تعیین موقعیت تداخل­گرهای زمینی در ارتباطات ماهواره ای

معمولا تداخل­ها تصادفي هستند و می­توانند ناشي از تجهيزات معيوب و عملکرد نادرست ايستگاه زميني باشند، اما گاهی ممکن است اختلال، ناشي از جنگ الکترونيک^[1] و يا استفاده غير قانوني از پهناي باند باشد. در تمامي اين موارد، شناسايي و بر طرف کردن منبع سيگنال ناخواسته، از ماموریت­های یک ایستگاه مانیتورینگ زمینی خواهد بود. برخی مواقع تداخل ناشی از خطای انسانی به علت جهت­گیری اشتباه ماهواره، تنظیمات اشتباه فرکانس، ارسال سیگنال از گلبرگ­های کناری فرستنده زمینی به ماهواره مجاور و یا دریافت ایستگاه زمینی گیرنده از ماهواره مجاور می­باشد. عملکرد اشتباه تجهیزات فرستنده­ها مانند اسیلاتور­ها در ارتباط فراسو و انتقال سیگنال رادیویی بواسطه کابل­ها و اتصالات آسیب دیده نیز می­تواند منجر به ایجاد تداخل گردد. در حالت کلی می­توان انواع تداخل­های موجود را  بطور خلاصه به صورت زیر تقسیم­بندی نمود:

• تداخل ماهواره مجاور
• اخلالگرهای عمدی
• انتقال سیگنال بدون مجوز
• خطای انسانی
• خطای تجهیزات

روش سنتی در تعیین منبع تداخل به این صورت است که  ایستگاه زمینی مشکوک به ایجاد تداخل، پلان فرکانسی خود را مشخص کند و یا از آزمایش روشن- خاموش کردن فرستنده خود استفاده می­نماید، که مشکل عمده این روش زمان­بر بودن آن و ایجاد وقفه در عملکرد ایستگاه زمینی است. بنابراین لازم است روش دیگری به کار گرفته شود تا وقفه­ای در عملکرد ایستگاه زمینی ایجاد نشود.

در تعیین موقعیت تداخلگر زمینی دو ماهواره اولیه و ثانویه به کار گرفته می­شود. با استفاده از تشعشعات گلبرگ­هاي کناری آنتن­های فرستنده و ماهواره ثانویه مي­توان الگوي سيگنال تداخل را ردیابی کرد که در ادامه الگوریتم این روش توضیح داده می­شود.

شکل 1- تعیین موقعیت فرستنده زمینی

در این فرآیند، الگوریتم مکان­یابی از یک عبارت ریاضی استفاده می­کند،که فرکانس حامل سیگنال فرستنده زمینی که از طریق ماهواره GSO دریافت شده است، را اندازه­گیری می­کند. پارامترهای این الگوریتم شامل موقعیت و سرعت ماهواره و محل گیرنده زمینی می­باشد که بعنوان داده­های ورودی در نظر گرفته می­شود و محل فرستنده زمینی به­عنوان مجهول(خروجی) می­باشد. پارامترهایی نظیر شیفت داپلری در ارتباط فراسو، جابجایی فرکانسی رخ داده در ترنسپوندرهای ماهواره و شیفت داپلری در ارتباط فروسو نیز، در این الگوریتم در نظر گرفته شده­اند. با اندازه­گیری­­های متفاوت فرکانس دریافتی در گیرنده، الگوریتم مکان­یابی پارامترهای مجهول را تخمین می­زند، به شکلی که مجموع مربعات خطاها به حداقل برسد. با توجه به حرکت آهسته ماهواره­های GSO نسبت به یک نقطه ثابت زمینی، شیفت داپلری بسیار کمی در ارتباطات در حد چند ده هرتز وجود خواهد داشت، لذا جهت مکان­یابی دقیق نیاز به یک مرجع دقیق وجود دارد که استاندارد روبیدیوم برای آن مناسب است. تخمین درست موقعیت فرستنده به اطلاعات بسیار دقیق و صحیحی از موقعیت و  سرعت ماهواره در هر بار مشاهده و اندازه­گیری بستگی دارد. با استفاده از یک مدل انتشار مداری و پارامترهای مداری یک ماهواره، حرکت و سرعت ماهواره تخمین زده می­شود، ضمن اینکه این پارامترها به طور متناوب با مشاهدات بعدی به روز­رسانی می­شوند. اطلاعات مربوط به جابجایی فرکانسی در ترنسپوندرهای ماهواره نیز به طور کامل در دسترس نیست. با استفاده از یک فرستنده مرجع با موقعیت و فرکانس مشخص می­توان این پارامترها را بهبود بخشید. سیگنال فرستنده مرجع می­بایست همزمان با سیگنال فرستنده زمینی ارسال شود. بطور خلاصه می توان پارامترهای مطرح در این ماموریت را بصورت زیر دسته بندی نمود:

• اندازه­گیری فرکانس
• شیفت داپلری
• تفاضل زمانی سیگنال­های دریافتی (TDOA)
• تفاضل فرکانسی سیگنال­های دریافتی (FDOA)

این ماموریت می­تواند به کمک یک و یا چند ماهواره GSO انجام شود که بسته به تعداد ماهواره­های مورد استفاده برای انجام ماموریت تجهیزات لازم نیز متفاوت خواهد بود. در ادامه نحوه انجام این ماموریت با استفاده از دو ماهواره و یک ماهواره بطور خلاصه توضیح داده می­شود.

