低軌衛星通信系統干擾分析及策略研究

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0 引言

隨著衛星通信事業的發展，低軌衛星通信已成為天基信息系統領域的發展熱點。衛星通信受自身特點的限制和環境的影響，不可避免地存在各種干擾[1]。由于頻譜資源有限，低軌（Low Earth Orbit，LEO）衛星通信系統不可避免地與對地靜止衛星軌道（Geostationary Satellite Orbit，GSO）衛星系統以及其他系統在相同的頻譜內共存[2]。若不采取任何系統設計或優化手段，勢必會影響低軌衛星通信系統的通信質量。

韓銳等[3]針對我國NGSO星座系統對GSO系統的干擾情況進行仿真分析。張泓湜等[4]提出了一種基于空間隔離的LEO與GEO衛星在Ka頻段頻譜共享的方法。郭強等[5]提出了系統鄰星干擾定量分析的方法。曾昱祺等[6]提供了幾個關于如何在NGEO衛星鏈路和GEO衛星鏈路共存情況下頻率共用的研究方法。

本文針對低軌衛星通信系統在運行過程中所面臨的干擾情況進行了梳理，分析了外部地面系統對LEO系統的干擾、LEO系統對GSO系統和其他LEO系統的干擾以及LEO系統內部干擾情況。同時針對不同的干擾種類，給出相應的干擾規避策略，包含了外部地面干擾、GSO系統產生的干擾、LEO系統對GSO系統的干擾以及系統內部干擾規避策略。可以為我國低軌衛星通信系統設計提供一定的支撐，確保系統建設完成后能可靠運行。

1 LEO系統干擾場景分析

由于頻譜資源有限，低軌衛星通信系統會受到來自地面或者其他衛星系統的干擾，主要包括外部地面干擾以及其他衛星系統對其產生的干擾（包括GSO和LEO）。同時，低軌衛星通信系統也會對其他衛星系統產生干擾（主要考慮GSO）；另外低軌衛星通信系統內部也存在干擾情況。

1.1 外部系統對LEO干擾情況

外部系統干擾包括外部地面干擾、GSO產生的干擾以及其他LEO產生的干擾。

（1）衛星系統面臨的外部地面干擾主要包括單音連續波干擾、阻塞式噪聲干擾、部分頻帶干擾、脈沖干擾等。地面會產生不同類型覆蓋衛星系統頻帶使用范圍的干擾信號，影響系統正常運行。

（2）GSO產生的干擾。GSO和LEO衛星系統使用頻譜存在重疊時，GSO和LEO共享同頻的上行和下行空間鏈路，此時GSO對LEO會產生干擾路徑，包括：①GSO地面站對LEO衛星的干擾。②GSO衛星對LEO站的干擾。GSO對LEO產生的干擾如圖1所示。

圖1 GSO對LEO產生的干擾情況

（3）其他LEO產生的干擾。Ka頻段衛星通信已成為衛星通信發展的主要目標之一。我國要發展Ka頻段低軌衛星通信系統勢必會與其他系統在用戶和饋電鏈路頻率存在重疊的部分，從而會導致相互之間的干擾。

1.2 LEO對外部系統干擾情況

LEO對外部系統干擾主要考慮類LEO對GSO系統的干擾。似于GSO對LEO產生的干擾，GSO和LEO鏈路共享同頻的上行和下行，此時LEO對GSO也會產生干擾路徑，包括：①LEO站對GSO衛星的干擾。②LEO衛星對GSO地面站的干擾。LEO對GSO產生的干擾情況如圖2所示。

圖2 LEO對GSO產生的干擾情況

1.3 LEO對外部系統干擾情況

系統內部干擾可分為同頻干擾和鄰頻干擾。通常，為防止鄰信道干擾，會在鄰頻間留出未占用的窄頻帶，確保信道間有足夠隔離。由于鄰頻干擾影響較小，在此不予分析。

針對同頻干擾場景，由于天線波束具有一定的寬度，地面發送天線會在指向鄰星的方向上產生干擾輻射（上行鄰終端干擾），地面接收天線也會在鄰星方向上接收到干擾信號（下行鄰星干擾）。不同衛星及終端之間的干擾如圖3所示。

圖3 不同衛星及終端之間的干擾示意

2 系統干擾規避策略研究

根據上述對低軌衛星通信系統的干擾分析情況，下面針對不同的干擾情況進行干擾規避策略設計，從而有效保障不同系統間的共存以及正常運行。

2.1 外部地面干擾規避策略

對于外部地面干擾，利用頻譜感知技術，可對特定的頻段頻譜進行掃描，尋找授權用戶沒有使用的以及通過空分復用可以共用的頻率，動態分配給低軌通信星座使用。考慮到衛星通信系統所處電磁環境的復雜性，低軌衛星通信系統可以建立體系化的載波監視系統來感知背景噪聲和受干擾情況。利用頻譜資源規劃設備提供的資源規劃結果，由用戶提出的業務申請驅動，從而為各正在執行的業務以及待開展的通信業務提供合理的用頻指導并實現動態信道管理，最終保障整個系統頻譜資源的高效穩定運行。

