李洪力，劉安斐，竇曉晶，劉 京

(北京衛(wèi)星導航中心，北京 100094)

0 引言

衛(wèi)星導航系統(tǒng)能夠提供全天候、全天時、高精度的導航定位服務(wù)，在國防建設(shè)和國民經(jīng)濟中發(fā)揮著重要作用。衛(wèi)星導航系統(tǒng)地面站作為系統(tǒng)的核心組成部分，負責整個導航系統(tǒng)的業(yè)務(wù)運行與管理控制，其是否受到電磁干擾是制約系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素。隨著導航戰(zhàn)的推進，衛(wèi)星導航系統(tǒng)運行過程中面臨嚴峻的電磁干擾問題，對RDSS業(yè)務(wù)和RNSS業(yè)務(wù)均多次發(fā)生干擾情況，并在不同程度上對系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生影響[1-3]。同時，地面站場區(qū)電磁環(huán)境復雜，以及自身電子設(shè)備可能產(chǎn)生的電磁兼容問題，迫切需要對地面站的電磁環(huán)境進行長期監(jiān)測。該衛(wèi)星導航系統(tǒng)地面站在設(shè)計時具備一定的抗干擾能力[4-5]，但在干擾信號監(jiān)測和干擾源定位方面還缺乏有效技術(shù)手段，亟需進行相關(guān)條件建設(shè)。

為實現(xiàn)衛(wèi)星導航系統(tǒng)地面站的干擾監(jiān)測與定位，在綜合考慮滿足衛(wèi)星導航系統(tǒng)RDSS業(yè)務(wù)和RNSS業(yè)務(wù)[6-8]干擾監(jiān)測與定位需求的基礎(chǔ)上，對地面站干擾監(jiān)測與定位系統(tǒng)進行了總體設(shè)計和RDSS入站干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)、RNSS地面站場區(qū)干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)設(shè)計[9-11]，實現(xiàn)了RDSS業(yè)務(wù)入站信號的干擾監(jiān)測與定位和RNSS業(yè)務(wù)地面站場區(qū)附近復雜電磁環(huán)境的實時監(jiān)測與干擾定位，為干擾源排查與消除提供了有效技術(shù)手段，從而最大程度減小了干擾對系統(tǒng)的影響，保障了衛(wèi)星導航系統(tǒng)頻譜資源的正常使用，確保了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

衛(wèi)星導航系統(tǒng)地面站干擾監(jiān)測與定位系統(tǒng)主要由RDSS干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)和RNSS干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)2大部分組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星導航系統(tǒng)地面站干擾監(jiān)測與定位系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Satellite navigation system ground station interference monitoring and positioning system composition diagram

1.1.1 RDSS干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)

RDSS干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)負責衛(wèi)星導航系統(tǒng)RDSS業(yè)務(wù)衛(wèi)星入站信號的干擾監(jiān)測與定位[12]，主要由5臺監(jiān)測接收機(含3臺雙信道監(jiān)測接收機和2臺三信道監(jiān)測接收機)、1臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、1套頻譜監(jiān)測管理軟件和1套干擾源定位平臺軟件組成，分系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 RDSS干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)組成框圖Fig.2 RDSS interference monitoring and positioning subsystem composition diagram

雙信道(三信道)監(jiān)測接收機安裝在發(fā)射機房，接收GEO衛(wèi)星天線入站信號，完成信號的射頻處理、采樣、數(shù)字信號處理和測量；數(shù)據(jù)服務(wù)器作為數(shù)據(jù)庫運行的硬件平臺，為系統(tǒng)軟件運行和數(shù)據(jù)存儲提供資源和環(huán)境；頻譜監(jiān)測管理軟件用于控制系統(tǒng)中各監(jiān)測接收機的工作狀態(tài)，設(shè)置參數(shù)并讀取數(shù)據(jù)，同時在界面上顯示頻譜圖和信號測量結(jié)果，通過功率測量等手段實現(xiàn)干擾信號判別，觸發(fā)干擾報警，并將干噪比測量結(jié)果發(fā)送給干擾源定位平臺軟件，通過定位解算實現(xiàn)服務(wù)區(qū)內(nèi)的RDSS干擾源定位。

