基于微纳卫星的电磁频谱监测系统技术

基于微纳卫星的电磁频谱监测系统技术 

苏 抗１，２，马 琴１，朱伟强１，杨佳敏１，赵巾卫１ 

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

摘要 ：针对地基电磁频谱监测设备地域覆盖面积小 、辐射源定位精度低等应用短板 ，提 出了一种基于低轨微纳星座的星地联合电磁频谱监测技术 ，通过星间 、星地的协同工作 ，能够 以较低代价实现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 ，经仿真分析 ，监测范围 、定位精度相比地面监测设备实现了数量级的提升 。最 后 ，设计了 １５ kg 量级电磁频谱监测立方星方案 ，为军民融合推广应用奠定了技术基础 。 

关键词 ：微纳卫星 ；电磁频谱监测 ；多星协同 ；星地协同 ；定位 中图分类号 ：TN９７ 文献标识码 ：

A Micro‐satellite based electromagnetic spectrum detection system technologies Su Kang １ ，２ ，Ma Qin １ ，Zhu Weiqiang １ ，Yang Jiamin １ ，Zhao Jinwei １ （１ ．No ．８５１１ Research Institute of CASIC ，Nanjing ２１０００７ ，Jiangsu ，China ；２ ．School of Information Science and Engineering ，Southeast University ， Nanjing ２１００９６ ，Jiangsu ，China） Abstract ：Ground electromagnetic spectrum detection has shortcomings in detection distance and radiation location accuracy ．Micro‐satellite based space‐ground coordination electromagnetic spectrum detection technol‐ ogies are proposed for large‐area dynamic detection and quick radiation location application ．According to the simulation results ，micro‐satellite based electromagnetic spectrum detection coverage area and radiation loca‐ tion accuracy are improved obviously ，compared to ground electromagnetic spectrum detection ．Finally ，an elec‐ tromagnetic spectrum detection cube‐satellite is designed for civil‐military integration application ． Key words ：micro‐satellite ；electromagnetic spectrum detection ；space‐ground coordination ；radiation location.

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 。

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 。

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 。

3 ．3 多星时频差定位技术 

在既可测得信号时差 、又可测得信号频差的情况 下 ，还可进一步联立时差与频差定位方程 ，实现时频差 定位 。

图 ５ 频率 ２２５ M Hz 、带宽 ２５ kHz 辐射源三星协同定位精度

图 ６ 频率 ３ GHz 、带宽 ２ M Hz 辐射源三星协同定位精度

图 ７ 频率 ２２５ M Hz 、带宽 ２５ kHz 辐射源四星协同定位精度

图 ８ 频率 ３ GHz 、带宽 ２ M Hz 辐射源四星协同定位精度

图 ５ ～ ８ 给出了 ４ 种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 。在三星协同定位的条件下 ，针对频率 ２２５ M Hz 、 带宽 ２５ kHz 的辐射源信号 ，受限于时差测量精度 ，微 纳星座在星下点 ± ２０００ km 绝大多数范围内定位精度 １ ．５ ～ ６ km（C ．E ．P） ；针对频率 ３ GHz 、带宽 ２ M Hz 的 辐射源信号 ，虽然频差测量精度有所下降 ，但是时差测 量精度显著提升 ，微纳星座在星下点 ± ２０００ km 绝大 多数范围内定位精度为 ０ ．６ ～ ３ km（C ．E ．P） 。随着能够参与定位的微纳卫星数量增加 ，在仿真 场景下四星协同定位精度进一步提升 ，优于三星协同定位精度 。当然 ，多星协同定位精度与参与定位微纳 卫星构成的几何构型紧密关联 ，在一些情况下 ，将会有 一定范围的定位盲区存在 ，如图 ７ 所示 。

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 。

图 ９ 频率 ２２５ M Hz 、带宽 ２５ kHz 辐射源单星星地协 同定位精度

图１０ 频率 ２２５ M Hz 、带宽 ２５ kHz 辐射源双星星地 协同定位精度

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 。 

图 １１ 微纳电磁频谱监测立方星组成

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 。

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原文始发于微信公众号（太空安全）：基于微纳卫星的电磁频谱监测系统技术