GEO衛(wèi)星共軌干擾定位與抑制方法研究

北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心 李洪力 竇曉晶 張 婷 楊 華

GEO衛(wèi)星共軌干擾定位與抑制方法研究

北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心 李洪力 竇曉晶 張 婷 楊 華

【摘要】GEO衛(wèi)星通常搭載有透明轉(zhuǎn)發(fā)器，當(dāng)兩顆發(fā)送相同頻率信號(hào)GEO衛(wèi)星位置相鄰太近時(shí)，容易造成共軌干擾。本文首先對(duì)共軌干擾的判定步驟進(jìn)行了闡述，通過(guò)對(duì)干擾現(xiàn)象進(jìn)行梳理，對(duì)干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得出干擾的基本特性，初步判定了衛(wèi)星共軌干擾源；然后通過(guò)設(shè)計(jì)干擾源驗(yàn)證試驗(yàn)，確定干擾來(lái)源；最后對(duì)干擾抑制的方法進(jìn)行分析，最終確定該衛(wèi)星系統(tǒng)受擾衛(wèi)星的入站和出站均能正常工作的平衡點(diǎn)，保證了衛(wèi)星系統(tǒng)正常工作。

【關(guān)鍵詞】透明轉(zhuǎn)發(fā)器；共軌干擾；干擾抑制

1.引言

只有一條地球靜止軌道的地球，軌道位置的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，為了在靜止軌道中放置更多的GEO衛(wèi)星，ITU早先已將發(fā)送相同頻率信號(hào)的、鄰近衛(wèi)星之間的最小間隔，從原先的4°減小到1.5～2°。大多數(shù)GEO衛(wèi)星上搭載著透明轉(zhuǎn)發(fā)器，由于透明轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)上行信號(hào)沒(méi)有識(shí)別能力，不作處理，只進(jìn)行變頻放大，因此位置相近的兩顆GEO衛(wèi)星相互間有可能造成共軌干擾。

2.GEO衛(wèi)星共軌干擾判定

對(duì)于由GEO衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)，應(yīng)具備實(shí)時(shí)的上下行信號(hào)頻譜監(jiān)測(cè)手段，從而在出現(xiàn)干擾時(shí)能夠進(jìn)行聲光報(bào)警，準(zhǔn)確直觀地發(fā)現(xiàn)干擾，頻譜監(jiān)測(cè)的存盤(pán)數(shù)據(jù)能夠?yàn)闇?zhǔn)確分析干擾特性提供數(shù)據(jù)支持，從而為正確判斷干擾來(lái)源提供可靠依據(jù)。實(shí)時(shí)頻譜監(jiān)測(cè)手段分析的內(nèi)容主要包括：干擾峰值電平、中心頻率、干擾出現(xiàn)的時(shí)間規(guī)律和電平變化規(guī)律等。通過(guò)數(shù)據(jù)分析初步判斷是否可能為共軌干擾，再根據(jù)查閱相關(guān)資料查找該位置上可能的GEO衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器情況，從而初步判定干擾來(lái)源。

2.1 干擾現(xiàn)象

多數(shù)GEO衛(wèi)星上下行鏈路有多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，通過(guò)干擾的現(xiàn)象首先應(yīng)能確定經(jīng)過(guò)哪個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的信號(hào)受到了干擾，其次出現(xiàn)干擾時(shí)的頻譜圖能夠反映出干擾的中心頻率、干擾峰值電平高出正常入站信號(hào)電平的差值，通過(guò)長(zhǎng)期的觀察，可以把握干擾出現(xiàn)的時(shí)間規(guī)律，共軌干擾一般具有衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)間特性。例如，某GEO衛(wèi)星下行信號(hào)監(jiān)測(cè)到入站干擾，每天兩次出現(xiàn)，兩次間隔的時(shí)間大約為12小時(shí)，干擾的中心頻率為f1，起初干擾較小，對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)的影響可以忽略，伴隨著時(shí)間的推移，干擾逐漸變大，對(duì)系統(tǒng)的影響也逐漸凸顯出來(lái)，干擾最大時(shí)，嚴(yán)重影響正常下行信號(hào)的接收。干擾出現(xiàn)時(shí)該下行信號(hào)頻譜如圖1所示，正常工作時(shí)該下行信號(hào)頻譜如圖2所示。

圖1 干擾出現(xiàn)時(shí)的下行信號(hào)頻譜圖

圖2 正常工作時(shí)的下行信號(hào)頻譜圖

2.2 頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)干擾監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)期存盤(pán)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)干擾出現(xiàn)的明顯規(guī)律性：每天出現(xiàn)兩次，兩次相隔約12小時(shí)，每天提前3、4分鐘。而這與GEO衛(wèi)星的軌道運(yùn)動(dòng)特性極為相似。在該衛(wèi)星系統(tǒng)中，可以提取經(jīng)該GEO衛(wèi)星形成閉環(huán)監(jiān)測(cè)的某天的星歷信息，畫(huà)出對(duì)應(yīng)的星下點(diǎn)軌跡，如圖3所示。