تعیین موقعیت جغرافیایی فرستنده زمینی با استفاده از دو ماهواره GSO

در این روش با استفاده از تفاضل زمانی و فرکانسی سیگنال دریافتی از طریق دو آنتن گیرنده ایستگاه زمینی تعیین موقعیت فرستنده زمینی انجام می­گیرد. در اندازه­گیری این پارامترها لازم است تا مسیر دریافت سیگنال از طریق ماهواره GSO ثانویه­ای مانیتور شود که در بیم فرستنده زمینی قرار داشته باشد. ماهواره­ای که سیگنال فرستنده زمینی را دریافت می­کند به عنوان ماهواره اصلی و ماهواره ثانویه مذکور به عنوان ماهواره مجاور در نظر گرفته می­شود. اختلاف زمانی بین سیگنال دریافتی از طریق ماهواره اصلی و سیگنال دریافتی از ماهواره مجاور پارامتر TDOA[3] را بدست می­دهد. همچنین با اندازه­گیری اختلاف فرکانسی مابین سیگنال­های دریافتی از طریق ماهواره اصلی و ماهواره مجاور پارامتر  FDOA[4] بدست می­آید که ناشی از سرعت نسبی بین ماهواره­ها می­باشد. معمولا ایستگاه­های گیرنده در یک موقعیت جغرافیایی یکسان قرار دارند، اما این یک شرط اصلی برای تعیین موقعیت فرستنده زمینی نمی­باشد. در حالت دیگر گیرنده­های زمینی می­توانند به صورت گسترده قرار بگیرند، که البته ­بایستی، هردو در بیم ماهواره­های اصلی و مجاور قرار گرفته باشند. دو سری از سیگنال­های فرستنده که در گیرنده­ها به­طور جداگانه دریافت شده­اند مورد بررسی قرار می­گیرند تا اختلاف زمانی و فرکانسی با استفاده از تابع ابهام متقاطع(CAF[5]) یا نگاشت همبستگی[6] در دو بعد تخمین زده شود. در برخی مواقع الگوریتم مکان­یابی فرستنده زمینی از اندازه­گیری­های تفاضل فرکانسی و زمانی در یک الگوی حداقل مربعات استفاده می­کند تا موقعیت فرستنده را برآورد کند. در ساده­ترین حالت، با ترکیب اطلاعات مداری  دو ماهواره و یک حدس اولیه از موقعیت فرستنده و قوانین فیزیکی حاکم بر حرکت ماهواره­ها مقادیر اختلاف زمانی و فرکانسی اندازه­گیری تخمین زده می­شود. اختلاف بین مقدار واقعی و مقدار اندازه­گیری شده جهت تنظیم و تصحیح موقعیت فرستنده مورد استفاده قرار می­گیرد. مقادیر تصحیح جدید جهت پیش­بینی مقادیر جدید تفاضل­های زمان و فرکانس مورد استفاده قرار می­گیرد و این روند تکرار ادامه می یابد تا بهترین تخمین بدست آید. البته روش­های دیگری نیز جهت تخمین موقعیت زمینی فرستنده وجود دارد. بعنوان مثال برای تخمین موقعیت فرستنده زمینی با موج پیوسته (CW) می­توان از یک سری اندازه­گیری­های اختلاف­ فرکانسی پیاپی استفاده کرد که البته دارای دقت کمتری نسبت به روش اختلاف زمانی است و یا امکان استفاده از سه ماهواره برای تولید دسته دوم اطلاعات تفاضلی زمانی و فرکانسی نیز می­باشد که در ازای صرف هزینه بیشتر میسر است، ضمن اینکه در این حالت، تنها امکان استفاده از مقادیر اختلاف­های زمانی امکان­پذیر می­باشد. با استفاده از یک فرستنده مرجع شناخته ­شده و حصول اختلاف زمانی و فرکانسی مرجع دقت مکان­یابی افزایش می­یابد. برخلاف تداخل یک سیگنال مدوله شده ثابت، تعیین موقعیت یک سیگنال جاروب­کننده یا سیگنالCW بسیار دشوارتر می­باشد. در صورتی که سیگنالی به طور ثابت مدوله شده باشد  با بهره­گیری از نرخ مدولاسیون این امکان وجود دارد تا با استفاده از تفاضل زمانی، فرستنده مکان­یابی شود.