1.1.2 RNSS干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)

RNSS干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)負責衛(wèi)星導航系統(tǒng)RNSS業(yè)務(wù)地面站場區(qū)導航信號頻譜的干擾監(jiān)測與定位。主要由一套干擾監(jiān)測測向固定站和一套干擾監(jiān)測測向移動車組成。

(1)RNSS干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)固定站

固定站建設(shè)在衛(wèi)星導航系統(tǒng)地面站內(nèi)，全天候監(jiān)測地面站場區(qū)附近電磁環(huán)境，主要由1套測向系統(tǒng)(含測向天線和測向接收機)、1套寬帶監(jiān)測系統(tǒng)(含監(jiān)測天線和寬帶監(jiān)測接收機)、1套窄帶監(jiān)測系統(tǒng)(含監(jiān)測天線和RNSS多信道監(jiān)測接收機)、1套RNSS數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、1臺監(jiān)測操作控制終端和1套頻譜監(jiān)測管理軟件組成。固定站組成框圖如圖3所示。

圖3 RNSS干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)(固定站)組成框圖Fig.3 RNSS interference monitoring and positioning subsystem(fixed station) composition diagram

RNSS多信道監(jiān)測接收機(含1塊天線分配卡)通過4個定頻監(jiān)測信道固定監(jiān)測衛(wèi)星導航系統(tǒng)RNSS業(yè)務(wù)下行3個導航頻點及RDSS業(yè)務(wù)下行S頻點附近頻段的頻譜狀況，當發(fā)現(xiàn)周圍電磁環(huán)境異常時進行報警和分析，寬帶監(jiān)測接收機通過1個掃描監(jiān)測信道對整個監(jiān)測頻段進行掃描監(jiān)測；當發(fā)現(xiàn)干擾時，固定站測向系統(tǒng)對干擾信號進行測向，移動監(jiān)測車根據(jù)固定站測向結(jié)果指引，進行多點測向，根據(jù)多次測量結(jié)果選取一致性較好的測向結(jié)果進行干擾源定位，為使用便攜式頻譜監(jiān)測設(shè)備逼近查找干擾源的具體位置提供指引。

(2)RNSS干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)移動車

移動車主要由1套測向系統(tǒng)(含測向天線和測向接收機)、1套寬帶監(jiān)測系統(tǒng)(含寬帶監(jiān)測天線和寬帶監(jiān)測接收機)、1套監(jiān)測操作控制終端及1套頻譜監(jiān)測管理軟件組成。測向部分采用車載天線升降桿系統(tǒng)，將測向天線安裝在氣動升降桿上，當需要測向時可升高天線高度，提高測向的精度和準確度。其他附屬設(shè)備實現(xiàn)系統(tǒng)供電和聯(lián)網(wǎng)操作與控制。移動監(jiān)測車內(nèi)常備便攜式監(jiān)測測向設(shè)備，用于現(xiàn)場干擾排查。移動車組成框圖如圖4所示。

圖4 RNSS干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)(移動車)組成框圖Fig.4 RNSS interference monitoring and positioning subsystem (moving vehicle) composition diagram

