衛(wèi)星通信天線干擾問題及對(duì)策研究

摘要：針對(duì)目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)受到干擾無法保障通信質(zhì)量的情況，本文提出一種基于多波束天線抗干擾技術(shù)，用以提升衛(wèi)星通信站在頻譜資源日益緊張環(huán)境下的信號(hào)處理能力以及抗干擾性能。文章通過分析多波束天線技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理，提出該技術(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)踐路徑，以期豐富衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)研究的成果，解決衛(wèi)星通信在復(fù)雜的信號(hào)環(huán)境中存在的信息傳輸干擾問題。

關(guān)鍵詞：多波束天線；衛(wèi)星通信；信號(hào)干擾；技術(shù)實(shí)踐

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.02.014

中圖分類號(hào)：TN 828.5；TN 972" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2025）02-00-03

Research on Interference Issues and Countermeasures of Satellite Communication Antennas

YANG Zhongkai

（Civil Aviation Administration of China， Xinjiang Air Traffic Management Bureau， Urumqi 830016， China）

Abstract： In response to the current situation where satellite communication systems are unable to guarantee communication quality due to interference， this paper proposes a multi beam antenna anti-interference technology to enhance the signal processing capability and anti-interference performance of satellite communication stations in environments where spectrum resources are increasingly scarce. The article analyzes the implementation principle of multi beam antenna technology and proposes the practical application path of this technology in satellite communication systems， in order to enrich the research results of satellite communication anti-interference technology and solve the problem of information transmission interference in complex signal environments of satellite communication.

Keywords： multibeam antenna; satellite communication; signal interference; technical practice

衛(wèi)星通信作為現(xiàn)代通信系統(tǒng)的重要組成部分之一，其信號(hào)輻射范圍之廣，跨越了地理限制，使遠(yuǎn)距離傳輸成為現(xiàn)實(shí)，并由此成為國(guó)際通信、廣播電視傳播、全球定位系統(tǒng)以及緊急救援等領(lǐng)域的重要信息連接支柱。然而隨著衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用范圍越來越廣泛，衛(wèi)星通信系統(tǒng)也面臨著通信環(huán)境復(fù)雜的干擾問題，這些問題可能會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信信號(hào)質(zhì)量下降，甚至信息傳輸中斷。而多波束天線可以提高頻譜效率、增強(qiáng)通信信號(hào)指向性、減少相鄰波束之間波束干擾，有效提升衛(wèi)星通信信號(hào)系統(tǒng)的整體性能。

1" "多波束天線技術(shù)原理

多波束天線技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信和5G通信等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其優(yōu)勢(shì)在于高增益、低副瓣水平以及在寬廣范圍內(nèi)的波束掃描能力。作為雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要通過透鏡式、反射面式以及相控陣式等多種天線型式，生成多個(gè)獨(dú)立的元波束，并將它們合成一個(gè)或多個(gè)特定形狀的波束，以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定空域的覆蓋，進(jìn)而精確測(cè)定目標(biāo)坐標(biāo)[1]。多波束技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要通過對(duì)陣列天線中單獨(dú)的元素信號(hào)使用單一的復(fù)數(shù)權(quán)重來進(jìn)行描述，使得多個(gè)天線的元素組成均勻的線性陣列。這里每個(gè)元素的復(fù)數(shù)權(quán)重信號(hào)可以表示為

（1）

式中，表示第n個(gè)天線元素的權(quán)重，包括天線的幅度和相位信息；e表示自然對(duì)數(shù)的底數(shù)；表示角頻率；t表示時(shí)間；表示多波束天線中第n個(gè)天線元素相對(duì)于參考點(diǎn)的相位偏移[2]。

通過控制式（1）中的天線元素的權(quán)重以及天線元素的相位偏移，可以在特定的n天線上形成波束的最大值，即波束的主瓣。同時(shí)在不同方向上形成零點(diǎn)或副瓣，以此來抑制不需要的信號(hào)和干擾。為了保障多波束天線技術(shù)的抗干擾性能良好，需要管理好波束之間的相互作用，從而提升抗干擾性能。

2" "多波束天線抗干擾算法設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)原理

常規(guī)波速形成器的主要原理是，一個(gè)匹配濾波器主要依靠陣列天線的陣列結(jié)構(gòu)以及信號(hào)方位角等。波束形成器的主要設(shè)計(jì)原理是，通過陣列天線結(jié)構(gòu)以及信號(hào)方位角對(duì)所感興趣方位進(jìn)行無真輸出，但是普通波束的陣列結(jié)構(gòu)式主要是按照方向圖設(shè)計(jì)完成后固定的，其抗干擾性能較差。基于此，本文采用一種多波束天線的抗干擾算法，通過改變波束天線的指向性來提升其抗干擾能力。

這里設(shè)定衛(wèi)星信號(hào)的入射角為，則入射角的天線陣列之后輸出的指向表示為

（2）

式中，表示入射角的天線陣列；表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置；表示天線陣元的接收信號(hào)；表示導(dǎo)航信號(hào)；表示天線陣列的導(dǎo)向矢量，。

則根據(jù)設(shè)計(jì)的指向，將其方向圖固定定義為

（3）

式中，表示設(shè)計(jì)指向上的方向函數(shù)；其余參數(shù)解釋同上[3]。

多波束形成器對(duì)于普通波束天線的排列線陣可以通過改變矩陣權(quán)重進(jìn)行不同方向上的信號(hào)掃描，具體的運(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

