基于微纳卫星的电磁频谱监测系统技术

苏 抗，马 琴，朱伟强，杨佳敏，赵巾卫

(1.中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007;2.东南大学信息与工程学院，江苏 南京 210096)

0 引言

电磁频谱是现代社会不可或缺的重要战略资源，随着电子信息技术的不断进步、广泛应用，电磁频谱资源的稀缺性日益凸显。目前世界各国均设立了电磁频谱监管机构，以便更为合理、有效地对其进行规划、监测、管理。电磁频谱管理直接关系到社会经济、国家安全等诸多方面，特别是在航空、水运、高铁等交通运输专用频率秩序维护以及要地防护、活动保障、反恐维稳等任务电磁频谱安全保障领域，发挥着非常重要的作用，具有重大意义。大范围、高密度电磁频谱应用需求与严格受限电磁频谱资源之间的矛盾，使得电磁频谱应用空间越来越广泛、应用方式越来越复杂多样。针对日趋广阔的监测区域需求以及日益复杂的电磁环境适应性需求，以地基设备为核心的现有电磁频谱监测体系，受限于观测视距以及信号多径等诸多因素影响，在广域频谱监测、精确辐射源定位等方面的短板显著，已难以满足实际应用需求。特别是对干扰源、非法用频终端等辐射源的快速查找，目前已经成为困扰电磁频谱监管的重要难题，现有以地基设备为核心的电磁频谱监测设备，通常仅能在10～100 km量级的监测区域内、提供5～10 km(C.E.P)的辐射源定位精度，在这种情况下，想在高楼密布的城市中快速找到干扰源、非法用频终端等辐射源几乎无法实现，导致实际工作中需要付出大量的人力和时间详细排查，效率低下。近年来迅速发展的微纳卫星技术为电磁频率监测应用提供了新的解决方案。微纳卫星具备高集成度、低费效比、短研制周期等特点，通过一箭多星或搭载的发射方式，构建低轨微纳电磁频谱监测星座，利用卫星平台的高度优势，多星协同工作、星地联合处理，可实现大范围、全天候、宽频段、长时间的电磁频谱连续监测以及干扰源、非法用频终端的快速精确定位，显著提升电磁频谱态势感知效能，弥补现有监测体系能力不足，服务于无线电管理委员会等电磁频谱监管机构的工作任务，满足军民融合应用需求。

1 系统方案

基于微纳卫星的电磁频谱监测系统由低轨电磁频谱监测微纳星座与地面处理中心构成，如图1所示。低轨星座由分布在不同轨道面上的电磁频谱监测微纳卫星组成，具备广域辐射源信号的检测采样能力，监测结果通过星地链路传输至地面处理中心，在地面进行信号的参数测量与干扰源、非法用频终端的定位，通过星地协同的方式，最大程度降低微纳卫星的设计复杂度。同时，微纳星座还具备多星之间的、以及星地之间的时频同步能力，以满足多星协同工作、星地联合处理的任务执行需求。

图1 基于微纳卫星的电磁频谱监测系统组成

2 微纳卫星星座设计

以全境电磁频谱监测为重点，兼顾全球电磁频谱态势感知任务，开展低轨电磁频谱监测微纳星座设计。考虑到微纳卫星一箭多星发射与搭载发射相结合的特点，微纳星座拟采用倾斜圆轨道与太阳同步轨道结合的混合轨道方案；考虑到微纳卫星大量采用COTS器件环境适应性相对较弱、距离辐射源距离较远灵敏度要求较高等特点，微纳星座拟选择500 km轨道高度。表1给出了一种可能的微纳星座设计方案。电磁频谱监测星座由100颗微纳卫星组成，微纳卫星均匀分布在5个轨道面(3个倾斜圆轨道面与2个太阳同步轨道面)，每个轨道面20颗，形成Walker星座,如图2所示。

表1 微纳混合星座构型设计方案

图2 100星星座构型示意图

图3 星座时间覆盖率随纬度变化曲线

图4 全球不同维度区域多颗微纳卫星覆盖情况

在电磁频谱监测载荷视场角分别为±45°、±55°、±68°(与地球相切)的情况下，图3给出了设计星座对不同维度区域的时间覆盖率仿真结果。设计方案具备全球广域电磁频谱监测能力，在载荷视场角±68°的情况下，系统能够对全球大部分纬度区域实现近100%的实时覆盖。在载荷视场角±68°的情况下，微纳星座对全球不同维度区域的多星覆盖情况如图4所示，其中横轴为纬度，纵轴为具备对该维度辐射源信号检测采样的微纳卫星数量。设计方案对全球不同维度区域均具备多星协同监测能力，针对不同维度的辐射源，能够参与协同监测的微纳卫星平均数量为3～5颗，最大数量为5～9颗。可见在500 km轨道高度部署约100颗微纳卫星，即可实现全球广域的电磁频谱监测，连续地、近实时地获取动态频谱态势；具备较高的多星协同工作时间窗口，满足多星协同工作、星地联合处理的辐射源定位需求。

