国外电磁频谱监测与定位卫星星座发展概况
导读:2019年12月11日，美国国家侦察局（NRO）宣布授予美国射频信号监测与定位创企Hawkeye 360公司一份商业射频（RF）遥感的数据集成研究合同。通过合同，HawkEye 360将研究将其商用射频功能和产品集成到NRO的地理空间情报体系架构中。无线电/射频信号监视（或称“电磁频谱监视”）曾经是军事侦察卫星独有功能，但借助美国弗吉尼亚理工大学休姆国家安全和技术中心的技术转让，HawkEye 360已成功开发与运营全球首个针对射频信号进行识别、处理和地理定位的商用小卫星星座，并提供相关商业服务。
电磁频谱，指的是电磁波按照频率或波长分段排列所形成的结构谱系。电磁频谱是现代社会不可或缺的重要战略资源，随着电子信息技术的不断进步、广泛应用，电磁频谱资源的稀缺性日益凸显。目前世界各国均设立了电磁频谱监管机构，以便更为合理、有效地对其进行规划、监测、管理。电磁频谱管理直接关系到社会经济、国家安全等诸多方面，特别是在航空、水运、高铁等交通运输专用频率秩序维护以及要地防护、活动保障、反恐维稳等任务电磁频谱安全保障领域，发挥着非常重要的作用，具有重大意义。
美国鹰眼360公司测绘的射频信号数据地图
大范围、高密度电磁频谱应用需求与严格受限电磁频谱资源之间的矛盾，使得电磁频谱应用空间越来越广泛、应用方式越来越复杂多样。针对日趋广阔的监测区域需求以及日益复杂的电磁环境适应性需求，以地基设备为核心的现有电磁频谱监测体系，受限于观测视距以及信号多径等诸多因素影响，在广域频谱监测、精确辐射源定位等方面的短板显著，已难以满足实际应用需求。特别是对干扰源、非法用频终端等辐射源的快速查找，目前已经成为困扰电磁频谱监管的重要难题，现有以地基设备为核心的电磁频谱监测设备，通常仅能在10～100km量级的监测区域内、提供5～10km的辐射源定位精度，在这种情况下，想在高楼密布的城市中快速找到干扰源、非法用频终端等辐射源几乎无法实现，导致实际工作中需要付出大量的人力和时间详细排查，效率低下。
近年来，迅速发展的微纳卫星技术为电磁频率监测应用提供了新的解决方案。微纳卫星具备高集成度、低费效比、短研制周期等特点，通过一箭多星或搭载的发射方式，构建低轨微纳电磁频谱监测星座，利用卫星平台的高度优势，多星协同工作、星地联合处理，可实现大范围、全天候、宽频段、长时间的电磁频谱连续监测以及干扰源、非法用频终端的快速精确定位，显著提升电磁频谱态势感知效能，弥补现有监测体系能力不足。
下面简要介绍一下国外正在进行商业化的电磁频谱监视与定位卫星星座发展概况。
一、HawkEye 360
成立于2015年9月的美国鹰眼360（HawkEye 360）公司是一家无线电数据分析公司，通过运营低轨卫星星座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。其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天基监测体系示意图
1.卫星与星座
卫星方面，鹰眼360自研射频有效载荷，加拿大多伦多大学航空航天研究所空间飞行实验室（UTIAS-SFL）负责制造卫星平台，原Deep Space Industries（DSI，现已被Bradford Space收购）负责推进系统——Comet™水基电热推进系统。
星座方面，鹰眼360星座计划由18颗卫星组成，分为6个编队，每个编队包括3颗卫星。每个卫星编队可在轨道上实现独立的上行信号定位。每颗卫星都配备了软件定义无线电（SDR）系统。其主要功能是频谱测绘、信号源定位和应急通信。
鹰眼360卫星三星编队飞行概念图
信号定位方面，鹰眼360卫星按3颗一组密集编队飞行，以确定射频信号源位置。鹰眼360使用专有算法来处理卫星生成的射频（RF）数据，当3颗卫星中的任意2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）方法进行定位，而对于微弱信号则采用盲相干累计（BCI）进行辅助定位。其星座全部18颗卫星在轨后，将能以平均不到1小时的频率重访各地。
天基监测卫星系统的具体情况如下：
2018年，由首批三颗卫星（Hawk A/B/C）组成的星座“探路者”（Pathfinder）任务成功发射并按计划编队飞行。2019年2月完成首批卫星调试，4月启动商业服务。
鹰眼360首批卫星信号测试图
