靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)常見干擾信號(hào)類型及定位方法分析

龐　京，魏澤華，武迎兵

（國家無線電監(jiān)測(cè)中心，北京　100037）

靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)常見干擾信號(hào)類型及定位方法分析

龐京，魏澤華，武迎兵

（國家無線電監(jiān)測(cè)中心，北京100037）

本文介紹了靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)中常見的干擾信號(hào)類型，以及目前用于此種衛(wèi)星系統(tǒng)干擾定位的雙星和三星定位的原理和方法，最后針對(duì)不同類型的干擾信號(hào)提出了合理的定位方法。

靜止軌道衛(wèi)星；干擾信號(hào)；定位方法

1　引言

靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有通信距離遠(yuǎn)、通信方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，在日常通信、廣播電視等領(lǐng)域被越來越廣泛地應(yīng)用。由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的開放性、透明性特點(diǎn)，用戶只要具備發(fā)射衛(wèi)星信號(hào)的一整套設(shè)備，便可利用衛(wèi)星進(jìn)行通信，因此針對(duì)靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)的干擾時(shí)有發(fā)生。目前，我國投入使用的民用靜止軌道衛(wèi)星有14顆，僅2015年，國家無線電監(jiān)測(cè)中心累計(jì)收到我國衛(wèi)星運(yùn)營商干擾申訴案件110多起，涉及11顆衛(wèi)星，累計(jì)受擾帶寬超過1000MHz，對(duì)我國經(jīng)濟(jì)增長和社會(huì)穩(wěn)定等方面造成嚴(yán)重影響。因此，對(duì)靜止軌道衛(wèi)星干擾信號(hào)的分析和區(qū)別定位，是準(zhǔn)確高效完成衛(wèi)星干擾定位工作的重要環(huán)節(jié)。

2　靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)常見干擾信號(hào)類型

靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的干擾主要來源于人為干擾、設(shè)備故障和自然現(xiàn)象等［1，2］。常見的干擾信號(hào)類型有常規(guī)調(diào)制載波、單載波、掃頻信號(hào)、同頻干擾、雜散波、時(shí)分信號(hào)等。

（1）常規(guī)調(diào)制波信號(hào)。常規(guī)調(diào)制波主要是指采用頻分多址技術(shù)，并通過QPSK， BPSK， MSK等方式進(jìn)行調(diào)制的載波。由于其系統(tǒng)具有設(shè)備簡單、容易實(shí)現(xiàn)、信號(hào)穩(wěn)定等特點(diǎn)，頻分多址方式是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中應(yīng)用最早、使用最多的一種多址方式。典型的常規(guī)調(diào)制波干擾信號(hào)頻譜圖如圖1所示。

圖1　常規(guī)調(diào)制干擾信號(hào)典型頻譜圖

這種干擾信號(hào)的頻點(diǎn)、占用帶寬、功率等參數(shù)比較穩(wěn)定，通常是某些單位或個(gè)人在未取得衛(wèi)星運(yùn)營商的許可情況下，為實(shí)現(xiàn)自己的通信目的，私自占用衛(wèi)星資源；或者是由于用戶疏忽，在不該發(fā)射的頻點(diǎn)或時(shí)段將信號(hào)誤發(fā)上星，造成對(duì)星上正常業(yè)務(wù)的干擾。

（2）單載波干擾信號(hào)。單載波信號(hào)是衛(wèi)星上較常見的一類干擾信號(hào)，常見的單載波干擾信號(hào)如圖2所示。此類信號(hào)通常不攜帶通信內(nèi)容，一般用于選頻測(cè)試（圖2上）或?qū)φI(yè)務(wù)信號(hào)進(jìn)行惡意干擾和壓制（圖2下）。

