微纳卫星组网电子侦察定位关键技术探讨

朱伟强，王克让，朱晓丹

(中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007)



微纳卫星组网电子侦察定位关键技术探讨

朱伟强，王克让，朱晓丹

(中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007)

基于微纳卫星的电子侦察还处于起步阶段，许多问题亟需解决。讨论了微纳卫星组网电子侦察定位三个方面的若干关键技术，分别是电子侦察基本架构、载荷硬件架构和星间组网通信。在提出松耦合和紧耦合组网侦察定位架构的基础上，讨论了对地面和空中动目标的定位方法以及载荷实现相关的关键技术，给出了一种星间链路方案，提出了一种基于参数的中频数据压缩方法，可为微纳卫星电子侦察技术的发展提供一些参考。

电子侦察；微纳卫星；无源定位；自组织组网；数据压缩；微型化

0　引言

星载电子侦察是获取电子情报的重要手段，尤其在快速作战决策方面，更是有其独特的作用。但是目前电子侦察卫星面临两个方面的问题，一是其研制周期长、研发与制作费用高、风险性大等弱点逐渐显露；二是无法满足大范围、连续性的长期监视的军事需求。同步轨道虽然能长时间、大范围连续监视，但灵敏度及定位精度受限，而低轨卫星过顶时间有限，虽然可以通过组网解决，但是由此将引入卫星数量的急剧增加和星间、星地数传的需求及相应的成本增加等更多问题。随着微电子、微机电、组网技术的飞速发展，基于微纳卫星的电子侦察技术优势越来越明显，利用微纳卫星组网技术来解决目前电子侦察卫星发展遇到的问题势在必行。基于微纳卫星组网电子侦察技术具有如下突出优势[1]：快速响应，快速组装组网；大覆盖、高时效、连续观测；低成本、低风险。

基于微纳卫星的载荷方面，国内外对通信、光学侦察、导航等领域[2]有较多研究，但是电子侦察载荷研究较少，本文主要对微纳卫星组网电子侦察基本架构、载荷、星间组网通信等方面的关键技术进行了探讨。

1　微纳卫星组网电子侦察基本架构

1.1单星侦察能力分析

受单星平台载荷能力的限制，单星侦察有效载荷设备应该尽量降低其体积、质量、功耗和造价。其主要特点如下：

1)一般仅有单个通道，因此无法使用多通道，如相位干涉仪、数字阵列的空间谱估计等方法测量来波方向；

2)处理能力有限，很难在单星处理大量数据或者进行实时复杂运算。

在上述限制条件下，单星侦察载荷可以获得含有目标空间位置、运动状态等信息的主要观测量有：来波到达时间、频率、信号幅度，以及上述三个观测量的高阶量。

1)到达时间(TOA)

TOA含有目标与观测器之间的距离信息，而TOA序列含有目标距离及目标距离径向变化率的信息，这有利于对目标辐射源的定位与跟踪。

2)频率(FOA)

FOA含有目标距离及距离变化率的信息，在序列中每个脉冲宽度内的射频中，含有反映距离变化率的多普勒分量，因此通过测量FOA有可能得到目标位置。

3)信号幅度(AM)

来波信号幅度随着辐射源距离变化而改变，侦察系统收到的来波功率与距离平方成反比，因此测得来波信号幅度将有可能得到目标距离，但是来波信号幅度与信号源发射功率、发射天线方向性、发射天线扫描、接收天线方向性等有关，检测微小的信号幅度变化是有难度的，因此利用来波幅度大小很难获得较准确的距离估计。

从上述单星能力分析中可看出，能够用来定位的有效信息相对较少，仅能用到TOA、FOA以及相应的高阶量，因此基于微纳卫星群电子侦察对地面目标可能的定位体制包括时差定位、频差定位、时频差复合定位、基于时差序列特征的定位、以及基于频率高阶量的定位体制；而对于空中运动目标而言，由于目标非合作运动带来的多普勒调制效应，基于频率及相应高阶量的信息对于定位不会有直接的贡献。