1.2 分系統(tǒng)單機方案設(shè)計

1.2.1 RDSS干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)單機方案設(shè)計

(1)RDSS多信道監(jiān)測接收機

RDSS多信道監(jiān)測接收機是RDSS干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)的核心設(shè)備，可監(jiān)測衛(wèi)星導航系統(tǒng)GEO衛(wèi)星入站信號，發(fā)現(xiàn)干擾時可進行聲光報警、信號特征分析和參數(shù)測量，能夠記錄干擾信息，具有干擾頻譜回放和干擾數(shù)據(jù)提取功能。發(fā)現(xiàn)干擾時可進行信號干噪比測量，將測量結(jié)果送給RDSS干擾源定位平臺軟件進行定位解算，實現(xiàn)服務(wù)區(qū)內(nèi)的干擾源定位功能。RDSS多信道監(jiān)測接收機包括雙信道監(jiān)測接收機和三信道監(jiān)測接收機，其中雙信道接收機的2個信道是同步采樣處理的，三信道接收機在雙信道接收機的基礎(chǔ)上增加一個獨立的C/C監(jiān)測信道。

接收機的設(shè)計基于CPCI工控機平臺，主要由射頻單元、標頻單元和數(shù)字信號處理單元組成，其中射頻單元包括信道和頻合2部分，各單元采用CPCI板卡設(shè)計。天線信號首先經(jīng)過濾波和放大，對頻段內(nèi)信號進行放大，對頻段外信號進行衰減，然后經(jīng)過變頻，輸出中頻信號；中頻信號送入數(shù)字信號處理單元進行采樣、下變頻和FFT計算，計算結(jié)果經(jīng)PCI總線送給上位機，進行數(shù)據(jù)處理和信號特征測量，將測量結(jié)果和經(jīng)補償?shù)腇FT數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)端口送給監(jiān)測控制軟件。標頻單元負責時鐘的產(chǎn)生，具有外標頻輸入接口，可使用內(nèi)部或外部基準頻率源。監(jiān)測接收機原理框圖如圖5所示。

圖5 RDSS多信道監(jiān)測接收機原理框圖Fig.5 RDSS multi-channel monitoring receiver schematic diagram

(2)RDSS監(jiān)測管理軟件

RDSS監(jiān)測管理軟件是RDSS干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)的監(jiān)控軟件，主要負責對RDSS多信道監(jiān)測接收機的參數(shù)控制、實時監(jiān)測頻譜顯示、干擾報警、干擾查詢、頻譜記錄及回放等功能。采用QT5.3，VS2010進行軟件設(shè)計，具備良好的人機交互界面，主要的實現(xiàn)界面如圖6所示。

圖6 RDSS監(jiān)測管理軟件實時監(jiān)測界面Fig.6 RDSS monitoring management software real-time monitoring interface

(3)RDSS入站干擾源定位平臺軟件

RDSS入站干擾源定位平臺基于幅差法干擾源定位原理實現(xiàn)系統(tǒng)入站干擾源定位。在接收到干擾源定位指令時，根據(jù)系統(tǒng)衛(wèi)星G/T值分布數(shù)據(jù)，完成干擾源定位解算、定位結(jié)果地圖顯示和定位結(jié)果存儲，同時利用系統(tǒng)實時入站用戶定位數(shù)據(jù)修正系統(tǒng)衛(wèi)星G/T值分布，確保干擾源定位精度。

RDSS入站定位平臺軟件采用C#進行設(shè)計，操作方便，界面友好，可實現(xiàn)RDSS入站干擾源的手動和自動定位功能，并可將定位結(jié)果保存為圖片。

1.2.2 RNSS干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)單機方案設(shè)計

(1)RNSS多信道監(jiān)測接收機

RNSS多信道監(jiān)測接收機用于監(jiān)測RNSS業(yè)務(wù)下行3個導航頻點及RDSS業(yè)務(wù)下行S頻點附近頻段的頻譜狀況，當發(fā)現(xiàn)周圍電磁環(huán)境異常或出現(xiàn)干擾時進行報警、信號分析測量及干擾數(shù)據(jù)存儲，設(shè)備采用四通道并行監(jiān)測。

