廣播信號(hào)和導(dǎo)頻信號(hào)，盡管低軌衛(wèi)星的EIRP 水平低，但由于低軌衛(wèi)星離地面距離近，信號(hào)鏈路衰減小。但是，低軌衛(wèi)星由于存在高速運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致多普勒頻率的快速變化，同時(shí)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)在工作過程中存在波束切換、衛(wèi)星切換、頻率切換等。因此，就算系統(tǒng)可檢測足夠的SNR 值，這也會(huì)使后續(xù)處理變得更為復(fù)雜。基于上述缺點(diǎn)，低軌移動(dòng)通信衛(wèi)星星座并不是合適的輻射源。

在中軌道（MEO）衛(wèi)星星座中，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）通常被選用作為輻射源，包括全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS）、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GALILEO）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS），由于GNSS 可以全球全天候覆蓋、抗干擾性能好[8]，近年來，越來越多的外輻射源定位系統(tǒng)基于導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)開展研究和試驗(yàn)。文獻(xiàn)[9-10]利用GALILEO 衛(wèi)星信號(hào)作為輻射源，開展了對海上目標(biāo)探測的研究，將渡輪作為探測目標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

在同步軌道（GEO）衛(wèi)星中，數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)（DVB-S）、海事四代衛(wèi)星（Inmarsat I-4）通常被考慮用作輻射源，這類衛(wèi)星的特點(diǎn)是輻射功率大、覆蓋范圍廣、衛(wèi)星處于同步軌道、輻射信號(hào)穩(wěn)定，極大地簡化了后續(xù)的信號(hào)處理過程。

3 探測能力分析

3.1 探測距離計(jì)算推導(dǎo)

根據(jù)雷達(dá)方程，雷達(dá)接收功率為：

其中，Pt為衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的功率；Gt為衛(wèi)星發(fā)射天線增益；RT為衛(wèi)星到目標(biāo)的距離；RR為目標(biāo)到地面接收站的距離，即為探測距離；σ為目標(biāo)雷達(dá)截面積（RCS），單位為m2。

設(shè)地面接收站的有效孔徑面積為Ae，則接收站接收到的信號(hào)的功率為：

根據(jù)天線理論，接收天線增益Gr與有效孔徑面積Ae的關(guān)系為：

其中，λ為發(fā)射信號(hào)波長。

將式（6）代入式（5）可得：

噪聲功率PN的計(jì)算公式如式（8）：

其中，k=1.38×10-23J∕K，為玻爾茲曼常數(shù)；B為接收機(jī)帶寬；Ta為外部噪聲；F為噪聲系數(shù)；T0=290 K，為標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度。

接收機(jī)輸入信噪比（SNR）為回波信號(hào)功率PR與噪聲功率PN之比：

由式（9）可知，根據(jù)系統(tǒng)可以檢測的信噪比（SNR）、衛(wèi)星信號(hào)等效全向輻射功率（EIRP）、雷達(dá)截面積（σ）、衛(wèi)星到目標(biāo)的距離（RT）等已知參數(shù)，可以計(jì)算出接收站到目標(biāo)的距離（RR），RR即為探測距離。

3.2 基于導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的探測能力分析

對于GPS 衛(wèi)星信號(hào)，EIRP=26.8 dBW，為GPS 衛(wèi)星等效全向輻射功率；λ為發(fā)射信號(hào)波長（fL1=1 575.42 MHz），λ=(3×108)∕(fL1×106)=0.190 42 m；RT為衛(wèi)星到目標(biāo)的距離，如果目標(biāo)為低空目標(biāo)，衛(wèi)星與目標(biāo)的距離RT近似等于GPS 衛(wèi)星的軌道高度，即20 200 km[11]。

對于GPS信號(hào)，其比特寬度為20 ms，一個(gè)比特內(nèi)包含20個(gè)C∕A碼周期，一個(gè)C∕A碼周期由1 023個(gè)碼片組成[12]，因此20 ms的積累時(shí)間對應(yīng)的增益為43 dB。

加長積累時(shí)間，可以提高處理增益，檢出門限按10 dB 計(jì)算，增益、積累時(shí)間與捕獲信噪比關(guān)系如表1所示。

表1 積累時(shí)間、增益、捕獲信噪比關(guān)系表

通過分析，如果直接利用GPS 衛(wèi)星信號(hào)作為外輻射源，在積累時(shí)間為10 s，RCS=5 m2時(shí)，探測距離與SNR 的關(guān)系曲線如圖5 所示。

圖5 GPS探測能力（積累時(shí)間:10 s，RCS:5 m2）

從圖5 可以看出：

Gr=32 dB，積累時(shí)間為10 s時(shí)，探測距離可達(dá)6 km；

Gr=42 dB，積累時(shí)間為10s時(shí)，探測距離可達(dá)19 km；

Gr=52 dB，積累時(shí)間為10s時(shí)，探測距離可達(dá)59 km。

在RCS=100 m2，積累時(shí)間為2 s 時(shí)，探測距離與SNR 的關(guān)系曲線如圖6 所示。

圖6 GPS探測能力（積累時(shí)間:2 s，RCS:100 m2）

從圖6 可以看出：

Gr=32 dB，積累時(shí)間為2 s時(shí)，探測距離可達(dá)12 km；

Gr=42 dB，積累時(shí)間為2 s時(shí)，探測距離可達(dá)38 km；

Gr=52 dB，積累時(shí)間為2s時(shí)，探測距離可達(dá)120 km。

目前在軌的幾種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星輻射功率差異不大，具體如表2 所示。

表2 GNSS衛(wèi)星輻射EIRP值與軌道高度

對于北斗衛(wèi)星，北斗一代基本停用，國際電聯(lián)ITU-R M.1787 建議書中對信號(hào)功率和頻譜的規(guī)定：基于理想匹配和0 dBi等方向接收機(jī)天線，地表上任何仰角等于或大于5o的最小接收功率如表3所示。

