多通道衛星頻率資源監測系統研究設計

宋成勇，趙 坤，張立東，劉恩敏

（78156 部隊，成都 610503）

1 引言

在電磁環境惡劣的情況下，衛星通信依靠其加密性強、抗干擾性強，覆蓋面積大成為應急保障的主要通信手段。目前，衛星通信下行信號監控由于衛星系統日趨增多頻率資源使用變更頻繁，臺站監測任務繁重，測試信號頻段范圍不斷增大（已到Ka），在需要對多路衛星信號監控時，還存在頻譜監控設備數量匱乏的情況；同時，由于各臺站值勤人員技能水平參差不齊、裝備熟練程度不一等諸多問題，在實際監測中即便經驗豐富、技術熟練的值勤人員，在衛星通信頻譜監控中也會因為監控頻點多、時間消耗長，使得工作效率降低、監控結果不可靠。當前，我們迫切需要能衛星通信地面站對各衛星通信網系使用的衛星頻率資源情況等進行實時監控，掌握轉發器資源利用情況，排除可能出現的衛星通信頻率自身干擾和外部干擾，并確保各衛星通信網系運行的可靠性。

2 研究背景

目前，衛星信號監控面臨著衛星數量和型號日趨增多、監測任務繁重、測試信號范圍不斷增大、中頻及射頻物理接口不同、信號頻率跨度大等技術問題，在衛星地面站頻譜監測設備有限的情況下，必然加重現場值勤人員的工作量，降低了工作效率，監控結果容易出現誤差。通過研究衛星地面站多通道衛星頻率資源監控，在衛星通信地面站對各衛星通信網系使用的衛星頻率資源情況等進行實時監控，實現干擾信號日實時告警，掌握轉發器資源利用情況，及時排除（或規避）可能出現的衛星通信頻率自身干擾和外部干擾，為上級業務管理部門在第一時間提供有效的決策支持。

各種新型衛星通信系統開通運行以后，衛星資源利用越來越多，頻率資源變換也越來越頻繁，現有的監測裝備已不能滿足值勤基本要求。我們研究多通道衛星頻率資源監測，就是要確保衛星通信業務保障全時通、全域通、全網通、全程通。

3 主要研究內容目標及內容

3.1 研究目標

該項目硬件部分的信號處理器由8 ～10個射頻變換模塊組成，對來自不同衛星通信系統的中頻或射頻信號進行處理并轉換為數字信號；信號分析系統主要由計算機服務器和軟件系統組成，完成對衛星信號的對比、分析、存儲和信號預警功能；軟件功能包括：在一個界面上同時觀測8 ～10顆衛星信號實時情況，對8 ～10顆衛星信號進行分析、存儲，對衛星信號具有主動研判、聲光告警功能，能及時發現各種不正常信號。

3.2 研究內容

針對平時值勤中暴露出的干擾和自擾等難以及時解決的問題，本次研究著重從如下方面進行：

（1）結合在用衛星通信資源的使用情況，研發多路衛星信號采集設備，可利用1套系統，對8 ～10顆衛星的下行信號進行集中監測。

（2）針對監控內容無法在監測指揮大廳進行集中顯示的問題，開發一套集中控制軟件平臺，采集的信息在值勤大廳進行集中顯示，也可上傳至上級業務部門。

（3）在衛星通信信號出現異常時，增加主動告警的功能。

（4）動態展示衛星通信系統運行態勢和資源利用情況。

（5）在衛星站原有業務處理和請示報告流程中，增加衛星通信監測數據集中存放，可對數據進行抽取、回放和分析。

3.3 研究設計方案

3.3.1 總體方案

此項目研究，主要從硬件設計、軟件開發、數據庫搭建幾個方面進行。一是要對現有各衛星通信系統下行信號接口進行梳理，看各系統結構是否滿足建設要求。二是著重設計多信道衛星通信信號監控硬件設備，充分考慮接收的下行衛星通信信號頻率范圍，選取運行穩定、電磁兼容、價格適中的硬件設備。三是實現自動監控平臺軟件的開發、數據存儲（包括格式和保存時間）、監控界面集中呈現、自動告警信息的推送。