1.2组网侦察定位基本架构

微纳卫星组网电子侦察基本架构要综合考虑的因素有：重访时间、连续监视时间、重点区域覆盖情况、定位体制、单星侦察能力、星间/星地组网能力等。随着技术的发展阶段的不同，可分别采用松耦合组网侦察定位架构和紧耦合组网侦察定位架构。

松耦合组网侦察定位架构情况如图1所示，侦察系统由多个编队侦察卫星组成，每个编队侦察卫星由若干颗卫星共同合作完成对地面、海面及空中辐射源目标侦察定位，由不同编队侦察卫星接力完成对辐射源连续侦察。

图1　松耦合虚拟孔径侦察定位体制

这种侦察体制编队内侦察卫星间距较近，根据编队内卫星的多少及辐射源目标信号的特点综合采用时差定位、频差定位或时频差联合定位，编队内卫星间具备相互通信能力；不同编队侦察卫星相距较远(与侦察区域大小相当)，且之间通信能力较弱，仅进行信息交换，即编队间为松耦合。采用多编队侦察方式，实现虚拟孔径的大空域覆盖，通过编队间信息交换，可以实现对辐射源信号连续侦察，可以随时对卫星数量进行补充，增加侦察覆盖性和侦察时间。该架构具有如下特点：

1)功能划分明确，系统构成相对简单；

2)编队定位体制决定了系统定位精度；

3)仅编队内卫星组网，对星间数传、时统、相对定址精度等有较高要求；

4)可以通过单星侦察频率切换，实现截获概率和定位精度之间平衡，针对不同目标分配不同侦察资源。

紧耦合组网侦察定位架构情况如图2所示，侦察系统由多颗侦察卫星组成，每颗卫星能够根据覆盖区域、瞬时频段、星座构型等因素与周边其它卫星自组织组网，形成超大孔径超高分辨率电子侦察系统，能够满足对辐射源连续侦察的需求。这种组网侦察模式具有很大的灵活性，对组网和数传能力要求很高，其灵活性表现在：

1)随卫星运动，星座构型发生变化，每张网内卫星组成及数量随时会发生变化；

2)根据战术情报的需求不同，例如提高重点目标的定位精度，可以使网内卫星组成和数量发生变化；

3)根据侦察区域是否具有重叠，单颗侦察卫星可以把时差信息发送到不同网内实现目标定位，即单颗卫星可以作为多张网侦察系统的成员；

图2　紧耦合虚拟孔径定位体制

4)随时可以对卫星进行补充，增加侦察覆盖性或提高定位精度。

紧耦合组网侦察定位架构有如下特点：

1)系统体制相对复杂，组网具有很大的灵活性，可根据侦察对象及侦察区域的不同自组织组网；

2)可以通过单星侦察频率可重构，针对不同目标分配不同侦察资源；

3)信号处理相对复杂，需要综合处理几颗星之间的数据；

4)要求所有星之间具有较高精度的时统，且对平台的绝对定址精度、相对定址精度、测速精度等有较高要求；

5)要求系统具有较高的自组织组网能力，每颗星具有一对多和多对一的高速数传能力。

两种组网架构的侦察性能对比情况见表1，虽然紧耦合组网定位架构优势明显，但就目前技术而言，松耦合组网侦察定位架构更容易实现。

表1　两种组网侦察的定位基本架构对比

1.3地面(海面)慢速目标定位方法

基于松耦合组网侦察定位架构的侦察系统在开机工作过程中，为了提高截获概率，编队内多颗微纳卫星往往并不全部工作在一个频段，而是根据侦察区域目标特点、星座构型及星上资源情况综合确定采用的定位体制，只有发现存在空中辐射源目标时，卫星才全部工作在同一频段，进行多星时差定位。当对地面或海面辐射源目标侦察时，根据卫星构型的不同，可以灵活采用多种侦察定位体制，以及这些定位体制的组合，从而扩大瞬时侦察带宽，提高截获概率。

目前，可用于对地面、海面辐射源目标进行定位的体制主要有：单星单通道定位[3]、双星时频差定位[4]、非共视定位[5]等，除单星单通道定位技术之外，其余技术相对较成熟。