表3 北斗衛(wèi)星信號(hào)功率規(guī)定

通過衛(wèi)星到地面的鏈路衰減計(jì)算可知，北斗衛(wèi)星的EIRP 值與其他GNSS 衛(wèi)星的基本一致。

因此，可以看出，利用其他導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)作為外輻射源的探測能力基本類似，不存在太大的差異。

3.3 基于直播衛(wèi)星的探測能力分析

直播衛(wèi)星的基本參數(shù)如表4 所示。

表4 直播衛(wèi)星工作參數(shù)表

EIRP 取最大值60 dBW，積累時(shí)間取10 s（最大相干積累增益為Gp=TMAXB=85 dB），RCS 取5 m2，探測距離與SNR 的關(guān)系曲線如圖7 所示。

圖7 直播衛(wèi)星探測（積累時(shí)間:10 s，RCS:5 m2）

從圖7 中可以看出：

Gr=32 dB，積累時(shí)間為10 s時(shí)，探測距離可達(dá)15 km；

Gr=42 dB，積累時(shí)間為10s時(shí)，探測距離可達(dá)47.5 km；

Gr=52 dB，積累時(shí)間為10s時(shí)，探測距離可達(dá)150 km。

EIRP 取最大值60 dBW，積累時(shí)間取2 s（最大相干積累增益為Gp=TMAXB=78 dB），RCS 取100 m2，探測距離與SNR 的關(guān)系曲線如圖8 所示。

圖8 直播衛(wèi)星探測（積累時(shí)間:2 s，RCS:100 m2）

從圖8 中可以看出：

Gr=32 dB，積累時(shí)間為2 s時(shí)，探測距離可達(dá)34 km；

Gr=42 dB，積累時(shí)間為2 s 時(shí)，探測距離可達(dá)68.04 km；

Gr=52 dB，積累時(shí)間為2 s時(shí)，探測距離可達(dá)300 km以上。

3.4 分析結(jié)果

通過對導(dǎo)航衛(wèi)星、直播衛(wèi)星作為輻射源時(shí)的探測能力進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明：

1）利用導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)作為輻射源時(shí)，Gr=32 dB，RCS=100 m2，積累時(shí)間為2 s時(shí)，探測距離可達(dá)12 km。系統(tǒng)的探測能力有限，為提高探測距離，需要利用高增益天線及較長的積累時(shí)間，對于空中高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)際工程應(yīng)用意義不大，但對于海上低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)具有一定的意義；

2）利用大功率直播衛(wèi)星作為外輻射源時(shí)，Gr=32 dB，RCS=100 m2，積累時(shí)間為2 s 時(shí)，探測距離可達(dá)34 km。雖然衛(wèi)星到地面距離遠(yuǎn)，鏈路衰減大，但是衛(wèi)星輻射功率大，探測能力優(yōu)于GNSS 衛(wèi)星。并且，直播衛(wèi)星一般會(huì)搭載多路轉(zhuǎn)發(fā)器，可以利用多路轉(zhuǎn)發(fā)器信號(hào)實(shí)現(xiàn)相參積累，提高檢測信噪比，提升探測能力[13]。

現(xiàn)階段，影響探測能力的主要因素是衛(wèi)星信號(hào)照射到目標(biāo)時(shí)的功率水平，基于衛(wèi)星信號(hào)的外輻射源定位系統(tǒng)適用于對低速、大雷達(dá)反射截面積的目標(biāo)探測。為了提升作用距離和預(yù)警能力，可以將探測系統(tǒng)搭載于無人機(jī)或其他升空平臺(tái)前出。

4 結(jié)論

該文從利用衛(wèi)星信號(hào)作為外輻射源進(jìn)行定位的基本原理出發(fā)，給出了選擇衛(wèi)星輻射源所需要考慮的主要因素，對不同軌道的衛(wèi)星信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行了對比，并對導(dǎo)航衛(wèi)星、直播衛(wèi)星等常用輻射源的探測能力進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，大輻射功率的同步軌道衛(wèi)星更適合用作輻射源。欲讓基于衛(wèi)星信號(hào)的外輻射源定位技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，還有很多需要研究的關(guān)鍵技術(shù)，比如目標(biāo)信道中直達(dá)波、多徑雜波及地雜波的抑制，微弱目標(biāo)信號(hào)的檢測，直達(dá)波信號(hào)提純等[14-16]。相信隨著關(guān)鍵技術(shù)的研究突破和衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，基于衛(wèi)星信號(hào)的外輻射源定位技術(shù)一定會(huì)成為其他目標(biāo)偵測手段的有力補(bǔ)充。