RNSS多信道監(jiān)測接收機結(jié)構(gòu)設(shè)計基于CPCI工控機平臺，主要由射頻單元、標頻單元及數(shù)字信號處理單元組成，其中射頻單元包括信道和頻合2部分，一個射頻單元包括2個獨立的射頻信道，各單元采用CPCI板卡設(shè)計。天線信號首先經(jīng)過濾波和放大，對監(jiān)測信號進行放大，對頻段外信號進行衰減，然后經(jīng)過變頻，輸出中頻信號；中頻信號送入數(shù)字信號處理單元進行采樣、下變頻和FFT計算，計算結(jié)果經(jīng)PCI總線送給上位機，進行數(shù)據(jù)處理和信號特征測量，將測量結(jié)果和經(jīng)補償?shù)腇FT數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)端口送給監(jiān)測控制軟件。標頻天線分配單元由2部分組成，標頻部分負責時鐘的產(chǎn)生，具有外標頻輸入接口，可使用內(nèi)部或外部基準頻率源，天線分配部分負責將天線輸入信號分配給4個獨立的監(jiān)測信道。監(jiān)測接收機原理框圖如圖7所示。

圖7 RNSS多信道監(jiān)測接收機原理框圖Fig.7 RNSS multi-channel monitoring receiver schematic diagram

(2)寬帶監(jiān)測接收機

寬帶監(jiān)測接收機是RNSS干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)的寬帶掃描監(jiān)測設(shè)備，具有完善的頻譜監(jiān)測功能。接收機主要由射頻信道單元、中頻信號處理單元、標頻單元、電源單元和遠程控制單元組成。監(jiān)測接收機原理框圖如圖8所示。

圖8 寬帶監(jiān)測接收機原理框圖Fig.8 Wideband monitoring receiver schematic diagram

(3)測向系統(tǒng)

測向系統(tǒng)由測向天線和雙通道寬帶監(jiān)測測向接收機2部分組成，是RNSS干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)固定站和移動車的核心設(shè)備。測向系統(tǒng)采用雙通道相關(guān)干涉儀測向體制，天線接收的射頻信號經(jīng)2個通道接收機進行下變頻處理后變頻為可采樣的中頻信號，經(jīng)雙通道采集卡采集，再變頻并轉(zhuǎn)換為基帶IQ數(shù)據(jù)，IQ數(shù)據(jù)經(jīng)相關(guān)運算后計算得出波的方位。

為了保證2個接收通道的相位是同步的，接收機射頻部分配置有一部校準信號源，在每次數(shù)據(jù)采集前，先將校準源打開，校準源信號送入天線陣中的天線開關(guān)，功分成2路后再由接收機接收、采集處理，測出當前頻率下2個接收通道的相位差，此相位差將作為固有誤差予以消除，以確保實際測量的空中信號方位正確。

系統(tǒng)整機由測向天線和測向接收機組成，測向接收機包括雙信道射頻前端、信號采集處理、控制單元和電源等功能單元。其中，射頻前端完成射頻信號的接收及到中頻的轉(zhuǎn)換；信號采集處理單元完成中頻信號的A/D變換與處理，以及對測向天線的控制；控制單元為嵌入式工控平臺，是整個系統(tǒng)的控制中心和測向算法實現(xiàn)單元；接收機電源負責給射頻前端和測向天線進行供電，控制單元電源負責為嵌入式工控平臺供電。系統(tǒng)框圖如圖9和圖10所示，車載測向系統(tǒng)和固定站測向系統(tǒng)相比，測向接收機完全相同，測向天線進行小型化設(shè)計。

圖9 雙通道寬帶監(jiān)測測向系統(tǒng)組成框圖Fig.9 Two-channel wideband monitoring and direction finding system composition diagram

圖10 雙通道寬帶監(jiān)測測向系統(tǒng)設(shè)計框圖Fig.10 Two-channel wideband monitoring and direction finding system design diagram

