文 | 国家无线电监测中心深圳监测站 郝才勇
摘要：随着商业航天时代的到来，商业小卫星迅速发展，其应用开始进入无线电监测领域。国外以鹰眼360（Hawkeye 360）为代表的多家商业小卫星公司已经开始运行星载无线电监测星座，在全球范围内进行频谱监测、电磁空间态势感知和干扰信号定位。本文研究了星载无线电监测的发展现状、采用的技术路线，并分析了星载监测的未来发展趋势。
关键词：星载 无线电监测 趋势
0 引言
无线通信的发展趋势是构建空天地一体化的信息网络，其中一个重要目标是实现全球范围或大区域的泛在覆盖[1]。而如何在广域范围内实现对电磁频谱的监测，是无线电监管部门关注的问题。针对日益广泛的监测覆盖需求以及复杂电磁环境的感知需求，现有的地基无线电监测体系受限于观测视距以及信号多径等因素影响，在监测覆盖范围、特定区域监测、精确辐射源定位等方面存在不足。
为了应对地基监测面临的这些挑战，星载无线电监测的概念被提出。所谓星载无线电监测，就是利用低轨道小卫星从太空进行频谱监测，它突破了频谱监测的国界和地理障碍，能够有效弥补现有地面无线电监测体系能力的不足。例如，星载无线电监测可以有效覆盖传统无线电监测系统难以覆盖的偏远地区，包括沙漠、山区、极地和海洋，能有效收集监测数据以帮助无线电监管部门更加有效地管理频谱，促进频谱资源的有效利用。
星载无线电监测对国际和国内频谱监测与管理都具有重要的价值。在国际上，国际电联可以从全球性无线电监测中获得统一标准的频谱数据，从而有效地实施国际频率协调，并在全球范围内执行对干扰的地理定位。在国内，频谱监管机构可以利用星载监测来识别频谱在时间和空间上的使用模式，从而更好地了解频谱环境并指导频谱管理，例如频谱共享、频谱规划[2]。此外，通过应用连续时间和广泛空间的频谱监测，能够提升广域多维电磁空间感知能力。例如，生成频谱使用地图或创建全球频谱知识图谱，全面展示频谱使用情况。
1 星载无线电监测的发展现状
由于具有覆盖范围广、定位精度高等优势，星载无线电监测系统受到各国的广泛关注和重视。星载监测利用卫星平台高度优势可进行大规模频谱监测、无线电干扰高精度定位，服务于国家频谱管理工作；同时，监测卫星能获取全天候、大范围、近实时的重要频谱信息，是从太空获取电磁频谱数据的强有力手段。星载无线电监测起步于军事领域，目前在民用领域已有广泛应用。
1.1 国外电子侦察卫星
星载无线电监测曾经是电子侦察卫星独有的功能，被称为天基电磁频谱监测。从上世纪60 年代开始，美、俄等航天大国发射了多种类型、多种型号的天基电子侦察卫星[3]。由于卫星功能复杂、灵敏度高，这些卫星主要是大型卫星，重量达几百至几千千克。典型的低轨电子侦察卫星情况如表1 所示。
电子侦察卫星的主要功能之一是定位发射源，在信号定位上有如下特点：
（1）在定位体制方面
星载定位体制主要采用单星干涉仪测向定位、多星时频差定位。俄罗斯的电子侦察卫星基本采用干涉仪测向定位体制，例如俄罗斯“莲花”卫星采用相位干涉仪测向定位体制，Tselina-D 系列卫星采用二维干涉仪测向定位体制。美国、法国的电子侦察卫星除采用传统测向定位体制外，还采用了定位精度更高的时频差定位体制，如，美国“白云”卫星采用长基线时差定位体制，法国“蜂群” 卫星采用三星时差定位体制。
（2）在定位能力方面
卫星已具备星上处理能力和高精度定位能力。例如， 俄罗斯“莲花”卫星能够实现星上辐射源精确定位，据称定位精度优于1km，定位方式具备多星组网能力，大幅提升了定位精度。
（3）在功能应用方面
卫星通常集雷达、通信、测控、导航、数据等多种监测功能于一体，除了监测无线电信号，同时具备光学成像功能、合成孔径成像（SAR）功能，以满足情报需要。例如，2021 年俄罗斯发射的“芍药NKS-1” 电子侦察卫星，除了被动搜集无线电信号载荷，还增加了主动工作的合成孔径雷达，在卫星运行过程中通过无线电监测载荷搜集舰船发出的雷达、通信等无线电信号， 大致确定海上舰船的位置，再通过合成孔径雷达成像进一步核实目标。
1.2 商业无线电监测卫星
2015 年以来，随着火箭发射成本的降低和卫星制造能力的提升，商业小卫星迅速发展，并开始进入无线电频谱监测领域。全球商业小卫星主要有以下几家。
（1）鹰眼360
鹰眼360（Hawkeye 360）是一家美国的小卫星公司， 成立于2015 年，运营着全球首个商业无线电监测卫星星座。该星座目前包含15 颗卫星（重访率为90 分钟），3 颗卫星为一组编队，卫星间距为250km。计划到2025 年， 该星座的卫星数量将增加到60 颗，以实现近实时的全球信号监测（对地观测重访率缩小到12-20 分钟）。鹰眼360 卫星配置参数如表2 所示，每颗卫星都配备了软件定义无线电系统，可以调谐到不同的频率并采集信号。监测对象包括：海上VHF 无线电、UHF 对讲机、L 频段卫星移动电话终端、S/X 频段海上雷达、移动通信基站、船舶AIS 信号、卫星导航定位干扰信号、应急无线电信标信号， 以及小口径卫星通信VSAT 终端。
