衛星通信中頻轉發干擾的一種快速定位方法研究

李合金，郭 琛，王澤森，潘 雷

（中國人民解放軍63751 部隊，陜西 西安 710000）

0 引言

衛星通信是支撐星地通信和地表超遠距離通信的主要手段，在人類開發和探索太空的時代背景下，通信衛星的穩定運行至關重要。在衛星通信中，由于多種因素導致轉發器受到干擾無法避免，快速定位干擾是衛星通信系統面臨的主要挑戰。衛星通信系統中存在多種形式干擾，其中，中頻轉發干擾通過影響星上轉發器，從而導致多條衛星通信鏈路同時出現異常，因此中頻轉發干擾比其他形式干擾更具嚴重性。文獻[1]將傳統的集中式功率控制和分布式功率控制技術應用在衛星系統間同頻干擾抑制上，形成新的自適應功率控制技術，借助功率控制實現衛星系統間同頻干擾抑制。西北工業大學電子信息學院唐成凱等人[2]提出了一種雙向中繼轉發自干擾消除算法，利用地面通信站對自身發射信號已知的特點，通過延時寄存器對自身發射信號進行多抽頭采樣，然后根據各抽頭采樣對接收信號的干擾影響，對抽頭采樣進行加權處理并賦予不同權重，以減小自身發射信號的干擾。文獻[3]首先搭建起多路轉發系統的仿真模型，然后逐一對各路轉發天線的位置及架設角度進行電磁仿真、優化，實現了系統的抗同頻干擾。文獻[4]提出了一種非均勻采樣與波形重構的方法，對干擾波形進行優化。以上工作主要針對同頻干擾抑制進行研究，然而在實際的衛星通信系統內出現同頻干擾時缺乏有效的定位手段。Dajian 等人[5]通過仿真得到了低比特衛星互聯網全局干擾的動態分布，利用低軌衛星互聯網全球干擾場景、干擾分布模型和干擾分析模型，獲得低軌衛星互聯網全球上行和下行干擾的動態模型。文獻[6]-[7]通過建立衛星通信系統中頻轉發干擾模型，得到了模型中參數的變化對中頻轉發干擾的影響規律，同時進一步探討了衛星通信系統中頻轉發干擾產生的原因，給出了排查中頻轉發干擾問題的解決思路。文獻[8]給出了衛星導航干擾源空地協同測向定位系統設計方案和干擾源查找流程。Aruna 教授[9]推導了在多徑衰落信道上同信道干擾的中斷概率等數學模型。文獻[10]在現有抗干擾技術的基礎上，提出了北斗/INS 對中繼臺干擾的綜合對抗方案，極大地提高了此類干擾的檢測概率，減少了對有用信號的誤判。文獻[11]針對通信衛星多軌道、多波段、區域波束和點波束的覆蓋特點，分析了不同干擾場景下的干擾定位技術，介紹了干擾定位實現方法，為后期衛星通信系統建設應用奠定了理論基礎。以上工作對衛通系統中存在的干擾進行模型分析，闡述了中頻轉發干擾的產生機理，但未實現在衛星通信系統中干擾源定位的實際工程優化及驗證。為解決衛星通信中的中頻轉發干擾定位問題，本文首先對中頻轉發干擾機理進行論述，給出具體中頻轉發干擾頻偏模型，結合建立地球站頻偏數據庫，通過設計基于頻偏的中頻轉發干擾定位算法以實現中頻轉發干擾源的快速定位。仿真結果分析驗證了本文所提方案的可行性，并有效提升了排查干擾站的效率及準確性。

1 中頻轉發干擾

衛星通信系統中，衛星通信地球站下行接收的射頻信號經過放大、下變頻、濾波等處理，變換為中頻信號，但接收的中頻信號通過電磁感應重新混入其上行中頻鏈路，通過上行通道發射上星并形成閉合環路，從而對星上原載波造成干擾，這種干擾稱為中頻轉發干擾[7]。