鹰眼360为后续发射的新卫星研制了新型射频有效载荷，可使新卫星在更大的频率范围内对更多的信号进行地理定位，并提高精度，减少数据延迟，以便更及时地向客户交付数据。
2.关键技术
射频信号方面，鹰眼360当前关注的信号包括甚高频一键通无线电、海事雷达系统、AIS信标、VSAT终端、蜂窝塔、紧急信标等等，并可持续扩展。鹰眼360还针对特定频率范围进行频谱调查，从而创建整个区域能量密度的热图。
数据分析方面，上述产生的一阶分析提供了有关光谱环境和发射器位置信息。鹰眼360将每个感兴趣的信号与一个误差椭圆一起映射，以95%的概率表示计算出的目标位置。通过关联来自同一发射器的多个读数，可以提高精度，并在距离实际位置500米的范围内获得结果。其使用机器学习和人工智能生成更高阶的分析，从而揭示诸如船只等物体的行为模式。
数据融合方面，鹰眼360的RF数据层丰富了卫星图像分析，既可以指导查看位置，又可以帮助评估正在监视的内容。鹰眼360与卫星图像、合成孔径雷达（SAR）、地理空间数据和第三方数据库提供商建立了合作伙伴关系，包括雷声公司、空客公司、Esri、Windward和BlackSky等，以合作开发多源数据融合产品。
Esri ArcGIS Enterprise软件测绘的鹰眼360射频数据
（注：蓝点显示基于自动识别系统（AIS）数据的报告位置，橙点显示基于射频信号的位置，红色圆圈表示确定性为95％的区域。）
云平台方面，鹰眼360在安全的云环境中运行，以支持大量的处理要求并管理大数据生产。其提供了一个应用程序编程接口（API），简化射频信号分析的订购和直接向客户系统的交付。
3.产品与服务
鹰眼360目前提供产品和解决方案等2种类型服务。其中，产品包括RFGeo、RFMosaic和SEAker，均可服务于地面、海洋和空中等区域及其中目标。解决方案与上述产品有所交叉，主要包括安全与国防、海事、电信和应急响应等。
图表 2：鹰眼360产品概述
二、Kleos Space
法国射频侦察数据即服务（DaaS）创企Kleos Space SA正在开发一个射频定位卫星星座，旨在在船只关闭自动识别系统（AIS）情况下利用甚高频（VHF）信号定位船只位置，并基于该星座开发地理定位情报数据服务。Kleos Space星座将检测无线电传输并查明其来源和时间，使政府等组织能够检测到毒品和人口走私、非法捕鱼以及海盗行为等活动，并识别需要进行海上搜救的人员。
Kleos Space卫星星座概念图
1.卫星与星座
卫星及星座方面，Kleos Space自研射频定位有效载荷，GomSpace负责制造其卫星平台（6U立方星），Kongsberg Satellite Services（KSAT）提供商业地面站服务。
其首次发射任务称为“Kleos侦察任务”（Kleos Scouting Mission，KSM），共包括4颗卫星。首批4颗卫星约重8~10kg，将搭载在印度PSLV C49火箭上发射，发射时间不早于2020年年初。首批4颗卫星发射后进入倾角37°、高度555km的太阳同步轨道（SSO），以保证在包括霍尔木兹海峡、中国南海以及东非和西非海岸在内的关键航运区域提供最佳重访率。四星在轨将保持松散的四面体编队，以进行射频定位。另外，卫星推进剂采用高纯度丁烷。
除首批前4颗卫星外，另有4颗卫星正改进配置，旨在扩大覆盖范围，增强数据收集并增加潜在的收入和客户，并有望在赤道附近提供更好的覆盖。
Kleos Space Scouting Mission立方星
2.产品与服务
Kleos Space卫星星座最终生成数据，其数据产品通过应用程序编程接口（API）分为3种满足不同平台要求的产品级别，包括Guardian RF、Guardian LOCATE和Guardian UDT。上述产品以服务订阅形式提供，分别提供原始数据、处理后数据和客户自定义数据。不同产品服务提供不同类型数据，其中Guardian RF可以在50kHz至10MHz捕获带宽下监测155~165MHz频段范围，提供50kSps至10MSps采样率、具有时序信息的I/Q采样格式数据。Guardian LOCATE和Guardian UDT提供射频信号地理位置信息，包括经纬度以及事件的日期/时间、持续时间、发送频率等捕获指标，定位精度200m至3km。