1.4空中动目标定位方法

空中动目标定位是三维定位问题，传统星载电子侦察定位技术往往假定目标位于地球表面，也就是说目标的距离信息已知，因此对地面目标定位相对较简单，而对空中目标进行定位的难度将大大增加。

国内外学者对侦察系统位于地面或者机载平台进行了较多的研究，利用多站可以实现对目标的瞬时定位，如果观测站较少，一般假设目标匀速直线运动，利用长时间的观测积累，从而对目标进行跟踪，在机载侦察系统中，还要求观测平台姿态发生机动变化。

目前星载对空中动目标定位研究较少，国外最多的研究集中在基于4星时差定位[6-7]。由于目标机动，因此在目标速度未知时，目标频差信息对定位精度没有直接的贡献。与传统三星时差定位构型有所区别的是，为了提高目标高程信息测量精度，第4颗星与其余3颗星必须在轨道高度上拉开距离，形成高度差基线，才能获得目标高程信息，因此会有4星共视问题，这对编队轨道设计也提出了挑战。

下一步的研究方向主要是：

1)利用多星时差定位，并根据频差信息提取目标速度信息，利用位置和速度信息对目标进行跟踪，从而进一步提高空中动目标定位精度；

2)卫星或载荷在空间通过运动，在时间上进行积累多次观测实现定位，可以减少卫星的数量。

另外一种解决空中目标定位的方法是采用外辐射源定位技术，可以考虑利用己方的信号源(如通信卫星等)，也可以考虑采用GPS信号，但是GPS信号相对较弱，影响侦察系统的性能。

2　单星侦察载荷硬件架构

单星电子侦察载荷应具有可重构、微型化、标准化和通用化特点，可重构是指频段可重构、功能可重构，实现通用信号侦察和特殊需求的雷达、通信和数据链的侦察；微型化是指体积小、质量轻并且功耗低，弥补微纳卫星平台承载能力弱的缺陷；标准化、系列化和通用化是为了使载荷满足卫星快速生产、快速测试和快速发射的需求。采用商用器件可以大大降低载荷的成本，进一步拓展其应用。

2.1可重构技术

在体积、质量、功耗都受到微纳卫星平台能力限制的条件下，载荷的设计理念必然与传统卫星大而全的方式有所不同，一是通过多颗卫星组网实现传统大卫星的功能，二是单星载荷采用重构技术，频段、带宽、处理算法通过软件可重构，实现与传统大卫星相当的性能。

1)轻质可重构高增益天线

微纳卫星电子侦察载荷对天线的要求是具有轻质、宽角、宽带、高增益等特性，因此轻质的可重构高增益天线是较好的选择。可重构天线是用同一个天线口径通过实时改变天线的电参数，使天线具有多种功能。可重构天线能够根据应用需求实时地重构天线的频率、增益、波束、扫描范围等特性，使天线适应不同的功能需求。有利于减轻系统的质量、降低系统成本、避免存在于多个天线之间的电磁兼容等问题。

2)可重构接收通道

载荷的侦察接收可通过多级变频、直接滤波放大、零中频等接收机方案。变频接收即超外差中频数字化是目前电子侦察最常用的方案，但存在设备复杂，成本、功耗较高，体积较大等问题。直接滤波放大接收方案可使接收机具有“可重构”能力，即在不做硬件变动的情况下，通过软件编程来适应不同的接收机模式。该方案可以省去微波通道，更便于实现接收系统小型化，但是对A/D的工作频率要求较高。零中频接收机方案是将天线接收下来经低噪声放大后的信号直接变换成基带I/Q信号，其本振频率与输入信号相同，这种方案的优点是可以全集成化，该方案一般用于雷达或通信系统。

3)软件可重构技术

载荷的信号处理也要做到可重构，包括处理对象(雷达信号、通信信号)、处理算法(参数测量、定位等)等，其关键技术主要有：电子侦察载荷体系架构技术，一体化、可重构软硬件平台技术，侦察功能数字化、软件化实时处理技术等。