می­توان گفت مهمترین پارامتر در مکان­یابی فرستنده زمینی مربوط به اطلاعات فضایی ماهواره­ها است. در صورتی که اطلاعات دقیقی در دسترس نباشد امکان مکان­یابی دقیق میسر نمی­باشد. در این حالت استفاده از  روش­های تصحیح خطا مانند  EEC [7] سودمند خواهد بود. همچنین دقت در تعیین موقعیت فرستنده مرجع نیز در مکان­یابی فرستنده زمینی تاثیرگذار است. با توجه به آمار شرکت SAT Corporation ماکزیمم فاصله مجاز بین دو ماهواره مجاور برای انجام صحیح مکان­یابی اخلا­گر زمینی در باند C، 10 تا 12 درجه، برای باند فرکانسی Ku (GHz7/13 تا 8/14) تقریبا 8 تا 9 درجه و برای ماهواره­های [8]BSS در باند فرکانسی 17تا GHz 18 برابر با 5 تا 6 درجه برای ارتباطات فراسو می­باشد. لازم به ذکر است که حداقل فاصله بین ماهواره­ها می­تواند تا 5/1 درجه کاهش یابد. سایر پارامترها در یافتن ماهواره مجاور  عبارت است از پوشش یکسان دو ماهواره، فرکانس کاری مشترک و پلاریزاسیون یکسان. در سیستم مکان­یابی می­توان از یک فرستنده مرجع زمینی برای کالیبراسیون استفاده کرد بطوری که این فرستنده باید بتواند به ماهواره اصلی و مجاور، سیگنال ارسال کند، به همین خاطر با توجه به آن که آنتن­های کوچک­تر دارای پهنای بیم بیشتری هستند، بعنوان فرستنده ارتباط فراسو بکار خواهند رفت تا کپی دقیق­تری از سیگنال را به ماهواره مجاور ارسال کند.

اطلاعات نجومی ماهواره­ها از مهمترین داده­های ماهواره­ای است که در روال مکان­یابی مورد استفاده قرار می­گیرد. این اطلاعات شامل مکان و سرعت ماهواره در دوره­های زمانی مختلف است. بعنوان مثال در صورتی که از اطلاعات نجومی TLE ماهواره­ها مربوط به سازمان NORAD که در دسترس عموم قرار دارد برای مکان­یابی استفاده شود، که معمولا دارای دقت کمتری است، خطای مکان­یابی ممکن است حتی تا 1000کیلومتر برسد. یکی از ابزار مهم برای جلوگیری از این مسئله سیستم “تصحیح خطای اطلاعات نجومی” یا از نوع EEC محصول شرکت SAT CORPORATION بوده که عدم قطعیت مکان­یابی را کاهش می­دهد. سیستم EEC نیاز دارد تا فرستنده­های ارتباط فراسو مرجع مشخص شوند تا از بین آن­ها فرستنده­ای که مشابه فرستنده سیگنال تداخل است را انتخاب کند.  همچنین اگر سیگنال تداخل از نوع سیگنال­های جاروب­کننده باشد این ابزار می­تواند با تکنیک­های پردازشی جلوی جاروب باند فرکانسی را بگیرد. در صورتی سیگنال تداخل جاروب­کننده در بازه نمونه­برداری کمتر از 3/0 ثانیه حضور داشته باشد مکان­یابی بسیار دشوار و یا با دقت نامطلوب همراه خواهد بود

تعیین موقعیت فرستنده زمینی با استفاده از یک ماهواره GSO

موقعیت یک فرستنده زمینی با استفاده از یک ماهواره GSO نیز امکان­پذیر است. به علت حرکت بسیار آهسته و8  شکل ماهواره­های GSO شیفت داپلری کوچکی در فرکانس سیگنال حامل رخ می­دهد که با اندازه­گیری این شیفت داپلری امکان تخمین موقعیت فرستنده زمینی با دقت حدود چند ده کیلومتر امکان پذیر است. در این روش اندازه­گیری­ فرکانس حامل در بازه­های زمانی کم طی چند ساعت انجام می­گیرد. اگرچه نتایج این فرآیند با استفاده از یک فرستنده مرجع قابل بهبود می­باشد، اما فرضیاتی که این روش به فرستنده تحمیل می­کند انجام این روش را دشوار می­کند، چرا که نیاز به اسیلاتور محلی فرستنده بسیار پایدار و ثابت دارد و همچنین بایستی سیگنال در طول مدت زمانی زیادی وجود داشته باشد. لازم به ذکر است برای شناسایی تداخلگر نیازی به اطلاعات جزئی سیگنال تداخل کننده نیست و تنها اندازه­گیری TDOA و FDOA برای انجام این ماموریت کفایت می­کند.

[1]jamming

[2] Adjacent  Satellite Interference(ASI)

[3] Time Difference of Arrival

[4] Frequency Difference of Arrival

[5] Cross Ambiguity function

[6] Correlation map

[7] Ephemeris Error Correction

[8] Broadcast Satellite Service