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HawkEye 360天基无线电监测系统介绍

【字体: 2019年04月24日 10:12 来源:中国无线电管理网 作者:国家无线电监测中心深圳站 郝才勇

1. HawkEye 360简介

HawkEye 360(鹰眼360)是一家无线电数据分析公司,成立于2015年9月,位于美国弗吉尼亚州。HawkEye 360公司正在建设和运营全球第一个基于无线电信号测绘技术的商业低轨道星座系统,通过在全球范围内采集特定的无线电上行发射信号,实现高精度无线电测绘和上行射频信号定位。该公司已于2018年12月份发射了首批三颗卫星组成的星座编队,每隔四到六个小时测量一次无线电的使用情况。目前正在进行监测和定位性能测试,并将在2019年发射另外的三颗卫星。

HawkEye 360的目的是利用从卫星轨道上监测和定位无线电信号建立地球的无线电地理数据层,为用户提供特定领域的数据分析报告。例如,定位可疑船只的位置,跟踪船只航线,了解并评估目标船只的行为;帮助无线电用户排除通信系统中的干扰信号;通过识别和定位遇险信号,协助应急搜救工作;深入了解无线电频谱在全球的实际使用情况。

HawkEye 360 公司于2019年2月底调试了首批发射的卫星星座(名称为探路者Pathfinder),并开始对地面的上行发射信号进行地理定位测试。早期测试结果证明了该系统对船舶上的AIS信号和海事雷达信号的成功定位。

2. 星座系统

HawkEye 360计划在低轨道上部署小型卫星星座系统来监测和定位射频信号,利用采集的信号提供数据分析产品和服务,为特定应用提供频谱感知基础服务。图1为HawkEye 360天基监测系统的结构示意图。

天基监测卫星系统的具体情况如下:

·整个系统计划由18颗卫星组成,分为6个编队,每个编队包括3颗小卫星。

·卫星位于圆形太阳同步轨道,轨道高度为575 km,卫星倾角在97~98度之间。

·每组卫星编队(3颗卫星)可在轨道上实现独立的上行信号定位。

·每颗卫星的重量为15kg,卫星尺寸为40 x 27 x 20 cm.

·目前可监测的信号频率范围为144MHz~6GHz(未来可扩展到Ku频段)。

·每颗卫星都配备了软件定义的无线电(SDR)系统。

·该系统的主要功能是频谱测绘、信号源定位和应急通信。

图1. HawkEye 360天基监测系统结构示意图(来源:HawkEye 360)

为了实现对地面的上行发射信号定位,HawkEye 360系统采用了卫星编队的方法。由三颗卫星组成一组编队,卫星在轨道上飞行的过程中,卫星之间的间距保持在125-250km。当三颗卫星中的任意两颗卫星在目标发射源的可视范围内时,可通过时频差测量(TDOA/FDOA)的方法对该信号进行定位。

HawkEye360未来计划将继续扩展星座的大小,以便将信号的重访率提高到半小时,从而实现近乎实时的全球覆盖。

3. 应用场景

3.1 海事船舶监控

自动识别系统(AIS)强制安装在300吨以上的商用船舶,并且也广泛用于较小的船舶。AIS使用两个VHF频率(161.975MHz和162.025MHz),用于广播船只的GPS位置信息。但是,由于各种原因(如非法捕鱼、贩毒、走私、武器贩卖等),操作员可以关闭船舶上的AIS系统,或篡改GPS位置信息,从而断开外界的位置跟踪。

利用天基监测系统定位目标发射的无线电信号,对发射对象的行为进行分析,可用于海事船舶活动的监测。天基监测系统可独立地对船舶上的AIS广播信号进行定位,不依赖其GPS信息,确定其真实位置,以帮助支持合法的捕鱼或运输行为,并识别非法活动的船只。

除了AIS之外,还可以定位其他的无线电信号。天基监测系统能够对许多不同类型的信号和频率的发射源进行定位。例如来自船舶的导航雷达或卫星通信信号,从而动态跟踪船舶的位置。图2为HawkEye 360的卫星系统定位船舶的位置并跟踪非法运行的船只。

图2. 定位跟踪非法运行的船只(来源:HawkEye 360)