此種干擾由于干擾信號與正常業務信號的發射頻率相同，形成干擾信號和正常業務信號疊加，導致干擾信號功率增加，整體信噪比降低，在極端情況下載噪比跌破下行信號正常接收解調所需的電平門限，從而引發數據中斷，嚴重影響正常用戶的通信質量。衛星通信信號變頻流程示意圖如圖1 所示，中頻轉發干擾常發生于透明轉發器衛星系統。

圖1 衛星通信信號變頻流程示意圖

1.1 中頻轉發干擾頻譜特性

中頻轉發干擾信號在頻域中與正常信號產生疊加，利用頻譜儀觀測信號時，干擾信號產生的功率疊加在正常信號底部，利用頻譜儀觀測中頻轉發的星上調制信號時，由于中頻轉發產生的干擾信號相較于調制信號的帶寬寬度頻率偏移量過小，有較強的隱蔽性，頻譜儀無法直觀觀測到干擾信號功率、頻率等頻譜特性。圖2 所示為調制信號中頻頻譜。

圖2 調制信號中頻頻譜

然而，利用頻譜儀觀測單點頻信號，由于單點頻信號在頻域表現為一個單點脈沖，在頻譜儀上設置合適的觀測環境，可以直觀地觀測出干擾信號功率、頻率等頻譜特性，單點頻正常信號與單點頻干擾信號在功率及頻率捕獲結果分別如圖3(a)、圖3(b)所示。

圖3 單點頻信號功率及頻率

1.2 中頻轉發干擾信號產生機理分析

在透明轉發器衛星通信系統中，信號的功率在衛星鏈路中遵循功率累加規律。信號功率在整個衛星鏈路中經過多個放大設備處理，由于不同地球站的放大設備的實際放大能力存在差異，使用的轉發器也存在頻段、增益的不同，無線信道對于信號的衰減與功率直接相關，因此整個衛星鏈路中利用信號功率的累加規律來考慮中頻干擾信號定位的方法較難實現[1]。

信號的頻率在衛星鏈路中遵循頻率的累加規律。信號頻率在整個衛星鏈路中，地球站調制解調器將基帶信號轉換為中頻信號，地球站上變頻器將中頻信號轉換成上行射頻信號，衛星轉發器將接收到的地球站上行射頻信號進行下變頻后向接收端地球站轉發，接收端地球站下變頻器將接收到的來自衛星的下行信號轉換成中頻信號。在信號轉換過程中，經過了發端調制解調器、發端地球站上變頻器、衛星轉發器、收端下變頻器和收端調制解調器五個設備的轉換。中頻轉發干擾是中頻信號通過電磁感應串入上行中頻鏈路產生的，因而在衛星鏈路頻率轉換流程中可以剔除雙端調制解調器對于頻率偏移的影響。在衛星鏈路頻率轉換過程中，衛星鏈路使用不同的通信頻段，由于頻譜監視手段是對射頻調制信號和中頻調制信號進行監測，監測頻段范圍相對較大，因而頻譜監視手段無法直觀測量調制信號中因中頻干擾信號產生的頻率偏移量。在衛星鏈路頻率轉換中，是通過被處理信號與變頻設備提供的本振信號進行混頻實現的，變頻設備提供的本振信號是借助10 MHz 晶振信號通過升頻電路產生的，變頻器內負責提供本振信號的壓控晶體振蕩器具有較強的硬件穩定性，因而輸出的本振信號頻率穩定性較高[12]。不同頻率轉換設備中的本振信號頻率偏移量會在衛星鏈路頻率轉換中累加。在衛星鏈路中頻率轉換設備只有上下變頻器和衛星轉發器，因此可考慮利用本振信號頻率偏移和偏移量累加特性實現中頻干擾定位。

衛星鏈路正常信號頻率偏移量fdisp可以表示為：

1.3 中頻轉發干擾設備頻偏測量方法

在衛星系統中，各地球站頻率轉換設備和轉發器的頻率偏移量可準確測量?，F用的衛星鏈路變頻器等頻率轉換設備短期頻率穩定度≤5×10-12s，地球站現用頻率轉換設備的年頻率穩定度為1.5768×10-4Hz，頻率轉換設備的頻率高穩定特性，確保了頻偏數據庫的高度穩定。將所有衛星通信系統內地球站上下變頻器和衛星轉發器的頻率偏移量數據準確記錄并納入數據庫中，可為中頻轉發干擾定位提供數據比對依據。