2.2 GSO產生的干擾規避策略

針對GSO對LEO的下行鏈路干擾情況，即從GSO衛星到LEO地面站，考慮GSO衛星正在工作，而LEO衛星鏈路將要部署在相同的頻率上。在這種情況下，首先在做LEO鏈路的鏈路預算應該考慮GSO對LEO的干擾。其次，GSO衛星對LEO地面站干擾，若GSO地面站與LEO地面站共址建設，則最大干擾場景是GSO衛星、LEO衛星和LEO地面站共線情況，此類情況在LEO對GSO干擾分析中已設置干擾規避區，故此類場景已被規避。若GSO地面站與LEO地面站不共址建設，則由于天線波束指向性，LEO地面站僅能接收旁瓣能量，形成天然的隔離，不會產生干擾。

針對GSO對LEO的上行鏈路干擾情況，即從GSO地面站到LEO衛星。首先是GSO地面站對LEO衛星用戶波束的影響，在LEO對GSO干擾分析中已采用“漸進俯仰”技術，導致GSO地面站發送和LEO衛星接收之間存在角度，已實現干擾的隔離。另外，GSO地面站對LEO衛星饋電波束的影響，若GSO地面站與LEO地面站共址建設，則最大干擾場景是GSO衛星、LEO衛星和LEO地面站共線情況，此類情況在LEO對GSO干擾分析中已設置干擾規避區，故此類場景已被規避。若GSO地面站與LEO地面站不共址建設，則由于天線波束指向性，LEO衛星僅能接收旁瓣能量，形成天然的隔離，不會產生干擾。

2.3 LEO對GSO的干擾策略

LEO對GSO的干擾規避策略主要包含以下4個方面：

（1）用戶鏈路上行干擾規避策略。為了對用戶鏈路上行干擾規避，可利用終端功率控制，降低用戶終端發射功率，達到用戶鏈路的上行干擾規避。

（2）用戶鏈路下行干擾規避策略。LEO衛星改變其提供通信服務的覆蓋區域來實現用戶鏈路下行干擾規避，通過將LEO衛星天線朝向赤道方向偏轉，以避免天線增益朝向GSO地面站與LEO衛星處于接近對準狀態的緯度，從而避免干擾。此外，可以減少每個LEO衛星波束中的射頻鏈路功率密度，以進一步保護GSO衛星系統。

（3）饋電鏈路上行干擾規避策略。饋電鏈路上行干擾規避由地面運行控制中心結合地面站位置、GSO弧段等信息進行綜合規劃，確定干擾規避區域，確保LEO信關站饋電鏈路上行信號不會對GSO衛星造成干擾。

（4）饋電鏈路下行干擾規避策略。針對饋電鏈路下行干擾，考慮LEO衛星饋電波束對GSO地面站的影響，若LEO地面站與GSO地面站共址，饋電鏈路上行干擾規避策略中已經設置了干擾規避區，此類情況下的干擾已經被同時規避；若LEO地面站與GSO地面站不共址，則由于天線波束指向性，GSO地面站僅能接收旁瓣能量，形成天然的隔離，不會產生干擾。

2.4 系統內部干擾規避策略

系統內部干擾主要包括下行鄰星干擾和上行鄰終端干擾。低軌衛星星座在運動中隨著緯度的增高，相鄰軌道間的衛星間距越來越小，當衛星間的間距減小到一定值時被干擾衛星和干擾衛星的下行的波束具有共同的重疊覆蓋區。在重疊覆蓋區，被干擾衛星地面信關站在接收指向衛星的信號的同時，其天線的旁瓣也接收到了鄰星的同頻信號。這種干擾造成接收端誤碼率增加，信噪比降低、接收信號不穩定。為了有效地避免干擾，可以通過頻率復用的方式對衛星波束數量和頻段分配進行規劃，從而有效降低下行鄰星干擾，不影響用戶終端正常解調，但在極區附近，不同衛星之間波束交疊嚴重，為了節省能源，可以關閉部分衛星波束。由于終端發射功率有限，上行鄰終端干擾在用戶終端累積到一定數量的情況下才會出現影響，此時可以在地面站側通過限制同一用戶波束下用戶終端的接入數量來保障干擾不影響終端的正常解調。

3 結語

低軌衛星通信系統迅猛發展，由于頻率資源有限，LEO系統勢必會出現與其他系統共用頻譜的現象。本文綜合考慮LEO系統的實際運行環境，從外部系統對LEO干擾、LEO系統對其他系統干擾以及LEO系統內部干擾三大方面對低軌系統的干擾場景進行了細化和分析。在此基礎上，針對不同的干擾類型，提出了相應的干擾規避策略，通過資源動態分配、設定干擾規避區域、降低發射功率以及頻率復用等方式，有效降低或消除LEO內部和外部干擾，從而為未來我國低軌衛星通信系統規劃設計與建設提供一定的技術支撐。