結(jié)合當(dāng)天干擾出現(xiàn)的時(shí)間，由圖3可見(jiàn)，該GEO衛(wèi)星經(jīng)過(guò)赤道時(shí)段的時(shí)間與干擾出現(xiàn)的時(shí)間吻合，即干擾最大時(shí)段為衛(wèi)星經(jīng)過(guò)赤道時(shí)段。

對(duì)某天頻譜監(jiān)測(cè)存盤(pán)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到干擾峰值電平的變化曲線圖，如圖4所示。

圖3 星下點(diǎn)統(tǒng)計(jì)圖

圖4 干擾過(guò)程峰值電平變化曲線圖

由圖4可見(jiàn)，從左至右共有8個(gè)臺(tái)階，依次編號(hào)為1、2、3、4、5、6、7、8，分別代表了干擾功率逐漸抬高和降低的過(guò)程。并且每個(gè)臺(tái)階持續(xù)的時(shí)間相等，與地面天線步進(jìn)跟蹤定期調(diào)整時(shí)間吻合。同時(shí)可以看出，每個(gè)臺(tái)階高度基本保持平穩(wěn)，即干擾出現(xiàn)時(shí)段，天線指向不變時(shí)，干擾峰值基本保持不變，每個(gè)臺(tái)階均如此。

2.3 干擾源初步判定

干擾是通過(guò)該GEO衛(wèi)星所對(duì)應(yīng)的地面天線進(jìn)入接收系統(tǒng)的，GEO衛(wèi)星所對(duì)應(yīng)的地面天線一般為大口徑收發(fā)共用桁架天線，指向相對(duì)固定。干擾源可能來(lái)自地面、空中和太空。而由于天線為桁架天線，有一定的仰角，地面干擾源對(duì)其干擾不易實(shí)現(xiàn)；空中的干擾源可以是飛機(jī)、升空平臺(tái)等物體，但是，根據(jù)干擾特性，在一段時(shí)間內(nèi)干擾源位置應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定，且每天出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)固定，這對(duì)于飛機(jī)及升空平臺(tái)等物體而言，長(zhǎng)期干擾不易實(shí)現(xiàn)；來(lái)自太空的干擾指的是其他衛(wèi)星，其他衛(wèi)星可能發(fā)射與該GEO衛(wèi)星相同頻段的信號(hào)，而被該GEO衛(wèi)星的地面接收天線所接收而造成干擾，根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的特性，此干擾來(lái)源于其他衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的可能性極大。

圖3中該星星下點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，進(jìn)一步印證了干擾來(lái)源于空間其他衛(wèi)星的猜想，故初步判定為與其他衛(wèi)星共軌造成的干擾。圖4干擾過(guò)程中峰值電平變化曲線圖亦說(shuō)明，對(duì)該GEO衛(wèi)星造成干擾的相鄰衛(wèi)星傾角較小，相對(duì)于地球基本保持位置不變。因此可以認(rèn)為，該GEO衛(wèi)星受到的干擾過(guò)程實(shí)際為：其地面天線逐漸指向相鄰衛(wèi)星，達(dá)到干擾最大，之后又逐漸偏離相鄰衛(wèi)星的過(guò)程。

因?yàn)榇钶d透明轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星在發(fā)射前需要事先向國(guó)際電聯(lián)申報(bào)資料，轉(zhuǎn)發(fā)器情況和軌道位置均已知，所以各國(guó)的GEO衛(wèi)星基本處于透明狀態(tài)。因此通過(guò)聯(lián)系相關(guān)部門(mén)，查閱相關(guān)資料，確認(rèn)該軌位上確實(shí)有某鄰國(guó)衛(wèi)星X，衛(wèi)星X申報(bào)的上下行轉(zhuǎn)發(fā)頻差為△f，而該GEO衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的地面接收天線接收到的干擾信號(hào)中心頻率約為f1，計(jì)算可得轉(zhuǎn)發(fā)前的頻率應(yīng)為f1+△f=f干，這個(gè)頻率與地面天線發(fā)射的某上行信號(hào)頻率fu1和fu2接近，再考慮到儀器讀數(shù)精度等多方面問(wèn)題，懷疑為該衛(wèi)星系統(tǒng)的該上行信號(hào)經(jīng)鄰國(guó)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器后進(jìn)入到了下行信號(hào)接收帶寬而造成的干擾。是否由此原因造成，可以通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.4 設(shè)計(jì)試驗(yàn)，確定干擾來(lái)源

通過(guò)增減懷疑干擾來(lái)源的上行信號(hào)發(fā)射功率，觀察受擾下行信號(hào)的變化情況，以此判定干擾來(lái)源，確定共軌干擾。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)：見(jiàn)表1。

表1 GEO衛(wèi)星干擾試驗(yàn)數(shù)據(jù)