變頻器頻率偏移測量可利用信號源發送單載波信號，利用頻譜儀首先測量該單載波信號的頻率偏移量，隨后經信號源發送的單載波信號輸入變頻器，將變頻后的信號輸出至頻譜儀進行頻率偏移量測量，用第二次測量數值與第一次測量數值作差，即得到該變頻器的頻率偏移量。

2 中頻轉發干擾頻偏模型

工程實際中上下變頻器都采用間接變頻，在含有中頻轉發干擾的衛星通信系統中，經一次轉發與二次轉發的中頻信號之間會因地球站變頻器本振信號和衛星轉發器本振信號存在的頻偏而產生頻率偏移，因此中頻信號作為初始信號和最終觀測信號，其頻率偏移量不計入衛通鏈路的整體頻率偏移量，在模型仿真中以70 MHz中頻信號混頻至射頻信號為例。

圖4、圖5 所示為信號傳輸過程中頻率偏移總量模型。從圖中可以看出，中頻轉發干擾信號的頻率偏移總量比正常信號頻率偏移總量增加了干擾站下變頻器頻率偏移、干擾站上變頻器頻率偏移和轉發器頻率偏移三部分，該部分偏移量為實際衛星鏈路中排查定位中頻轉發干擾站提供了量化依據。

圖4 正常信號傳輸頻率偏移總量模型

圖5 干擾信號傳輸頻率偏移總量模型

制造工藝差異會導致10 MHz 晶振存在微弱的頻率偏移，并且每個晶振的頻率偏移量具有唯一性；變頻器等頻率轉換設備在將內置10 MHz 晶振頻率利用升頻電路轉換成本振信號的過程中，10 MHz 晶振存在的微弱頻率偏移會被一定程度地放大。由于差值的唯一特性，結合建立頻偏數據庫，即可實現根據頻偏差值實現不同地球站的中頻轉發干擾快速精準定位。

3 基于頻偏的中頻轉發干擾定位算法

本文提出基于頻偏的中頻轉發干擾定位算法，算法核心思想是借助衛通鏈路頻率偏移差值,結合自建數據庫與疑似產生干擾的上下變頻設備頻率偏移總量進行頻差比對，通過對頻差絕對值進行排序對比，從而迅速定位干擾站?；陬l偏的中頻轉發干擾定位算法流程如下：

（1）出現疑似中頻轉發干擾后，立即通過正常地面站發射一個單載波信號，自發自收并計算頻差；

（2）調用自建數據庫，與異常站實際總頻偏作差；

（3）將差值平方后，借助冒泡排序法，將差值結果從小到大依次排序；

（4）生成產生中頻轉發干擾的疑似地面站序列。

根據算法判定結果，輸出生成產生中頻轉發干擾的疑似地面站序列。關閉可疑干擾站發射機的上行功率，觀察處于干擾頻段的單載波是否存在，若消失，則驗證該地面站造成了中頻轉發干擾，證明算法中頻干擾定位性能的可行性。

在中頻轉發干擾發生時，通過本文方案借助頻率偏移量可迅速定位疑似干擾站。具體中頻轉發定位流程是當發生中頻轉發干擾后，發端地球站發送一個單載波信號，經轉發器轉發后利用頻譜儀觀測下變頻器輸出的中頻單載波信號。通過計算原單載波信號和干擾單載波信號的頻率差，與數據庫中的各站上下變頻器固有頻率偏移總量進行對比，從而定位出疑似中頻轉發干擾站。為確保中頻轉發干擾定位精度，負責排查工作的發端和收端地球站為同一套地球站，圖6 所示為中頻轉發干擾站快速定位流程。