圖1中，一組權(quán)值控制一個(gè)波束，即L組權(quán)值實(shí)現(xiàn)L波束的控制。在實(shí)際作用中，生成波束的數(shù)量與孔徑直接影響著信號(hào)接收的準(zhǔn)確性和效率，即孔徑越大，則其自由度就會(huì)越高。這種采用多波束天線提升衛(wèi)星信號(hào)定位的方式可更好地實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星傳輸方位信息的轉(zhuǎn)化接收[5]。

2.2 算法設(shè)計(jì)

多波束天線在進(jìn)行干擾源檢測(cè)定位和衛(wèi)星通信信號(hào)解算過程中存在較長(zhǎng)的時(shí)延問題，并且在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，多波束天線信號(hào)接收機(jī)會(huì)產(chǎn)生方位角的更新延遲，從而出現(xiàn)角度上的誤差，影響衛(wèi)星通信信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。基于此，文章采用基于微分約束的線性約束最小方差準(zhǔn)則（Linearly Constrained Minimum Variance，LCMV）波束形成算法作為提升抗干擾性能的算法。通過在信號(hào)和干擾源方向上加入微分約束，可有效增強(qiáng)衛(wèi)星通信信號(hào)傳輸信號(hào)，即使是在誤差環(huán)境下，自身的抗干擾能力也會(huì)明顯增加。

LCMV算法會(huì)對(duì)信號(hào)方向產(chǎn)生約束，將幀率保持在穩(wěn)定的狀態(tài)，并且屏蔽干擾方向的信號(hào)。傳統(tǒng)的LCMV算法的線性約束最小方差準(zhǔn)則可以表示為

（4）

式中，A表示陣列流型矩陣；f表示約束響應(yīng)矢量。

當(dāng)采用LCMV算法進(jìn)行約束時(shí)，加入微分約束條件，則有：

（5）

式中，當(dāng)加入微分約束條件時(shí)，s.t.1表示衛(wèi)星通信信號(hào)方向上的微分約束；s.t.2表示對(duì)干擾源方向的微分約束條件。假設(shè)微分約束條件中的約束結(jié)束P為一階時(shí)，式（5）中的方位角的偏導(dǎo)數(shù)可以表示為

（6）

根據(jù)式（6）可以得出，在微分約束條件的約束下，增加的約束條件會(huì)具體體現(xiàn)在陣列流型維度的增加上。由此可以推導(dǎo)出P階微分約束，即：

（7）

則根據(jù)最終推導(dǎo)出的改進(jìn)LCMV算法的權(quán)值公式，則可以對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)矩陣處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸信號(hào)和干擾信號(hào)源的區(qū)別，可以在復(fù)雜的磁場(chǎng)環(huán)境以及通信頻道中提升多波束天線的抗干擾性能。

3" "仿真實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

3.1 抗干擾性能檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證前文提出的基于LCMV算法的多波束天線的衛(wèi)星通信抗干擾性能，在均勻的矩形面陣條件下，對(duì)其改進(jìn)算法進(jìn)行三維仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比傳統(tǒng)LCMV算法與此改進(jìn)的LCMV算法對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾能力的提升效果。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

從該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，此改進(jìn)算增加了干擾方向上的微分約束，通過該方法增強(qiáng)約束條件，既可以實(shí)現(xiàn)干擾方向和信號(hào)方向增加的信號(hào)的波束寬度，從而提升系統(tǒng)抗干擾性能。

3.2 信號(hào)增益損失下抗干擾性能比較

考慮到該算法會(huì)消耗一部分信號(hào)增益，出現(xiàn)信號(hào)和干擾信號(hào)存在識(shí)別誤差情況，因此，在實(shí)驗(yàn)中設(shè)定了兩種仿真實(shí)驗(yàn)的固定參數(shù)檢驗(yàn)算法。仿真條件參數(shù)如表2所示。

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出的傳統(tǒng)LCMV算法與本文所述算法在方位信息存在誤差情況下的抗干擾性能對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，本文提出的改進(jìn)算法在一定程度上提升了復(fù)雜干擾環(huán)境下信號(hào)識(shí)別的能力，但是相較于傳統(tǒng)的LCMV算法來說，其信號(hào)增益損失最小，具有更強(qiáng)抗干擾性能，同時(shí)提升了算法的魯棒性。

4" "結(jié)束語

面對(duì)衛(wèi)星通信復(fù)雜信號(hào)環(huán)境中存在的信號(hào)干擾問題，本文基于微分約束條件提出了一種自適應(yīng)的多波束算法，并通過仿真實(shí)驗(yàn)證明，該算法在復(fù)雜的信號(hào)環(huán)境中具有更高的信號(hào)識(shí)別性能，在存在方位誤差干擾的信號(hào)場(chǎng)合中具有更強(qiáng)的抗干擾性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，本文提出的基于微分約束條件的算法具有更強(qiáng)抗干擾性能，同時(shí)有效降低了信號(hào)增益損失，為解決衛(wèi)星通信中存在信號(hào)干擾問題提供了一種有價(jià)值的技術(shù)方案。

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作者簡(jiǎn)介：楊仲凱（1982-），男，漢族，新疆烏魯木齊人，副高級(jí)工程師，本科，研究方向?yàn)橥ㄐ旁O(shè)備維護(hù)、維修及設(shè)備資產(chǎn)管理。