圖2　單載波干擾信號(hào)典型頻譜圖

（3）掃頻干擾信號(hào)。掃頻干擾在衛(wèi)星通信中出現(xiàn)較少，一般是由某些單位進(jìn)行測(cè)試時(shí)產(chǎn)生的，也有個(gè)別案例是由設(shè)備故障引起的。此類干擾的特點(diǎn)是干擾信號(hào)在某個(gè)頻段內(nèi)反復(fù)快速掃描，通常占用帶寬較寬，對(duì)正常用戶載波影響較大。典型的掃描信號(hào)頻譜如圖3所示，上圖所示掃頻信號(hào)在3647～3650MHz間反復(fù)掃描，占用帶寬為3MHz；而下圖掃頻信號(hào)占用帶寬較寬，為6MHz。有些掃頻信號(hào)占用帶寬可達(dá)到十幾MHz甚至更寬。

（4）同頻干擾信號(hào)。衛(wèi)星上常見的同頻干擾信號(hào)如圖4所示，圖4上圖所示干擾信號(hào)（中心頻點(diǎn)12346.5MHz、帶寬0.5MHz）功率較小，完全隱藏在正常業(yè)務(wù)載波（中心頻點(diǎn)12347 MHz、帶寬2MHz）下，無法在頻譜儀上直接觀察到，需使用專用儀器進(jìn)行分析；圖4下圖所示干擾信號(hào)（中心頻點(diǎn)4012.62 MHz、帶寬200kHz）位于業(yè)務(wù)載波（中心頻點(diǎn)4000MHz、帶寬40MHz）高端，雖然帶寬比業(yè)務(wù)載波小很多量級(jí)，但功率比業(yè)務(wù)載波高出6dB左右，可以從頻譜儀上直接觀測(cè)到。

圖3　掃頻干擾信號(hào)典型頻譜圖

圖4　同頻干擾信號(hào)典型頻譜圖

圖5　雜散干擾典型頻譜圖

（5）雜散干擾。雜散干擾通常是由于發(fā)射機(jī)故障產(chǎn)生的，主要來源包括功率放大器以及其內(nèi)部的熱噪聲、系統(tǒng)互調(diào)產(chǎn)物和接收頻率范圍內(nèi)收到的其他輻射等被發(fā)射上星，造成干擾。雜散干擾典型頻譜圖如圖5所示。由于雜散干擾產(chǎn)生的頻點(diǎn)、帶寬、功率等參數(shù)不固定，會(huì)嚴(yán)重影響合法用戶之間的通信以及衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的正常使用。

3　不同信號(hào)類型的定位方法分析

目前，靜止軌道衛(wèi)星干擾定位技術(shù)主要包括雙星時(shí)頻差（TDOA/FDOA）、雙星頻差（FDOA/FDOA）以及三星時(shí)差（TDOA/TDOA）定位［3，4，5］方法。

3.1定位原理及方法

（1）雙星定位原理及方法。典型的雙星TDOA/ FDOA定位原理如圖6所示。干擾信號(hào)由上行站天線發(fā)射后同時(shí)被主星（受擾衛(wèi)星）和鄰星（與主星軌道間隔一定距離用于輔助定位的衛(wèi)星）轉(zhuǎn)發(fā)，最后由接收站的天線接收。信號(hào)經(jīng)過不同的傳播路徑產(chǎn)生TDOA，由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)因衛(wèi)星攝動(dòng)以及轉(zhuǎn)發(fā)器本振漂移等產(chǎn)生FDOA。根據(jù)TDOA， FDOA分別在地球上畫出一條曲線，兩線交點(diǎn)即為干擾上行站位置。

圖6　雙星定位基本原理圖

在選擇雙星定位方法時(shí)，需要至少4個(gè)已知地理位置和發(fā)射頻點(diǎn)的上行站作為定位參考站，用于抵消鏈路引起的相位噪聲以及衛(wèi)星星歷精度引起的測(cè)量誤差。4個(gè)參考站的選取要符合一定的規(guī)則，確保至少一個(gè)參考站（相位參考）地理位置與干擾上行站位置接近，其他參考站（位置參考）均勻分布在干擾上行站周圍，參考站位置選擇不合理會(huì)對(duì)定位結(jié)果帶來較大誤差。