3.3.2 主要技術分析

該系統研究包括信號處理模塊、信號分析模塊、監控中心模塊三部分，監控平臺部分采用C++語言開發，系統運行于Windows 操作系統，數據傳輸通過TCP/IP 協議完成，數據處理儲存部分則采用關系數據庫進行開發。該系統研究從理論和軟硬件方面保障系統是可實施的，且具有科學性。

信號處理器實際上需要實現頻譜儀部分功能，首先要進行信號搜索并捕獲得到各可見衛星粗略的信號碼相位和載波頻率；其次，在捕獲到偽碼相位和粗略載波頻率的基礎上，接著進入跟蹤環路，跟蹤并得到精確的碼相位和載波頻率等原始觀測量。采用FPGA 設計信號處理模塊，針對不同頻點和不同中頻帶寬，采用多輸入多輸出架構，鑒于實際衛星信號可分為2個頻段低于200MHz 和高于200MHz 兩種方式。

圖1 信號處理模塊

如圖1所示，信號處理模塊是設計信號接收機處理不同頻段的衛星信號并轉換為信號分析模塊需要的輸入。

如圖2所示，信號分析模塊是系統模塊的核心部分，它根據信號處理模塊數據分析與處理多通道的射頻信號、干擾信號等并形成相應的操作決策，監控中心模塊根據信號分析模塊決策調整相關通道射頻、處理電磁干擾并在終端顯示。

圖2 系統各功能模塊

圖2中，監控中心模塊是衛星地面站多通道頻率資源監測系統的人機結合部分，能實現自動監控多路衛星信號，自適應處理監控任務、異常信號告警等功能，保障監測結果的準確性，提高異常信號發現與處理的及時性。

分布式系統融合框架結構如圖3所示。為保證程序計算效率以及長期運行的穩定性，該系統智能監控平臺部分采用C++語言開發，系統運行于Windows 操作系統，系統運行硬件CPU 至少大于5 核，內存大于16G。為保證衛星通信數據采集的實時性以及對外站衛星通信設備遠程監控的有效性，數據傳輸通過TCP/IP 協議完成。該系統數據處理存儲部分則采用關系數據庫進行開發。

4 風險分析

該研究課題對高頻段硬件變頻后的衛星中頻數據的采集、處理與分析，干擾與信號的模式化識別，需要經過反復試驗調整才能最后定型。信號處理模塊在處理不同頻段的衛星信號并將其轉換為數字信號時，如果信號幅度過低或信號不穩定時，可能存在失真，必要時，有的節點可增加信號放大器。

5 應用前景分析

5.1 應用效益顯著

通過該研究設計，實現衛星地面站多通道衛星頻率資源監控，能在衛星通信地面站對各衛星通信網系使用的衛星頻率資源情況等進行全實時監控，干擾信號日實時告警，掌握轉發器資源利用情況、頻率資源的優化，及時排除（或規避）可能出現的衛星通信頻率自身干擾和外部干擾。

突出全面掌控實時衛星通信運行態勢，強化對各衛星通信網內各衛星站頻率使用的監管，提高衛星通信網系維護指標，順利完成各類重要通信保障，衛星通信業務保障全時通、全域通、全網通、全程通。

能夠對出現的衛星通信資源故障進行預判，為上級業務管理部門在第一時間提供有效的決策支持；通過與應急指揮中心指揮決策系統對接，指導衛星資源使用進行適當調整。

5.2 經濟效益明顯

目前國內頻譜儀（18-20GHz、Ku 頻段）的價格，滿足監測需求的單臺頻譜儀價格在28萬元左右，按照在地面站工作9個衛星通信系統需求，至少需要8 ～10臺，加上統一的監控平臺搭建的費用，經費至少260萬元。通過自主研發衛星地面站多通道頻率監測系統，單個監測節點費用在2萬以內（量產以后價格更低），一套系統只需購置8 ～10個節點即可滿足需求，總建設費用（含監控節點硬件與監控平臺）在60萬元以內；如果推廣運用，經濟效益更佳。該系統建設周期短、改造成本低、維護簡單，可先行建設系統試用，然后在大范圍進行推廣，大大節約裝備投入資金。

6 結束語

綜上所述，衛星地面站多通道衛星頻率資源監測研究從理論基礎、硬件研制和軟件研發乃至系統設計是完全可以實現的，可行性較高、運行穩定。