Kleos Space服务领域包括国防、商业和监管。Kleos Space数据为ABI“提示和暗示”其他EO和ISR资产提供了高成本效益的输入，并宣称“全球地理位置数据首次可供商业用户使用”。
同时，Kleos正在开发“地理空间情报数据即服务”（GEOINT DaaS），当其与数据融合平台中的地图或其他图像（如ISR）结合部署时，将能提供一种创新的方法来识别客户感兴趣的活动。
3.发展进度
2018年8月31日，Kleos Space宣布与空客防务与航天公司签署了一项不具约束力的谅解备忘录。双方计划利用谅解备忘录将无线电频率监测、发射机地理定位等技术发展到国际市场，并探讨更多合作机会。
2019年8月6日，Kleos Space宣布与美国Spire Global公司合作开发增强海事安全的卫星数据产品，该产品将结合Kleos Space的射频数据和Spire的自动识别系统（AIS）数据，以帮助政府和海上安全组织发现企图逃避检测的船只。
2019年8月30日，Kleos Space宣布其美国分公司Kleos Space Inc.获得美国空军小企业创新研究（SBIR）项目“Innovative Defense-Related Dual-Purpose Technologies/Solutions with a Clear Air Force Stakeholder Need”第一阶段合同。
三、UnseenLabs
成立于2015年的法国创企UnseenLabs正在建设由数十颗卫星组网的一个星座，用于监视海上交通，利用天基传感器跟踪那些有意关掉“自动识别系统”（AIS）应答机等的船只，提供频谱监测与电磁情报服务（SIGINT）。UnseenLabs重点关注政府用户以及保险和油气行业用户，不会涉足电子战领域。
UnseenLabs星座概念图
UnseenLabs独自研制频谱监视有效载荷，GomSpace提供6U立方星平台。在只有一颗低轨卫星的情况下，需要花0.5~2天时间重访某个位置；而一旦在轨卫星数达到20颗，重访周期将缩短到1小时以内。UnseenLabs希望在低地轨道上部署20～50颗卫星，具体数量取决于用户需求。
BRO卫星概念图
UnseenLabs星座特点如下：
1.拥有高速上下行链路；
2.满足客户不同需求（船舶位置地图格式）的自适应分析；
3.即使是不合作船只也能保证效率；
4.实时更新。
UnseenLabs星座首发星BRO-1(Breizh Reconnaissance Orbiter-1)于2018年8月19日由火箭实验室“电子”号火箭发射入轨。初步运行和测试表明，首发星BRO-1能够探测到船只发出的射频信号。后续5～6颗卫星将在2020年发射。
与地基电磁频谱监测设备相比，电磁频谱检测与定位卫星星座在监测范围、定位精度均实现了数量级的提升，有效弥补了现有监测体系在广域频谱监测、精确辐射源定位等方面的短板，通过更为高效、精确的感知，为电磁频谱使用规划提供全面支撑，为电磁频谱管理执行提供高效保障，在社会经济、国家安全等诸多方面，具备广阔应用前景。国内应该在单星和星座（宁夏一号）基础上继续发展相应技术，加快商业应用和推广，以增强国际竞争力并掌握电磁频谱话语权。
总结
主要参考文献
[1].基于微纳卫星的电磁频谱监测系统技术_苏抗等
[2].SRMC观点|HawkEye 360天基无线电监测系统介绍_郝才勇
[3].HawkEye 360 Expands Into UHF and L-Band
[4].NRO awards two commercial integration study contracts
[5].Hawkeye 360 taps UTIAS Space Flight Laboratory to build 12 more satellites
[6].Luxembourg’s Kleos Space Scouting Mission-1 To Launch On ISRO PSLV In December 2019
[7].'Mission ready’ Kleos Space prepares to deploy nanosatellites from India
[8].UnseenLabs plans to launch half dozen ship-tracking cubesats in 2020
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