2.2微型化技术

微型化技术是能否实现微纳卫星载荷系统的核心技术，微型化的措施主要有：

1)基于LTCC工艺的多层陶瓷立体设计和互联技术：要想实现射频系统小型化必须从目前基于MCM的平面集成方式转向立体三维的高密度集成方式，基于LTCC工艺的低温共烧多层陶瓷互联基板混合集成电路是一种比较新的多层工艺设计技术，这种技术可以满足微纳卫星电子侦察系统对电路小型化、高密度、多功能、高可靠性和高传输速率的要求。

2)宽带射频SIP模块设计和三维立体封装技术：SIP指系统级封装，其特点是将不同功能的有源器件、无源器件及类似MEMS光学器件等通过采用三维结构形式集中于一个单一封装内，构成一个类似系统的器件为系统或子系统提供多种功能。微纳卫星电子侦察载荷中，把数字、模拟系统各种芯片集成在一起进行SIP设计和封装可达到更小的尺寸。

3)SOC技术：单片系统(SOC)即在一个芯片上实现的是一个具有复杂功能的系统。SOC并不是简单地将功能复杂的若干逻辑电路放在一个芯片上。一个完整的单芯片系统，在芯片上包括了微纳卫星侦察载荷几乎所有的电子功能部件，如模拟部件、信号采集/转换电路、存储部件、数据处理部件等。SOC用于微纳卫星载荷设计，可以充分利用现有的成熟设计资源，在短时间内实现更高性能系统。

4)基于GaAs、MEMS、SiGe等工艺的宽带射频多功能芯片技术：该项技术可以改善器件性能，满足微纳卫星电子侦察载荷对高性能、低功耗、高集成度的需求。

2.3COTS器件天基应用技术

一方面，微纳卫星侦察系统轨道高度一般为中低轨道，且寿命相比于大卫星要短的多，这成为应用商用现货(COTS)器件的基础。另一方面，传统的宇航级或者883B级器件为了满足抗辐照指标，价格较贵、集成度较低、量产少，而COTS器件在发展速度、性能、价格等方面具有较大的优势，可以满足微纳卫星体积小、质量轻、功耗低的需求。

在微纳卫星载荷系统中使用COTS器件，要采取一定措施提高商用器件的可靠性和抗辐射能力，才能在最大程度上减小其应用于空间任务的风险。一方面，需要经过严格的筛选、测试等措施，选择合适的器件；另一方面，需要通过屏蔽加固和容错设计，提高使用的可靠性。

3　星间组网通信技术

基于松耦合的微纳卫星组网侦察定位架构中，为了完成对空中动目标定位，必须综合利用编队中的每颗卫星的信息，编队内卫星星间需要进行同步、大量数据传输、交换、处理等。而紧耦合组网侦察定位架构对星间通信能力有更高的要求，通信距离更远、速度更快、组网方式更复杂。可见星间组网通信能力是影响载荷性能发挥的重要因素，而微纳卫星平台能力又限制了星间通信的能力，因此可以从两个方面综合优化：一是侦察载荷和星间通信一体化设计，信号处理采用可重构设计，当星间通信要求低时，可分配更多的资源用于侦察，反之，可减少侦察资源；二是综合优化设计星间通信，其关键技术主要有星间链路的总体规划设计、星间通信协议、星上处理等。

3.1星间链路技术

松耦合组网侦察定位架构中，每个编队由多颗微纳卫星构成，那么编队内部组网通信方式有两种结构，即主从式和分布式。主从式结构中，其中一颗卫星作为主卫星，实现与编队内其它所有从卫星通信，而编队内其它所有从卫星仅与主卫星通信，从卫星之间无通信能力。这种组网实现方式相对较简单，但是牺牲了系统的灵活性，卫星种类变多，主卫星一旦受到干扰或者摧毁整个系统将无法工作。分布式结构中，任意一颗卫星都具有与其它卫星的通信能力，通信方式上无主从之分，该种通信星间链路设计复杂，克服了主从式结构的不足，应该是星间链路的研究方向。