圖6 中頻轉發干擾站快速定位流程

基于頻偏的中頻轉發干擾定位算法偽代碼如下：

初始化：

(1)異常信號頻偏量x

(2)各個地球站記錄的頻偏總量temp

(3)n為地球站數，其中i∈[1,n]

4 仿真結果及分析

本文假設在整個衛通系統中共有n=30 個地球站，其中存在1 個干擾站；此外假設每套地球站采用1 套固定的在線上下變頻器設備，且僅存在一次變頻過程，各個地球站變頻設備的頻偏值因其硬件穩定性較高可視為定值。以某套地面站上下行鏈路中的信道設備為例，在Speed=1 s，Rbw=200 Hz，Vbw=1 Hz，Span=5 kHz 頻譜儀測試環境下，借助星上空閑頻譜資源進行信號上星環測試，可得經衛星轉發信號總頻偏，如表1 所示。

表1 經衛星轉發信號頻偏

其次將30 個地面站變頻設備的頻偏數據行采集，為實現定量分析，本文將上變頻器中心頻率設置為6 106 MHz，下變頻器中心頻率設置為3 881 MHz，由此建立設備頻偏數據庫，各變頻器頻偏測試結果如表2 所示。

表2 各地球站變頻設備頻率偏移量

本文基于各個地面站變頻設備的頻偏數據及衛星轉發器的頻偏數據，通過異常站上下變頻器的頻偏總量與頻偏數據庫進行比對分析，采用基于頻偏的中頻轉發干擾定位算法，從而實現干擾站序列的快速輸出。

圖7 所示為地球站數量與中頻轉發干擾定位時間關系曲線。隨著地球站數量的增加，采用依次關停排查方案時的定位時間呈現出較大的隨機特性，原因在于干擾站隨機隱蔽在衛星通信系統內，采用傳統依次關停方案不具科學性，無法確保第一時間定位干擾站；而采用基于頻偏的中頻轉發干擾定位算法整體呈現出較為平穩的優化趨勢，從圖中可以看出，當地球站數大于25 個時，因頻偏差值相近的概率增加，干擾定位難度加大，所以成功定位時間有所增長，但依舊呈現較為穩定的優化趨勢。仿真結果表明，本文方案較對比方法可節省更多的干擾定位時間。

圖7 地球站數量與中頻轉發干擾定位時間關系

圖8 所示為地球站數量與中頻轉發干擾地球站成功定位概率關系曲線。隨著地球站數量的增加，由于定位復雜性加大，干擾定位成功概率均呈現整體下降趨勢。從圖中可以看出，采用依次關停方案的成功定位干擾站概率呈現隨機性，而采用本文方案優化趨勢較為平穩，成功定位干擾站概率較對比方案有較大提升。此外，當衛星通信系統內存在多個疑似干擾站時，考慮到頻偏測試精度不同，當頻偏測試精度較低時，疑似干擾站頻偏與數據庫頻偏的差值可能因低精度的測試方式而近似，因而干擾站成功定位的概率有所降低，但本文方案依舊呈現出較好的優化效果。圖7、圖8 仿真結果可充分驗證本文所提方案的可行性及優勢，可為解決中頻轉發干擾定位問題提供現實依據。

圖8 地球站數量與中頻轉發干擾地球站成功定位概率關系

5 結論

中頻轉發干擾是衛星通信系統中干擾較為常見卻不易排查的一種干擾形式，傳統中頻轉發干擾排查需要耗費大量時間及人力去協同處置，排查定位效率極其低下。針對定位中頻轉發干擾效率低下問題，本文首先對中頻轉發干擾產生機理進行研究，借助變頻設備產生本振信號頻率穩定特性，建立信號頻率偏移模型；將采集的各地面站變頻設備實際頻偏數據納入頻偏數據庫，隨后借助頻偏數據庫，設計基于頻偏的中頻轉發干擾定位算法以實現中頻轉發干擾源的快速定位。仿真結果分析驗證了本文所提方案的可行性，仿真結果表明本文所提方案可有效提升排查干擾站的效率及準確性，為保障衛星通信鏈路的安全穩定運行具有較大現實意義。