基于天基的无线电信号监测系统应用研究

门铂 

宁夏无委办中卫市管理处  755000

摘  要：本文介绍了宁夏中卫无线电管理部门参与研究实践的基于天基的无线电信号监测系统示范应用项目，探索了卫星无线电信号监测系统与地面监测传感器开展联合应用，在地面构建各类天地一体化的无线电信号监测系统，实现对地面无线电信号星地联合时差测向定位等功能，为研究天地一体化无线电监测系统提供应用示范。

关键词：天基  无线电监测  时差测向 

0引言

天基无线电信号监测系统是基于不同轨道、业务和功能的卫星、航空器平台及地面无线电监测基础设施等无线电信号采集平台，将空间信号的采集、传输、处理和地面信号采集、处理功能交互融合，实现天地一体化无线电监测系统的集成、频谱监测、信号定位，等功能的一种高效无线电监管手段。

2017年，宁夏开展“天地一体化无线电信号监测系统”重大专项建设，开展了多颗电磁频谱监测卫星的空间部署和地面业务运控与数据接收系统的建设工作，项目成果开始为相关行业提供各类数据产品和应用服务。基于该重大专项建设，宁夏无线电管理办公室与地方政府联合组织实施了“基于天基的无线电信号监测系统示范应用项目”，建设了天基监测卫星的数据采集系统、地面监测传感器系统及联合定位系统，对低轨卫星数据与地面无线电监测数据开展联合应用研究，实现对无线电信号的频谱监测、信号源定位。

该项目创新采用“星地联合监测定位”数据应用模式，探索实践了低轨卫星数据在无线电监测管理行业创新应用的新领域。随着监测卫星数量增加，系统功能和性能将得到不断增强，监测数据应用系统示范为无线电监测新手段推广提供支持，为地区大数据产业发展注入新鲜活力。

1 基于天基的无线电信号监测系统构架

基于天基的无线电信号监测是利用具备无线电信号采集设备的商业星座系统，通过在天基平台采集无线电管理部门关注的无线电发射信号，实现无线电频谱监测和无线电信号的定位。运用某在轨运行的1组卫星实现了局部区域天基无线电信号监测系统卫星监测网的初步构成。该系统可以实现在卫星轨道上监测无线电数据信号，定位无线电信号，跟踪船只位置，协助应急救援，分析无线电频率资源使用等功能。

1.1系统组成

天基无线电信号监测数据应用示范系统由天基监测信号采集处理系统、地面监测与采集系统、联合定位系统、管理系统（系统运控与管理、数据管理）、综合显控系统、传输系统和时统设备等部分组成。天基无线电监测系统组成如图1所示。

图1 天基无线电监测系统组成图

其中天基监测信号采集处理系统，用于接收监测卫星下行信号，对卫星下行信号进行变频、采集、信道化处理和时间同步等工作，把采集处理的信号传输给数据管理系统。地面监测与采样系统对地面目标信号进行监测和测向，完成对监测信号的变频、采集、信道化和测向等工作，将信道化数据和测向结果传给数据管理系统。联合定位系统从数据管理系统中提取卫星下行数据和地面监测测向数据进行同步检测，并提取两路信号的到达时间差，利用测向结果和时差测量结果完成对干扰源的联合定位。

1.2天基监测

无线电频谱是一种拥挤、竞争激烈的有限资源。全面掌握无线电频谱使用情况对于决定未来的频谱分配和使用至关重要。基于天基的频谱监测方法本质上是将地面无线电监测系统移入到卫星轨道，卫星平台可以监测并采集直径在数百公里区域中的无线电信号信息，并随着卫星星座的组网，可实现更大范围覆盖。

天基监测信号采集处理设备主要完成天基监测信号变频、采集、信道化功能，变频单元主要用于实现射频信号的接入、下变频及放大功能；采集单元用于实现1路或者2路信号的模数转换；信道化处理及存储单元用于实现接收宽带信号的信道化处理，同时根据要求将处理结果保存在磁盘中或者通过以太网传输给后续处理设备，进一步应用。