3.2 干扰信号定位

快速有效地识别和定位射频干扰对于确保频谱的可持续性和安全性至关重要。确定干扰源的位置和来源的现有方法所付出的代价可能很高,并且通常需要很长时间才能定位精确的位置。HawkEye 360通过开发具有高重访率和低延迟的监测卫星来应对日益增长的通信干扰问题。

图3为HawkEye 360对AIS广播信号(频率约为162MHz)进行TDOA/FDOA测量的定位测试,识别了526艘船只。图4为HawkEye 360对X频段船载海事雷达信号进行定位测试,成功定位了该区域的9艘船只。

图3. 对船舶AIS信号的定位测试(来源:HawkEye 360)

图4. 对船载X频段雷达信号的定位测试(来源:HawkEye 360)

HawkEye 360通过天基系统监测特定地理区域的上行信号,识别通信干扰来源并定位干扰源,最终希望建立一个全自动的无线电信号定位系统,该系统将使用机器学习技术识别干扰源并做出响应。

3.3 频谱测绘

无线电频谱是一种拥挤、竞争激烈的有限资源。理解和可视化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。频谱共享使用等概念可根据频谱的实际需求和可用性快速的变化。这些系统需要特殊的工具和数据才能在动态频谱环境中有效运行。用于管理这些动态频谱使用情况的新工具通常利用基于地面的无线电监测传感系统,但是地面监测系统具有非常有限的覆盖范围和很高的运营成本。

HawkEye 360的频谱监测方法本质上是将有限的地面无线电监测传感系统移入到卫星轨道。卫星平台用于采集直径在数百公里区域中的射频信号信息。从而可以提供经济、快速的频谱使用数据的服务。图5为频谱测绘示意图。

图5. 频谱测绘示意图(来源:HawkEye 360)

HawkEye 360利用星载软件定义无线电(SDR)系统来实现信号监测,随着技术的变化,卫星可以定期更新。HawkEye 360采集必要的信号信息,以近乎实时地可视化无线电频谱的实际使用情况。这些数据可用于绘制全球频谱地图,向政府监管机构提供准确且具有成本效益的频谱使用数据。频谱测绘最终可以使频谱使用更加动态,实现更广泛、快速地频谱共享政策。

4 信号定位技术

4.1定位算法

HawkEye 360对信号定位主要采用时频差(TDOA/FDOA)定位技术,对于微弱信号采用盲相干累计的辅助定位方法。

(1)TDOA/FDOA定位原理

为了实现TDOA/FDOA定位,必须采用卫星编队飞行集群。对于一组编队中的三颗卫星,每颗卫星到地面发射源的距离不同,并且每颗卫星到发射源径向的速度分量不同。比较不同的卫星和发射源之间的到达时间(TOA)和到达频率(FOA)值,可以得到三组TDOA/FDOA,从而计算出发射源的位置。图6为TDOA/FDOA定位示意图。卫星上的GPS接收器提供卫星位置和速度的精确值,并提供不同卫星的精确时钟同步。

为了完全在轨道上实现定位计算,必须在卫星之间交换测量数据,以便所有卫星的信号时频差测量值都集中到进行定位计算的一颗卫星上。因此,卫星编队必须采用星间链路,HawkEye 360采用的星间链路频率为2.41GHz。

图6. TDOA/FDOA定位

(2)盲相干累计(BCI)原理

盲目相干累计是通过计算发射源的能量密度分布来确定干扰源的位置。通过时间积累能够产生显著的处理增益,对于信噪比太低而无法使用传统TDOA和FDOA技术处理的信号特别有效。

BCI利用从多个候选位置发射的信号能量测量来生成地理区域的能量分布,将潜在区域中的能量密度最高的候选位置作为目标信号发射源的实际位置。图7为盲相干累计定位示意图。

图7. 盲相干累计定位

4.2 定位条件

需要定位的目标信号是多种多样的,具有不同的频率、带宽、发射功率、调制方式等。但是,并非所有发射信号都可采用天基系统进行定位。

信号的链路预算将决定其定位的可行性。具体来说,对于特定的信号,要求卫星接收的信号载噪比必须超过一定的阈值。而载噪比将取决于信号发射的EIRP值和信号频率,并且还依赖于卫星上所使用的有效载荷天线特性。 此外,载噪比也会影响定位精度。

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