3 多星协同辐射源定位技术

在电磁频谱监管工作中，面对的干扰源、非法用频终端等辐射源信号样式差异明显，既有宽带信号、也有窄带信号。为了满足不同类型辐射源信号的定位需求，系统设计时差、频差、时频差等3种多星协同定位体制。

3.1 多星时差定位技术

多星时差定位更适用于宽带辐射源信号的场景。多星时差定位是通过测量三个或三个以上接收设备采集的信号到达时间差来对辐射源定位。由于地面辐射源信号到达不同卫星的路径长度不同，卫星接收的目标辐射源信号到达时间不同，将产生到达时间差TDOA。时差TDOA和目标位置、卫星位置有关，当卫星位置已知时，通过测量时差可解得目标位置 。假设目标位置为X=[xyz]T，主星位置为X0=[x0y0z0]T，副星i的位置为Xi=[xiyizi]T(i=1,…,P)，辐射源信号到达主星与副星的时间差为Δti，则时差与目标位置、卫星位置的关系可表示为：

式中，c为电磁波传播速度。对上述方程组进行求解，即可得到辐射源的位置。3.2 多星频差定位技术多星频差定位更适用于窄带辐射源信号的场景。多星频差定位是通过测量三个或三个以上接收设备采集的信号到达频率差来对辐射源定位。由于地面辐射源信号到达不同卫星的相对速度不同，卫星接收的目标辐射源信号到达频率不同，将产生到达频率差FDOA。频差FDOA和目标位置、卫星位置与速度有关，当卫星位置与速度已知时，通过测量频差可解得目标位置。假设目标位置为X=[xyz]T、速度为0，主星位置为X0=[x0y0z0]T、速度V0=[vx0vy0vz0]T，副星i的位置为Xi=[xiyizi]T、速度Vi=[vxivyivzi]T(i=1,…,P)，辐射源信号到达主星与副星的频率差为Δfi，则时差与目标位置、卫星位置的关系可表示为：

图5 频率225 MHz、带宽25 kHz辐射源三星协同定位精度

图6 频率3 GHz、带宽2 MHz辐射源三星协同定位精度

图8 频率3 GHz、带宽2 MHz辐射源四星协同定位精度

图9 频率225 MHz、带宽25 kHz辐射源单星星地协同定位精度

图10 频率225 MHz、带宽25 kHz辐射源双星星地协同定位精度

图11 微纳电磁频谱监测立方星组成

4 星地协同辐射源定位技术

通过多星协同定位的方式， 能够在广泛范围内实现0.6～6 km(C.E.P)的定位精度，实现干扰源、非法用频终端等辐射源的快速感知，但是定位精度任然难以满足在城市中快速找到辐射源的目的。在多星协同完成辐射源初步定位的基础上，采用星地协同定位方法，可以进一步提升有限范围内的辐射源定位精度，显著提升电磁频谱监管效能。星地协同定位的核心思想是：采用“地面近距离测向+星地联合时差/频差”的定位体制，在地面观测设备附近范围实现辐射源的高精度定位。在地面观测设备测角精度0.5°的条件下，图9、图10给出了典型场景下的干扰源、非法用频终端等辐射源定位精度仿真结果。星地协同定位能够在地面观测设备附近±10 km范围内，实现100 m量级的辐射源定位，快速将辐射源定位到小区、甚至楼宇范围，使得在城市中快速找到干扰源、非法用频终端等辐射源成为可能。5 微纳电磁频谱监测卫星技术

微纳电磁频谱监测卫星采样立方星(CubeSat)规范设计，具备小型化、易集成化、低成本、快发射等突出优点。整星组成如图11所示，单星质量小于15 kg。为了实现宽带、高灵敏度电磁频谱监测载荷的轻小型化设计，微波模块采用微组装工艺集成3D封装芯片和裸芯片结合的设计方案，数字模块采用高集成度FPGA和DSP结合的SIP设计方案，显著降低了载荷的质量、功耗、体积。此外，基于COTS器件的电磁频谱监测载荷还具备功能可重构能力，通过有限资源的分时复用，能够执行宽频段电磁频谱监测以及指定干扰源、 非法用频终端等辐射源定位任务。

6 结束语

微纳卫星电磁频谱监测系统通过100颗15 kg量级、基于COTS器件的电磁频谱监测立方星构成星座，采用多星协同工作、星地联合处理的方式，以较低代价实现了广域电磁频谱态势的连续、动态感知，以及干扰源、非法用频终端等辐射源的快速、精确定位。与地基电磁频谱监测设备相比，其监测范围、定位精度均实现了数量级的提升，有效弥补了现有监测体系在广域频谱监测、精确辐射源定位等方面的短板，通过更为高效、精确的感知，为电磁频谱使用规划提供全面支撑，为电磁频谱管理执行提供高效保障，在社会经济、国家安全等诸多方面，具备广阔应用前景。■