利用無人機開展Ka頻段衛星終端監測研究

葉淋美，林于新，陳弘揚

（國家無線電監測中心福建監測站，福建 廈門 361000）

0 引言

Ka頻段衛星終端旁瓣信號強度十分微弱，主要由于Ka頻段衛星終端波束窄，旁瓣信號微弱。拋物面天線波束寬度與天線口徑、工作頻率有關，天線口徑越大或工作頻率越高，天線波束寬度越窄。Ka頻段衛星終端收發天線通常采用拋物面天線時，半功率波束寬度在1°以內[1]。主瓣寬度越窄，反之拋物面天線的旁瓣范圍越大。從方向性天線應用角度，主旁瓣增益比越大越好。

傳統無線電監測技術方法具有一定的局限性：地面微弱電臺查找效率低下。無線電干擾源查找定位常見的做法是采用移動逼近方式，主要利用便攜設備監測目標信號強度和確定信號來波方向。地面監測技術手段在地面無線電監測業務中發揮了重要技術作用[2]，但對于衛星終端監測卻存在較大局限，主要原因是衛星終端天線具有較高的方向性，衛星終端工作時天線主瓣始終對準其通信衛星，地面監測平面遠遠低于衛星軌道高度，只能監測到其微弱的旁瓣信號，很大程度增加了地面監測難度。

需要一種有效查找微弱信號的技術手段。地面監測存在困難的根本原因是在進行地面監測時監測路徑損耗較大，衛星終端旁瓣微弱信號經無線電空間輻射和多徑損耗作用，到達監測天線口面處的信號強度較為微弱。為達到目標監測效果，減小監測路徑傳播損耗或提升監測設備性能是可能實現的辦法。大部分無線電監測站設備均能夠配備國內外高水平監測設備，因此解決衛星終端監測的難點在于如何減小監測傳播路徑損耗帶來的問題。利用無人機平臺監測地面輻射源，可以增大監測高度，減小監測路徑傳播損耗，從而提高對Ka衛星終端的微弱旁瓣監測能力。

1 無人機平臺監測測試

本文研究的無人機平臺監測即利用無人機搭載無線電監測設備開展無線電頻譜監測，將無人機和無線電監測設備統稱為無人機平臺監測系統。這里的無人機平臺監測測試具體指利用無人機平臺監測系統接收來自測試對象（衛星終端）目標頻率信號的監測測試。

1.1 發射系統

測試鏈路發射系統為改裝的Ka衛星終端，改裝方法如圖1所示，它是由某靜止軌道衛星便攜終端、信號源、合路器和一些零部件組成。改裝后，信號源產生自定義測試要求的基帶調制信號經過等效口徑為0.75 m的拋物面天線向空中輻射能量。

圖1 發射終端改裝示意圖

利用改裝后的衛星終端進行天線伺服人工控制和調制器參數配置，可實現非靜止衛星終端發射性能模擬。待測試的衛星終端發射參數如表1所示。

表1 衛星終端性能指標

1.2 Ka頻段無人機平臺監測系統

無人機平臺監測系統由無線電監測無人機、無線電監測地面站和緊急接管用的遙控器三部分組成，各部分之間通過無線數據鏈接。地面站上傳飛行與監測命令，無人機下傳監測與飛行數據。無人機受自動駕駛儀控制，通過搭載的數傳單元接收地面站上傳的監測、遙控或飛行指令，自動執行后，下傳監測和飛行數據。除了正常地執行地面站上傳的各類命令，自動駕駛儀還要實時監控無人機的飛行姿態、電池電量等參數，一旦有參數到達臨界值，將自動返航，以保證飛行安全。

監測接收機是實施無線電信號監測的主要功能設備，與地面監測接收機用途一樣，無人機搭載的監測接收機具備無線電監測測量基本功能，能夠完成信號頻率、信號帶寬、信號強度等基本指標的測量。影響接收機監測性能的關鍵因素是接收機靈敏度指標，因此配備高性能接收機對于微弱信號的監測具有重要意義。

監測系統接收天線采用Ka頻段喇叭天線，具有較強的方向性，提供一定的天線接收增益。天線極化方式為線極化，采用卡扣方式嵌入在無人機支撐架底部，能夠實現垂直和水平極化方式變換。采用線極化天線作為監測天線，既能滿足線極化信號監測，也能監測衛星圓極化信號，但需考慮極化匹配損耗。

LNB主要由低噪聲放大器和下變頻器兩部分組成，低噪聲放大器主要作用是保持低噪聲環境下的信號能量放大。在一定范圍內，放大倍數越大，噪聲系數越低，越有利于微弱信號的監測。下變頻器的主要作用是將接收的信號從較高頻段搬移到接收機監測頻段，擴展了監測系統可監測頻段。無人機平臺監測系統設備性能指標如表2所示。

表2 無人機平臺監測系統設備性能指標

2 無人機平臺監測覆蓋能力論證

2.1 驗證思路

為了論證無人機平臺監測系統對Ka衛星終端的監測能力，采用網格化監測獲得距離發射源不同水平距離上空的無人機信號強度監測值。該測試方法的基本思路是：通過測量不同水平距離的信號強度，找出無人機監測對目標信號監測的臨界距離，該距離為無人機監測的覆蓋最遠距離。通過進行測量值數據推演，獲得目標信號的輻射趨勢，進而判斷針對特定輻射源輻射特征或特定監測覆蓋需求的無人機監測系統性能指標值。

2.2 測試分析

圖2為無人機監測平臺對發射參數預先設定的衛星終端發射參數進行測試的數據結果。測試結果顯示，無人機監測鏈路發射源等效輻射功率為32.5 dBm時，無人機監測覆蓋半徑約為6 km。

對測量數據進行二項式擬合，擬合曲線如圖2中粗虛線（TestData Fit）所示，與經修正的自由空間傳播模型（RevFSL）比較，具有較高的一致性。因此，當無人機監測鏈路目標信號強度發生變化時，通過變換自由空間傳播模型修正系數，可以推導獲得無人機監測平臺對特定目標的監測覆蓋；當無人機監測系統技術指標不同時，可以通過查找經修正的自由空間傳播模型信號強度預測曲線，獲得與之對應的覆蓋距離值。例如，當無人機監測系統靈敏度約為-182.5 dBm/Hz時，監測覆蓋距離為8 km。

圖2 自由空間傳播修正模型數據推演

3 結束語

本文測試了無人機平臺監測Ka頻段衛星終端的覆蓋能力，驗證了無人機監測系統對于微弱信號的監測效果。探討了當監測工作實際情況如目標信號功率或監測系統性能發生變化時，采用自由空間傳播修正模型推導監測覆蓋距離的方法，對于實際衛星監測工作具有一定的參考意義。