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HawkEye 360天基無線電監測系統介紹

【字體: 2019年04月24日 10:12 來源:中國無線電管理網 作者:國家無線電監測中心深圳站 郝才勇

1. HawkEye 360簡介

HawkEye 360(鷹眼360)是一家無線電數據分析公司,成立于2015年9月,位于美國弗吉尼亞州。HawkEye 360公司正在建設和運營全球第一個基于無線電信號測繪技術的商業低軌道星座系統,通過在全球范圍內采集特定的無線電上行發射信號,實現高精度無線電測繪和上行射頻信號定位。該公司已于2018年12月份發射了首批三顆衛星組成的星座編隊,每隔四到六個小時測量一次無線電的使用情況。目前正在進行監測和定位性能測試,并將在2019年發射另外的三顆衛星。

HawkEye 360的目的是利用從衛星軌道上監測和定位無線電信號建立地球的無線電地理數據層,為用戶提供特定領域的數據分析報告。例如,定位可疑船只的位置,跟蹤船只航線,了解并評估目標船只的行為;幫助無線電用戶排除通信系統中的干擾信號;通過識別和定位遇險信號,協助應急搜救工作;深入了解無線電頻譜在全球的實際使用情況。

HawkEye 360 公司于2019年2月底調試了首批發射的衛星星座(名稱為探路者Pathfinder),并開始對地面的上行發射信號進行地理定位測試。早期測試結果證明了該系統對船舶上的AIS信號和海事雷達信號的成功定位。

2. 星座系統

HawkEye 360計劃在低軌道上部署小型衛星星座系統來監測和定位射頻信號,利用采集的信號提供數據分析產品和服務,為特定應用提供頻譜感知基礎服務。圖1為HawkEye 360天基監測系統的結構示意圖。

天基監測衛星系統的具體情況如下:

·整個系統計劃由18顆衛星組成,分為6個編隊,每個編隊包括3顆小衛星。

·衛星位于圓形太陽同步軌道,軌道高度為575 km,衛星傾角在97~98度之間。

·每組衛星編隊(3顆衛星)可在軌道上實現獨立的上行信號定位。

·每顆衛星的重量為15kg,衛星尺寸為40 x 27 x 20 cm.

·目前可監測的信號頻率范圍為144MHz~6GHz(未來可擴展到Ku頻段)。

·每顆衛星都配備了軟件定義的無線電(SDR)系統。

·該系統的主要功能是頻譜測繪、信號源定位和應急通信。

圖1. HawkEye 360天基監測系統結構示意圖(來源:HawkEye 360)

為了實現對地面的上行發射信號定位,HawkEye 360系統采用了衛星編隊的方法。由三顆衛星組成一組編隊,衛星在軌道上飛行的過程中,衛星之間的間距保持在125-250km。當三顆衛星中的任意兩顆衛星在目標發射源的可視范圍內時,可通過時頻差測量(TDOA/FDOA)的方法對該信號進行定位。

HawkEye360未來計劃將繼續擴展星座的大小,以便將信號的重訪率提高到半小時,從而實現近乎實時的全球覆蓋。

3. 應用場景

3.1 海事船舶監控

自動識別系統(AIS)強制安裝在300噸以上的商用船舶,并且也廣泛用于較小的船舶。AIS使用兩個VHF頻率(161.975MHz和162.025MHz),用于廣播船只的GPS位置信息。但是,由于各種原因(如非法捕魚、販毒、走私、武器販賣等),操作員可以關閉船舶上的AIS系統,或篡改GPS位置信息,從而斷開外界的位置跟蹤。

利用天基監測系統定位目標發射的無線電信號,對發射對象的行為進行分析,可用于海事船舶活動的監測。天基監測系統可獨立地對船舶上的AIS廣播信號進行定位,不依賴其GPS信息,確定其真實位置,以幫助支持合法的捕魚或運輸行為,并識別非法活動的船只。

除了AIS之外,還可以定位其他的無線電信號。天基監測系統能夠對許多不同類型的信號和頻率的發射源進行定位。例如來自船舶的導航雷達或衛星通信信號,從而動態跟蹤船舶的位置。圖2為HawkEye 360的衛星系統定位船舶的位置并跟蹤非法運行的船只。

圖2. 定位跟蹤非法運行的船只(來源:HawkEye 360)