鹰眼360 系统的典型应用包括频谱态势感知和信号发射源定位。
● 频谱态势感知
频谱态势感知是利用卫星监测特定无线电信号，绘制全球范围的无线电频谱地图，揭示无线电用户的行为模式。例如，鹰眼360 通过射频数据分析可增强海域感知，以监测海上船只使用的无线电信号，提供更精确的船舶航行动态信息。这些信息不仅包含船舶位置信息，还可显示某海域的船舶活动情况，并且可以监视关闭了AIS 系统的船舶，识别定位潜在非法活动船舶。
● 信号发射源定位
发射源定位是指通过卫星在可全球范围内确定信号发射源位置。利用卫星对信号进行监测定位可建立无线电地理数据层，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，推断目标船只行为；定位干扰源位置，排除无线电干扰信号；识别和定位遇险信号，协助应急搜救工作。
（2）Kleos Space
Kleos Space 是一家卢森堡的小卫星公司，成立于2017 年，可提供全球无线电信号情报和信号定位数据服务。Kleos Space 使用小卫星编队来监测和定位地面的无线电信号，从而发现陆地和海上关键区域的隐秘或非法活动，如海盗、毒品走私和非法捕鱼，并识别需要进行海上搜救的人员。Kleos Space 的特点是每个卫星编队由4 颗卫星组成，呈四面体结构布局，从而提高了工作弹性并降低了故障风险。卫星配置参数如表3 所示。
Kleos Space 目前在轨道上有16 颗卫星，计划发射40 颗卫星组成星座。Kleos Space 的商业模式是与高分辨率成像卫星建立合作关系，生成多层次的综合观测数据。集成的数据可提高态势感知能力并提供关键信息，从而为政府客户提供决策建议。
（3）Unseenlabs
Unseenlabs 是一家法国微小卫星公司，成立于2015 年。该卫星专门用于海域态势感知，工作在VHF 频段。监测对象为海上船只发射的无线电信号，并能对船只位置进行独立定位，能不依赖于船只发射的AIS 信号确定其航行位置。该星座包含7 颗卫星，计划到2025 年部署25 颗卫星。卫星配置参数如表4 所示。
Unseenlabs 的星座专门监测和定位海上船只的射频信号，能覆盖数十万平方千米的海域。Unseenlabs 能对这些射频数据进行处理和分析，为国家安全、环境保护和商业领域等应用提供独特的射频信号层面的信息。例如， 全天时、全天候提供无线电活动数据，跟踪海上交通及发现、打击恶意或敌对活动，以及监视非法捕鱼等。
2 星载监测系统与定位技术
星载无线电监测是利用低轨道小卫星在运动过程中接收地面发射的无线电信号，以测量信号的频谱特征参数， 并在全球范围内对干扰信号进行高精度定位。
天基监测定位体制通常采用三星时差定位和单星测向定位体制。三星时差定位原理为：由于每颗卫星与地面辐射源的距离不同，同一信号到达卫星的时间不同， 通过两路信号相关可以提取信号到达不同卫星的时间差（TDOA），从而确定一个以两颗卫星为焦点的双曲面； 再利用一颗邻星，可构造两个时差双曲面，然后与地球曲面相交得到辐射源位置[5]。单星测向定位原理为：通过星载阵列天线的不同单元在同一时刻接收到的来波信号的相位差，利用空间相位差与信号的到达方位、俯仰角的对应关系，可以计算出一条经过信号发射源的方向射线，该方向射线与地球表面相交，可得到发射源的位置[6]。
三星时差定位体制的优点是定位精度高（定位精度为1km级）、系统实现简单、可瞬时定位，代价是需要多颗卫星组成编队，且目标信号位于三颗卫星的共视区内。单星测向定位体制使用星载阵列天线实现定位，优点是仅需一颗卫星、可瞬时定位。但由于干涉仪测向定位的精度取决于阵列天线孔径的大小、来波信号方向夹角和信号频率，对于频率较低的信号，需要的天线尺寸非常大，技术上难以实现。因此，单星测向定位体制的缺点是定位精度较差（定位精度为10km 级）、不适合低频段信号、难以定位低功率信号。
星载无线电监测的工作流程是：卫星在轨道运行，当星载接收机检测到地面发射的无线电信号后，进行下变频、AD 采样处理并存储监测数据；当卫星飞临地面接收站上空时，将采集的数据通过星地链路发送到地面接收站；地面的频谱分析处理系统对接收的信号数据进行分析、计算、定位处理，并进一步提取有价值的频谱信息。星载无线电监测的系统架构如图1 所示，包括空间频谱感知、地面数据接收、频谱数据处理3 个部分[2]。
（1）空间频谱感知：该部分包括低轨道小卫星，是系统的主体，通过星载无线电监测载荷采集无线电信号。卫星接收并测量从地面辐射的特定频率的无线电信号。每颗卫星都携带一个无线电监测有效载荷，用于接收、检测和处理无线电信号。无线电监测有效载荷由多个不同频段的接收天线、接收机、信号分析设备、定位系统和存储设备组成。可随着卫星的运动，在不同区域进行信号测量， 收集目标区域的无线电信号。