星间链路的实现方式主要有无线电通信和激光通信两种。光学链路可提供很高的传输容量,但却要求诸如定向天线、精确和连续定位目标卫星等复杂技术支撑。无线电链路可采用全向天线、定向天线或全向/定向组合天线。全向天线能克服卫星目标定位的困难,但却大大降低了传输容量。定向天线能实现较高的传输容量,但要求很强的卫星目标定位能力。因此可以采用全向天线和定向天线相结合的方式，即首先利用全向天线与相邻卫星交换位置数据，然后利用定向天线与相邻卫星高速通信，其中定向天线与卫星共形设计，在卫星表面各个方向的天线波束交叠覆盖整个空域。

3.2数据压缩技术

目前星间链路的数传速率并不能满足微纳卫星组网电子侦察的要求，采用数据压缩技术降低数据传输量是一种解决方法，需要研究高压缩比的压缩方案，并且不影响时差、频差的测量精度。

压缩技术可分为波形压缩或参数压缩。传统使用的基于波形的压缩技术未能考虑压缩对时差、频差估计精度的影响，压缩后信号和噪声都发生了变化，会严重影响时差、频差测量精度。最新的研究表明[8]，最为有效的准则是Fisher信息准则，适用于传输带宽受限或存储容量受限的应用或环境，是一种参数压缩技术。这一思想也已经在语音、视频等领域得到了应用，其基本思路是在压缩时，保证Fisher信息不减小。而根据统计信号处理理论，Fisher信息是评价估计误差的直接方式，尽可能保证Fisher信息不减小可以保证估计误差不增大，因此从统计意义上看，Fisher准则是最优的准则。

通过数据压缩技术[8]，可以将中频数据有效地压缩，压缩比可达4～10倍，同时保证时差、频差估计精度几乎不受影响。

4　结束语

当前,微纳卫星电子侦察技术方兴未艾，相关的关键技术尚待研究和突破。本文对微纳卫星组网电子侦察定位三个方面的关键技术进行了阐述，限于篇幅还有很多技术未涉及到，微纳卫星侦察技术的研究任重而道远。■

[1]黄汉文.微纳卫星在空间信息对抗中的应用[J].航天电子对抗，2010, 26(1): 30-32，36.

[2]赵炜渝, 白保存, 金仲和.皮纳卫星应用与特点分析[J].国际太空，2013(8): 36-40.

[3]徐义.基于多普勒信息的单星无源定位新技术研究[D].长沙：国防科学技术大学, 2009.

[4]朱伟强, 黄培康, 束锋, 等.多星TDOA和FDOA联合定位精度分析[J].系统工程与电子技术，2009, 31(12): 2797-2800.

[5]张奎, 罗景青.测量TDOA的完全非同步照射辐射源定位算法[J].信号处理，2014(8): 874-881.

[6]Sun M, Ho KC.An asymptotically efficient estimator for TDOA and FDOA positioning of multiple disjoint sources in the presence of sensor location uncertainties[J].IEEE Trans.on Signal Processing,2011, 59(7): 3434-3440.

[7]Ho KC, Xu W.An accurate algebraic solution for moving source location using TDOA and FDOA measurements[J].IEEE Trans.on Signal Processing,2004, 52(9): 2453-2463.

[8]赵先锋.COTS微处理器软件容错性能的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2007.

Key techniques of electronic reconnaissance and location based on micro/nano satellite network

Zhu Weiqiang, Wang Kerang, Zhu Xiaodan

(No.8511 Research Institute of CASIC，Nanjing 210007，Jiangsu，China)

Electronic reconnaissance based on micro/nano satellite network is under research, and many problems need to be resolved.The key techniques of three aspects are discussed, including basic reconnaissance system structure, payload hardware structure and inter-satellite networked communication.By introducing loosely coupled architecture and tightly coupled architecture of networked reconnaissance, some key techniques of locating scheme of ground target and air moving target and payload implementation are analyzed.A method of inter-satellite link is proposed.A data compression technique for IF data is introduced based on parameterized method.This study can be referred by micro/nano satellite reconnaissance system.

electronic reconnaissance;micro/nano satellite;passive location;self-organizing networking;data compression;micromation

2015-11-27；2016-03-11修回。

朱伟强(1964-)，男，研究员，博士，主要研究方向为电子对抗总体技术。

TN971+.5；V474.2+7

A