(4)RNSS監(jiān)測測向管理軟件

RNSS監(jiān)測測向管理軟件是RNSS干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)的監(jiān)控軟件，實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)測參數(shù)控制、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理和監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲等功能。軟件設(shè)計采用C/S架構(gòu)，采用Oracle數(shù)據(jù)庫進行監(jiān)測數(shù)據(jù)管理，功能強大、可靠性高、操作界面友好，支持設(shè)備參數(shù)控制、實時頻譜顯示、測向結(jié)果顯示、地圖顯示、頻譜回放、報表生成以及離線分析等功能[13-14]。軟件實現(xiàn)界面如圖11所示。

圖11 RNSS監(jiān)測測向管理軟件實現(xiàn)界面Fig.11 RNSS monitoring and direction finding management software implementation interface

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于同星雙波束入站干噪比差值的幅差法干擾源定位技術(shù)

RDSS系統(tǒng)衛(wèi)星工作于地球靜止軌道，每顆星采用雙波束入站，每個波束覆蓋區(qū)內(nèi)各點發(fā)射的上行L信號到達星上天線時對應(yīng)的G/T值不同，且同一個G/T值對應(yīng)地面一條閉合曲線[15-17]，離波束中心越遠閉合曲線對應(yīng)的G/T值越小。與波束覆蓋區(qū)特性對應(yīng)，每顆衛(wèi)星2個波束G/T差值也呈現(xiàn)類似分布關(guān)系，即2個波束G/T差值相等的點分布在一條閉合曲線上(稱為等差值曲線)，而地面控制站接收到的兩波束間干噪比(J/N0)差值與該G/T差值存在直接關(guān)系[18]。

若系統(tǒng)同一顆衛(wèi)星的各波束下行頻點接近，同時地面天線、低噪聲場放等射頻接收設(shè)備采用多頻點共用模式，則可認為空間路徑損耗和設(shè)備增益、損耗基本相同，此時地面控制站接收到的任意2個波束間的干噪比(J/N0)差值只與衛(wèi)星對應(yīng)2個上行接收天線的G/T值差值有關(guān)，具體關(guān)系推導如下。

以1個波束為例，干擾信號經(jīng)衛(wèi)星上行鏈路到達衛(wèi)星接收天線的干噪比[J/N0]u為：

[J/N0]u=[EIRP]J-[L]u+[G/T]s-[k]。

經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)通過下行鏈路到達地面控制站低噪聲場放的干噪比[J/N0]d為：

[J/N0]d=[EIRP]s-[L]d+[G/T]e-[k]，

[EIRP]s=[EIRP]J-[L]u+[G]R+[G]tran+[G]T，

式中，EIRPJ為干擾源發(fā)射的等效全向輻射功率；EIRPs為衛(wèi)星發(fā)射的等效全向輻射功率；Lu，Ld分別為干擾源到衛(wèi)星、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器到地面站天線的自由空間損耗；[G/T]s，[G/T]e為星上接收天線和地面接收天線的品質(zhì)因數(shù)；k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23；GR，Gtran，GT分別為星上接收天線增益、轉(zhuǎn)發(fā)器增益和星上發(fā)射天線增益；中心控制系統(tǒng)地面接收到的總干噪比[J/N0]sum可根據(jù)上下行干噪比計算得出：

通常星上轉(zhuǎn)發(fā)器增益比上行接收信號強度高出多個數(shù)量級，由上式可得[J/N0]sum主要取決于[J/N0]u，可認為[J/N0]sum≈[J/N0]u。因此，對于同一顆衛(wèi)星的任意2個波束有：

而星上各個波束接收天線距離很近，可以認為干擾信號經(jīng)任意2個入站波束的上行鏈路損耗相同即Lu1=Lu2，則有2個波束的入站干噪比差值等于2個波束接收天線G/T差值，即：

Δ[J/N0]sum12=Δ[G/T]s12。

因此，可以認為地面干擾源通過同星2個波束入站的干噪比差值對應(yīng)地面一條等差值(G/T差值)曲線，可根據(jù)同星2個波束間的干噪比差值進行干擾源定位：當只有一顆星的2個入站波束接收到干擾時，可將干擾源定位在波束間G/T差值曲線上；若多顆星的所有波束均同時接收到干擾，則可將干擾源定位在多星G/T差值曲線的交點處，定位示意如圖12所示。