（2）地面数据接收：该部分包含地面接收站，用于接收卫星采集的频谱数据。由于星载数据存储和计算能力有限，卫星的工作设计为存储转发模式，先采集和存储频谱数据，然后将数据传输到适当的地面接收站，在地面进行复杂数据处理。一些地面站还具有卫星跟踪、遥测和指挥（TT&C）功能并可向监测载荷发送任务指令。
（3）频谱数据处理：该部分包括云计算平台，用于存储和分析来自地面站的频谱数据，例如，计算频率占用度，进行频谱测绘，实现干扰源地理定位。借助频谱大数据，可以使用机器学习算法和云计算来深入分析无线电频谱的使用情况，并为频谱管理提取可操作信息，结合频谱资源配置和《无线电规则》，可以进行频率兼容性分析和频谱共享。
3 星载无线电监测的发展趋势
近年来，空天信息技术的进步极大地促进了卫星技术的应用与发展，智能化监测也开始应用于星载监测。只要获得了足够多的监测数据样本，就可以使用机器学习算法进行频谱大数据分析，得到高性能监测指标，例如频谱使用规律、目标行为模式，从而实现无线电监测整体能力的提升。
星载无线电监测的发展趋势主要有以下三个方面：
（1）小卫星星座组网
目前，小卫星发展方兴未艾。小卫星具有研制周期短、更新升级快、制造发射成本低等优势，有别于传统卫星重量大、功能强、造价高的特征。其设计思想是突出功能单一化，适合于批量化部署。未来星载监测效能的提升将在很大程度上取决于其网络化水平。通过多星组网工作、天地一体化设计，可在全球范围进行无线电监测，能够显著提高卫星监测系统的覆盖率、时效性、定位精度。小卫星星座形成规模化组网，能够满足各种不同的无线电监测应用场景需求。
（2）星载阵列天线的使用
在星上采用阵列天线、阵列信号处理，能够适应复杂电磁环境，提高卫星监测能力，具有显著的工程应用价值。利用相控阵天线可以同时监测上千个目标信号，利用星上阵列处理技术，可以实现灵活的波束扫描、精确信号定位、多信号定位，并增强抗干扰能力。
（3）全频谱监测感知
随着各国对综合态势感知能力需求的不断提升，卫星的监测目标可能扩展到整个可用电磁频谱，凡是能够在卫星上接收的射频信号都有可能成为监测目标。未来，全频谱感知能力将成为星载监测卫星的主要能力之一。
4 总结
星载无线电监测是无线电监测演进的新阶段，适应了新一代信息技术发展的需要，尤其是能解决广域范围频谱监测和定位全球性无线电干扰问题。目前，国外商业小卫星开始进入无线电监测领域，并且在海上无线电监测、电磁空间态势感知、卫星导航干扰定位等方面发挥了较好的作用。星载无线电监测不仅意味着将监测系统从地面扩展到空间，更重要的是实现了监测维度的扩展，是未来无线电监测领域中一个有前景的发展方向。
参考文献：
[1] S . D a n g , A. O s a m a , S . B a s e m , a n d A. Mohamed-Slim, “What should 6G be?” Nature Electronics, vol. 3, no. 1, Jan. 2020, pp. 20～29
[2] C. Hao, X. Wan, D. Feng, Z. Feng and X. -G. Xia, “Satellite-Based Radio Spectrum Monitoring: Architecture, Applications, and Challenges ”, IEEE Network, vol. 35, no. 4, pp. 20～27, July/ August 2021
[3] 王永刚，刘玉文. 军事卫星及应用概述[M]. 北京： 国防华体官方网页版出版社, 2003
[4] HawkEye 360 Signal Detection Reveals GPS Interference in Ukraine. https://www.he360.com/ hawkeye-360-signal-detection-reveals-gps-interference-in-ukraine
[5] 刘海军, 柳征, 姜文利, 周一宇. 基于星载测向体制的辐射源定位融合算法[J]. 系统工程与电子技术, 2009, 31(12): 2875～2878
[6] C . H a o , D . F e n g , Q . Z h a n g a n d X . - G . X i a ,“I n t e r f e r e n c e G e o l o c a t i o n i n S a t e l l i t e Communications Systems: An Overview”, IEEE Vehicular Technology Magazine, vol. 16, no. 1, pp. 66～74, March 2021
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