1.3信号定位及原理

在实际应用中，快速有效地识别和测定信号位置，是维护无线电通信秩序和安全，排查不明信号或干扰源的重要技术手段。在保证定位精度的前提下，基于天基的无线电信号定位手段，将很好的解决地面监测难度大、查找时间长、付出代价高的信号定位困难。基于天基的无线电信号定位原理如图2所示。

图2基于天基的时差测向定位原理图

由上图可见，由于辐射源到卫星和地面监测设备距离不同，卫星载荷和地面监测设备分别接收和采集到的辐射源信号存在时差。利用相关技术可精确提取该时差。由解析几何可知，与空间2个定点距离之差为定值的点描述了一个圆锥曲面，忽略辐射源高程的情况下，该圆锥曲面与大地椭球面存在一条交线，称为时差线。地面监测设备具备辐射源测向功能，可提供干扰源相对于测向天线的方位角，即可得到测向线。测向线与时差线焦点即为辐射源位置。

由于两个参数在信号传播和转发过程中同时产生，因此通常采用时频分析方法实现参数的联合估计。当前用于时频分析的方法很多，如短时傅里叶变换（STFT）、维格纳-威利分布（WV）、Gabor展开、小波变换等，这里不做阐述。

2天基无线电信号监测系统应用研究

卫星平台进入预定轨道后，各项指标测试合格，可以满足该项目开展实际应用的条件，地面卫星数据接收设备、时统设备、信号处理设备等硬件设施及软件经现场安装调试，系统各项功能正常。按照应用研究要求，这里主要介绍无线电监测和信号定位两项功能应用。

2.1无线电监测应用研究

天基无线电信号监测系统使用1组非静止卫星进行频谱数据采集，采集完成后数据回传到地面站，再使用专用软件对频谱数据进行解析与分析。卫星过境时能够采集地面上一定频段范围内的信号频谱数据，通过采集频谱数据实现无线电信号监测。典型的信号频谱图如图3所示。

图3典型的信号频谱图

2.2信号定位应用研究

信号定位采用星地联合时差测向组合的模式。目标上行信号被地面接收站接收，同时被卫星接收，目标信号到卫星与到地面站两条链路之间存在时间差，通过对同时采集的地面信号数据与卫星信号数据进行相关处理，得到时差。采集数据时的卫星位置已知，地面接收站位置已知，通过计算能够在地面得到一条时差线。同时使用超短波测向站对目标信号进行测向，得到一条测向线，测向线与时差线交汇的位置即为目标位置。同时使用已知位置的模拟发射源信号，对系统误差进行修正。典型定位效果示意图如图4所示。

图4典型定位效果示意图

3结束语

本文介绍了宁夏中卫无线电管理部门参与研究的基于天基的无线电信号监测系统项目的情况，对基于天基的无线电监测系统模型、信号处理原理、定位原理等进行了阐述，对基于天基的无线电监测和天地一体化的联合定位进行了研究示范，获得了具有实际意义的典型数据，形成了具有指导作用的应用示范，为下一步推动天基大数据在无线电频率规划、无线电在用情况普查、信号定位等方面的实践和推广应用提供了重要借鉴。

参考文献

[1] 宋娜，刘群.天基信息系统体系结构与建设发展 ［C］〃中国电子学会电子系统工程分会第七届信息化工程与技术学术研讨会论文集，2010:226-228.

[2] 秦国政，付俊明，武超.天地一体化网络体系的仿真 构架［C］〃天地一体化信息网络论文集，2013： 347-356.

[3]周红彬，肖永伟，卢山.天基信息系统一体化发展与启示[J].无线电工程,2015,45(4) ：12-15,24.

作者信息：

姓名：门铂

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工作单位：宁夏回族自治区无线电管理委员会办公室中卫市管理处

通信地址：宁夏中卫市沙坡头区应理南街67号

职称：副高级

职务：副站长

项目来源：《基于天基的无线电信号监测系统示范应用项目》项目