圖12 幅差法干擾源定位示意Fig.12 Amplitude difference interference source positioning method schematic diagram

2.2 “相位相關(guān)+電平相關(guān)”聯(lián)合測向技術(shù)

傳統(tǒng)的相關(guān)干涉儀測向技術(shù)[19]主要利用各陣子之間的相位差信息，與樣本庫中的相位樣本數(shù)據(jù)進行比較，通過相關(guān)運算，獲得來波方向信息。但是在城市環(huán)境下，由于存在建筑物的信號遮擋與反射，對相位測量影響很大，導致測向系統(tǒng)性能下降，表現(xiàn)為測向質(zhì)量差或測向結(jié)果跳動大。

本方案采用無源雙極化相關(guān)干涉儀測向技術(shù)[20]，并通過“相位相關(guān)+電平相關(guān)”聯(lián)合模式完成測向，綜合利用測向天線多元陣子間的電平和相位信息，充分發(fā)揮電平相關(guān)抗多徑能力好、相位相關(guān)測向精度高的優(yōu)點。首先依據(jù)電平相關(guān)結(jié)果獲得來波比較粗略的方向范圍，然后在粗選的范圍內(nèi)利用相位相關(guān)的結(jié)果搜索來波方向，獲得更為精確的結(jié)果，極大地克服了城市環(huán)境下建筑物信號遮擋與反射影響單一相位測量結(jié)果而導致的測向質(zhì)量差或測向跳動大等問題。

本方案采用9元陣測向天線，中央?yún)⒖缄囎訛殡p錐全向陣子，四周采樣天線采用的雙極化扇形天線陣子具有一定的方向性，如圖13所示。當來波方向如圖13所示時，陣子3和4接收信號較強，陣子7和8接收信號較弱，每個采樣陣子的電平測量結(jié)果都存在差異，因此電平分布也包含了來波方向信息。與相位相關(guān)類似，采樣時將每個采樣陣子與參考陣子的電平差也存儲在樣本庫中，進行干擾源測向時，將測量獲得的9個陣子電平信息與樣本庫中的電平樣本做相關(guān)運算，獲得電平相關(guān)的測向結(jié)果。

圖13 “相位相關(guān)+電平相關(guān)”聯(lián)合測向示意Fig.13 “Phase correlation + level correlation”joint direction finding schematic diagram

測向系統(tǒng)聯(lián)合利用“相位相關(guān)和電平相關(guān)”結(jié)果，進行聯(lián)合測向，結(jié)合電平相關(guān)抗多徑能力好、相位相關(guān)測向精度高的優(yōu)點，首先由電平相關(guān)結(jié)果獲得來波比較粗略的方向范圍，然后在初選的范圍內(nèi)利用相位相關(guān)的結(jié)果搜索來波方向，可充分發(fā)揮二者的優(yōu)點。

3 結(jié)束語

本文進行了衛(wèi)星導航系統(tǒng)地面站干擾監(jiān)測與定位系統(tǒng)總體方案及RDSS入站、RNSS場區(qū)干擾監(jiān)測與定位分系統(tǒng)方案設(shè)計，實現(xiàn)了衛(wèi)星導航系統(tǒng)地面站干擾監(jiān)測與定位系統(tǒng)建設(shè)，為衛(wèi)星導航系統(tǒng)干擾源排查與消除提供了有效技術(shù)手段。設(shè)計成果已成功應(yīng)用于我國衛(wèi)星導航系統(tǒng)，在保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行和服務(wù)質(zhì)量方面發(fā)揮了重要作用。隨著未來電磁環(huán)境日益復雜，其成果可推廣應(yīng)用于其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)和我國下一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，應(yīng)用前景廣闊。