上行信號(hào)u2變化的數(shù)值與干擾信號(hào)的峰值電平變化的數(shù)值基本是一致的；而增減上行信號(hào)u1的功率，干擾情況無(wú)變化，可以判斷該GEO衛(wèi)星下行信號(hào)干擾是其上行信號(hào)u2經(jīng)過(guò)鄰國(guó)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)入到了下行信號(hào)接收帶寬而造成的。干擾示意圖如圖5所示。

圖5 干擾示意圖

3.GEO衛(wèi)星共軌干擾抑制

當(dāng)確定是共軌干擾后，就需要采取措施對(duì)干擾進(jìn)行抑制，以達(dá)到降低或消除干擾對(duì)系統(tǒng)正常工作造成影響的目的。對(duì)抗干擾的方式有兩種：一是進(jìn)行軌位協(xié)調(diào)，從根本上解決干擾問(wèn)題；二是采取緩解措施，即采取干擾抑制手段使干擾對(duì)系統(tǒng)的影響降至最低。

3.1 軌位協(xié)調(diào)

共軌干擾是由空間兩顆位置相近的衛(wèi)星沒(méi)有采取共軌策略或共軌策略不合理造成的，所以要從根本上解決共軌干擾問(wèn)題，需要研究?jī)深w星合理的共軌策略，以實(shí)現(xiàn)軌位協(xié)調(diào)。

3.2 干擾抑制

實(shí)現(xiàn)干擾抑制可以通過(guò)采取兩方面的內(nèi)容來(lái)實(shí)現(xiàn)，一是降低干擾信號(hào)電平，二是盡量提高工作信號(hào)的電平，以此來(lái)提高信噪比，保證系統(tǒng)的正常工作。

3.2.1 降低干擾信號(hào)電平

確定干擾來(lái)源之后，首先要看能否降低干擾的功率。若為衛(wèi)星系統(tǒng)自身發(fā)射的上行信號(hào)對(duì)系統(tǒng)造成了影響，可以通過(guò)降低衛(wèi)星系統(tǒng)該上行信號(hào)的發(fā)射功率來(lái)降低干擾的功率，從而降低干擾對(duì)系統(tǒng)的影響；若干擾源來(lái)自其它系統(tǒng)，可以通過(guò)協(xié)商的辦法達(dá)成一致，使其它系統(tǒng)降低對(duì)應(yīng)信號(hào)的發(fā)射功率。

3.2.2 提高工作信號(hào)電平

在無(wú)法降低干擾信號(hào)電平或降低干擾信號(hào)電平之后入站效果仍不理想的情況下，可以采取提高正常工作信號(hào)電平的方法來(lái)降低干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。提高正常工作信號(hào)電平的方法有兩種：一是可以提高與該下行信號(hào)對(duì)應(yīng)的上行信號(hào)發(fā)射功率，二是可以通過(guò)上調(diào)該信號(hào)所經(jīng)由的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔。當(dāng)用戶數(shù)量較多時(shí)，要提高所有用戶的發(fā)射功率有一定難度，而通過(guò)上調(diào)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的增益檔相對(duì)容易一些，上調(diào)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的增益檔，將提高所有經(jīng)過(guò)該轉(zhuǎn)發(fā)器的信號(hào)電平，而對(duì)不經(jīng)過(guò)該轉(zhuǎn)發(fā)器的信號(hào)不起作用。

3.2.3 風(fēng)險(xiǎn)分析及平衡點(diǎn)選擇

對(duì)于由衛(wèi)星系統(tǒng)自身發(fā)射的上行信號(hào)所造成的干擾，不能無(wú)限制的降低該信號(hào)的發(fā)射功率，否則會(huì)導(dǎo)致出站螺流不斷降低，甚至為零，這樣就使該出站波束覆蓋區(qū)內(nèi)的用戶無(wú)法鎖定和響應(yīng)該波束出站信號(hào)，從而對(duì)系統(tǒng)服務(wù)造成影響。因此在下調(diào)該發(fā)射信號(hào)時(shí)需要同時(shí)調(diào)整對(duì)應(yīng)出站轉(zhuǎn)發(fā)器的增益檔，從而保證系統(tǒng)正常的出站功率。

對(duì)于提高系統(tǒng)正常的入站信號(hào)，由于衛(wèi)星上搭載的入站轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔也是有限的，因此不能無(wú)限的增大，并且當(dāng)增益檔達(dá)到最大檔位時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)器沒(méi)有了調(diào)整余量，入站受干擾的風(fēng)險(xiǎn)也將同時(shí)增大。

因此，在干擾抑制過(guò)程中，需要找到一個(gè)能夠保證出站和入站信號(hào)都能正常工作的平衡點(diǎn)，既能有效抑制干擾，改善入站信號(hào)的受擾程度，同時(shí)又不至于影響出站信號(hào)，最終確保該衛(wèi)星系統(tǒng)的正常工作。

4.結(jié)論

論文對(duì)于GEO衛(wèi)星共軌干擾的分析判斷及干擾抑制具有一定的指導(dǎo)意義，可根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)用于其他衛(wèi)星系統(tǒng)中。

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