（2）三星定位基本原理。三星定位基本原理如圖7所示，主要由干擾上行站、受擾主星、兩顆鄰星、地面接收站以及參考站組成。干擾信號(hào)由三顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，并分別由3個(gè)地面接收天線接收。定位系統(tǒng)測(cè)量出主星與鄰星1、主星與鄰星2產(chǎn)生的兩個(gè)TDOA值，兩條時(shí)差線在地面上的交匯區(qū)域即為上行站位置。

圖7　三星定位基本原理圖

在選擇三星定位方法時(shí)，需要兩顆鄰星以及一個(gè)參考站輔助定位。參考站的位置要與干擾上行站盡可能接近；兩顆鄰星的軌道位置需要存在一定間隔，并且轉(zhuǎn)發(fā)器的配置與被干擾轉(zhuǎn)發(fā)器相近。

3.2常規(guī)調(diào)制信號(hào)干擾上行站定位

常規(guī)調(diào)制信號(hào)如圖1所示，這種信號(hào)一般采用頻分多址方式，并通過QPSK， BPSK等方式進(jìn)行調(diào)制，信號(hào)時(shí)、頻差參數(shù)穩(wěn)定，較容易定位。由于信號(hào)含有TDOA， FDOA分量，因此可以選擇雙星TDOA/ FDOA和三星TDOA/TDOA進(jìn)行定位。通常情況下，由于FDOA受多普勒頻移、衛(wèi)星本振漂移、定位時(shí)間和衛(wèi)星星歷等較多因素影響，因此其測(cè)量誤差比TDOA值的誤差大。三星定位由于未使用FDOA值進(jìn)行計(jì)算，通常存在較小誤差，因此在鄰星條件充足情況下，優(yōu)先使用三星定位方法進(jìn)行定位。

此外，定位時(shí)要根據(jù)干擾信號(hào)的頻點(diǎn)、帶寬、功率以及鄰星的載波情況進(jìn)行靈活的參數(shù)設(shè)置。例如，圖1所示干擾信號(hào)帶寬為1～2MHz，功率大小2 0 d B左右，通?？稍O(shè)置采集帶寬為300～1000kHz，采集時(shí)長可設(shè)置為5～20s。

3.3單載波干擾上行站定位

單載波信號(hào)如圖2所示。由于單載波不含有時(shí)間分量信息，因此無法獲取其TDOA參數(shù)，只能利用兩條FDOA線進(jìn)行定位，即雙星FDOA/FDOA方法。雙星FDOA/FDOA原理與雙星TDOA/FDOA原理類似，不同之處在于，雙星FDOA/FDOA方法利用兩條頻差線得到干擾上行站位置。

由于一次定位只能得到一條頻差線，因此利用該方法時(shí)，需要進(jìn)行兩次定位，測(cè)量出兩條頻差線，兩線相交則得干擾上行站位置。兩次定位需要間隔較長時(shí)間，間隔時(shí)間越長，兩條頻差線夾角越大，定位結(jié)果越準(zhǔn)確。最后綜合兩次定位結(jié)果的頻差值進(jìn)行計(jì)算得到上行站位置。

3.4掃頻信號(hào)干擾上行站定位

掃頻信號(hào)如圖3所示。這種類型的信號(hào)占用帶寬較寬，信號(hào)掃描速度較快且出現(xiàn)時(shí)間較短，因此在定位時(shí)，應(yīng)盡量選擇較大的采集帶寬，以及延長采集時(shí)間，使系統(tǒng)盡可能多地采集到信號(hào)信息。此外，由于掃頻信號(hào)頻點(diǎn)變化快且出現(xiàn)時(shí)間較短，采用三星定位方式則可以明顯節(jié)省定位所需時(shí)間，提高定位精度。

3.5同頻信號(hào)干擾上行站定位

同頻干擾信號(hào)如圖4所示。在業(yè)務(wù)載波正常發(fā)射情況下，業(yè)務(wù)載波和干擾載波被同時(shí)采集，導(dǎo)致出現(xiàn)兩個(gè)定位結(jié)果，此時(shí)若業(yè)務(wù)載波位置已知，則可通過排除法得到干擾上行站位置。然而當(dāng)業(yè)務(wù)載波功率較大時(shí)，會(huì)使得系統(tǒng)采集到的干擾信號(hào)分量微弱，無法得到干擾信號(hào)上行站結(jié)果。這種情況下，可利用定位系統(tǒng)的“同頻對(duì)消”功能，生成一個(gè)與業(yè)務(wù)載波中心頻點(diǎn)、帶寬均相同的調(diào)制載波，將業(yè)務(wù)載波“抵消”，使干擾信號(hào)完全“暴露”出來。