3.2 干擾信號定位

快速有效地識別和定位射頻干擾對于確保頻譜的可持續性和安全性至關重要。確定干擾源的位置和來源的現有方法所付出的代價可能很高,并且通常需要很長時間才能定位精確的位置。HawkEye 360通過開發具有高重訪率和低延遲的監測衛星來應對日益增長的通信干擾問題。

圖3為HawkEye 360對AIS廣播信號(頻率約為162MHz)進行TDOA/FDOA測量的定位測試,識別了526艘船只。圖4為HawkEye 360對X頻段船載海事雷達信號進行定位測試,成功定位了該區域的9艘船只。

圖3. 對船舶AIS信號的定位測試(來源:HawkEye 360)

圖4. 對船載X頻段雷達信號的定位測試(來源:HawkEye 360)

HawkEye 360通過天基系統監測特定地理區域的上行信號,識別通信干擾來源并定位干擾源,最終希望建立一個全自動的無線電信號定位系統,該系統將使用機器學習技術識別干擾源并做出響應。

3.3 頻譜測繪

無線電頻譜是一種擁擠、競爭激烈的有限資源。理解和可視化無線電頻譜使用情況對于決定未來的頻譜分配和使用至關重要。頻譜共享使用等概念可根據頻譜的實際需求和可用性快速的變化。這些系統需要特殊的工具和數據才能在動態頻譜環境中有效運行。用于管理這些動態頻譜使用情況的新工具通常利用基于地面的無線電監測傳感系統,但是地面監測系統具有非常有限的覆蓋范圍和很高的運營成本。

HawkEye 360的頻譜監測方法本質上是將有限的地面無線電監測傳感系統移入到衛星軌道。衛星平臺用于采集直徑在數百公里區域中的射頻信號信息。從而可以提供經濟、快速的頻譜使用數據的服務。圖5為頻譜測繪示意圖。

圖5. 頻譜測繪示意圖(來源:HawkEye 360)

HawkEye 360利用星載軟件定義無線電(SDR)系統來實現信號監測,隨著技術的變化,衛星可以定期更新。HawkEye 360采集必要的信號信息,以近乎實時地可視化無線電頻譜的實際使用情況。這些數據可用于繪制全球頻譜地圖,向政府監管機構提供準確且具有成本效益的頻譜使用數據。頻譜測繪最終可以使頻譜使用更加動態,實現更廣泛、快速地頻譜共享政策。

4 信號定位技術

4.1定位算法

HawkEye 360對信號定位主要采用時頻差(TDOA/FDOA)定位技術,對于微弱信號采用盲相干累計的輔助定位方法。

(1)TDOA/FDOA定位原理

為了實現TDOA/FDOA定位,必須采用衛星編隊飛行集群。對于一組編隊中的三顆衛星,每顆衛星到地面發射源的距離不同,并且每顆衛星到發射源徑向的速度分量不同。比較不同的衛星和發射源之間的到達時間(TOA)和到達頻率(FOA)值,可以得到三組TDOA/FDOA,從而計算出發射源的位置。圖6為TDOA/FDOA定位示意圖。衛星上的GPS接收器提供衛星位置和速度的精確值,并提供不同衛星的精確時鐘同步。

為了完全在軌道上實現定位計算,必須在衛星之間交換測量數據,以便所有衛星的信號時頻差測量值都集中到進行定位計算的一顆衛星上。因此,衛星編隊必須采用星間鏈路,HawkEye 360采用的星間鏈路頻率為2.41GHz。

圖6. TDOA/FDOA定位

(2)盲相干累計(BCI)原理

盲目相干累計是通過計算發射源的能量密度分布來確定干擾源的位置。通過時間積累能夠產生顯著的處理增益,對于信噪比太低而無法使用傳統TDOA和FDOA技術處理的信號特別有效。

BCI利用從多個候選位置發射的信號能量測量來生成地理區域的能量分布,將潛在區域中的能量密度最高的候選位置作為目標信號發射源的實際位置。圖7為盲相干累計定位示意圖。

圖7. 盲相干累計定位

4.2 定位條件

需要定位的目標信號是多種多樣的,具有不同的頻率、帶寬、發射功率、調制方式等。但是,并非所有發射信號都可采用天基系統進行定位。

信號的鏈路預算將決定其定位的可行性。具體來說,對于特定的信號,要求衛星接收的信號載噪比必須超過一定的閾值。而載噪比將取決于信號發射的EIRP值和信號頻率,并且還依賴于衛星上所使用的有效載荷天線特性。 此外,載噪比也會影響定位精度。

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