若某同頻干擾信號(hào)為調(diào)制波信號(hào)，則可采用雙星TDOA/FDOA以及三星TDOA/TDOA方法，參考常規(guī)調(diào)制干擾信號(hào)定位方法進(jìn)行定位；若干擾信號(hào)為單載波信號(hào)，則采用雙星FDOA/FDOA方式進(jìn)行定位。

3.6雜散干擾上行站定位

雜散干擾典型頻譜如圖5所示。雜散干擾經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)且由地面站接收后，同樣存在時(shí)間差以及頻率差參數(shù)信息，因此仍可以使用常規(guī)調(diào)制干擾信號(hào)的定位方法，即雙星TDOA/FDOA以及三星TDOA/TDOA方法進(jìn)行定位。

由于雜散干擾產(chǎn)生的頻點(diǎn)、占用頻段、功率等參數(shù)不穩(wěn)定，因此定位時(shí)需提高采集帶寬及采集時(shí)長，建議選用耗時(shí)較少的三星TDOA/TDOA方法進(jìn)行定位，這樣可以有效避免因頻率差引入的較大誤差，提高定位結(jié)果精度。

4　結(jié)束語

本文介紹了靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)中常見的干擾信號(hào)類型，并針對(duì)不同類型的干擾信號(hào)分別給出了合適的定位方法。在實(shí)際定位工作中，干擾信號(hào)往往復(fù)雜多變，因此定位時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇定位方法、參考信號(hào)、采集參數(shù)等。此外，衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展會(huì)促生出更復(fù)雜的干擾信號(hào)，因而針對(duì)衛(wèi)星干擾信號(hào)的分析和定位方法還需要進(jìn)一步的研究。

［1］閆肅，劉海洋.衛(wèi)星頻段常見干擾類型及其監(jiān)測(cè)、查找方法［J］.中國無線電管理，2010（11）:52-55

［2］劉武兵.衛(wèi)星特殊干擾信號(hào)監(jiān)測(cè)方法的研究［J］.中國無線電管理，2007（1）:44-47

［3］葉尚福，孫正波，夏暢雄.衛(wèi)星干擾源雙星定位技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2013:11-37

［4］楚恒林，李獻(xiàn)球.衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)的監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)［J］.無線電通信技術(shù)，2010（3）:48-50

［5］程麗娜.基于三星定位的TDOA參數(shù)估計(jì)方法的研究［D］.北京交通大學(xué)，2008

Analysis of the Common Interference Signal Types and Location Method of Geostationary Satellite Communication Systems

Pang Jing， Wei Zehua， Wu Yingbing
（State Radio Monitoring Center， Beijing， 100037）

This paper introduces the common types of interference signals in geostationary satellite communication systems and the current location methods， then give the reasonable location methods according to different types of interference signals.

Geostationary Satellite； Interference Signals； Location Method

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.10.016

TN927+.2文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2016）10-0056-05

龐京，女，碩士研究生，現(xiàn)任職于國家無線電監(jiān)測(cè)中心北京監(jiān)測(cè)站，助理工程師，主要從事衛(wèi)星信號(hào)定位方面工作。

魏澤華，男，碩士研究生，現(xiàn)任職于國家無線電監(jiān)測(cè)中心北京監(jiān)測(cè)站，助理工程師，主要從事衛(wèi)星信號(hào)監(jiān)測(cè)分析方面工作。

武迎兵，男，碩士研究生，現(xiàn)任職于國家無線電監(jiān)測(cè)中心北京監(jiān)測(cè)站，助理工程師，主要從事超短波信號(hào)監(jiān)測(cè)及定位方面工作。