干扰地球站地面搜测技术方法研究

+ 范国江、王辉、肖巍、蔡志龙 中国卫通集团有限公司

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干扰地球站地面搜测技术方法研究

+ 范国江、王辉、肖巍、蔡志龙 中国卫通集团有限公司

本文着重介绍了不明来源干扰地球站地面搜测工作中遇到的一系列技术问题的解决方案。应用本文的技术方法，可以有效提升干扰站地面搜测工作效率和成功率。

卫星 干扰源定位 地面搜测

1.技术需求与技术现状

卫星通信系统是一个开放的无线通信系统，相比地面通信系统，卫星通信系统更容易受到干扰和盗用。近几年来随着赤道平面上在轨通信卫星数量及用户业务的逐年增加，上述非法盗用类干扰事件越来越多，对用户业务造成了严重的影响。因此，卫星运营公司有必要采取先进的技术手段，定位并搜测出干扰发射站。

但是，要搜测出干扰地球站的确切位置，使用普通的频谱监测设备是做不到的，必须先使用干扰源定位系统先定位出干扰源的大致区域（一般在10km×60km范围内），然后再使用地面搜测系统到该区域进行拉网式搜测，方能最终搜查到干扰站。近两年的不明干扰站地面搜测实践表明，要在几百平方公里的范围内搜查到干扰站的确切位置并非易事，手持全向喇叭天线进行拉网搜测，是很难迅速搜测到不明干扰站微波信号源的确切位置的，搜测效率和成功率都非常低，其主要原因是：手持全向天线搜测灵敏度低，有效搜测距离不够远；城市建筑物对电磁波的传播形成了阻挡和反射，在地面搜测到的干扰信号多数是反射信号，且信号电平较弱；每次干扰载波出现的持续时间短，很可能还没有搜测到信号，干扰载波就已经消失了。

在互联网上搜索国内外关于地面搜测干扰地球站技术方面的相关文献，只查询到国内的一篇论文[1]，该论文论述的干扰站地面搜测技术就是使用手持全向搜测天线逼近式搜测技术。如上所述，这种搜测技术的搜测效率不高，不能满足实用要求。笔者也咨询过曾到欧洲卫星公司调研过的同行，了解到欧洲卫星公司曾经使用过直升机来搜测干扰站，但此法成本太高，且受到空间飞行管制，在我国难以实现。

2.搜测天线的选择

从增大有效搜测距离的角度考虑，应尽量选择口径大、增益高的抛物面式搜测天线。但是，从便于运输、携带和操作使用的角度考虑，又应选择口径小的手持喇叭天线。

笔者分别使用Ku波段1.2米抛物面天线和手持喇叭天线（20dB增益）对Ku9米天线发射的上行微波信号接收进行了对比测试。测量结果（参见图一和图二）表明，这两种天线都能有效接收到目标天线发射的微波信号，但前者运输携带和操作使用非常不方便，后者虽然接收信号电平较低，但也可以有效搜测到上行信号。

因此，笔者决定采用便于携带的手持喇叭天线作为干扰站地面搜测天线，但适当加大了喇叭天线的口径。最终定制的C波段喇叭天线的接收增益为20dB，Ku波段喇叭天线的接收增益为25dB。

将定制的低噪声放大器与喇叭天线组装成搜测系统后，笔者用该系统进行了多次模拟干扰站搜测和实际干扰站搜测。搜测实践证明，该搜测系统的搜测灵敏度满足搜测要求。图三——图五分别是使用该搜测系统在北京、河北和山东实际搜测到的干扰站发射的上行信号频谱图。

图一　使用Ku1.2米抛物面天线测量到的11公里之外地球站天线发射的微波信号频谱

图二　使用Ku喇叭天线测量到的11公里之外地球站天线发射的微波信号频谱

图三　在北京搜测到的干扰信号频谱

图四　在河北搜测到的干扰信号频谱

图五　在山东搜测到的干扰信号频谱

3.典型不明干扰站天线在地平平面上的旁瓣辐射方向图

要想计算出一副确定增益喇叭天线能够搜测到一个典型地球站辐射微波信号的最远距离，必须首先计算出该地球站在地平面各个方向上辐射的EIRP，而要做到这一点，就必须先计算或测量出该地球站天线在地平平面上的辐射方向图。此方向图与我们平常在用户地球站入网验证测试中所测的天线方向图是不一样的，它是指该地球站天线（在一定的仰角下）在地平平面各个方向上旁瓣辐射增益与方向角的函数曲线，而后者是指天线在垂直平面上（EL）或者在一定仰角的斜平面上（AZ）的旁瓣辐射增益与方向角的函数曲线。图六是实测的一副9米Ku天线（仰角为50度）在地平平面上的天线旁瓣辐射方向图。

图六 9米Ku天线在地平平面辐射方向图

图七 无阻挡C波段信号频谱

图八 墙体阻挡后C波段信号频谱

图九 墙体反射的C波段信号频谱

图十 无阻挡Ku波段信号频谱

图十一 墙体阻挡后Ku波段信号频谱

图十二 墙体反射的Ku波段信号频谱

4.典型城市建筑物对微波传输的阻挡衰减和反射衰减

如果搜测点与干扰站之间有建筑物，则搜测天线指向干扰站方向时接收到的干扰信号电平会很微弱，甚至测量不到。因为建筑物会对穿透它的微波信号会造成很大的衰减。但是搜测喇叭天线很可能在其他方向上接收到干扰信号，因为其他建筑物表面会对微波信号形成反射。图七——图九分别是C波段电磁波无阻挡时、经墙体阻挡后和经墙体反射后测量到的信号频谱，图十——图十二分别是Ku波段电磁波无阻挡时、经墙体阻挡后和经墙体反射后测量到的信号频谱。

多次测量结果表明：城市建筑物对微波信号（C和Ku频段）的阻挡衰减比反射衰减大，尤其是钢筋混凝土墙体；城市建筑物对14GHz频段信号的阻挡衰减比对6GHz频段信号的阻挡衰减要大得多。

查阅国外有关城市建筑物对微波信号的阻挡衰减和反射衰减方面的研究资料，证明了笔者上述测量分析结论的正确性。图十三的仿真曲线摘自论文《Effects of reinforced concrete structures on RF communications》[2]，该曲线说明了钢筋混凝土墙体对6GHz频段微波信号的阻挡衰减远比反射衰减大。

由此可见，如果在建筑物密集的城市环境中搜测微波信号，大多数情况下测量到的是建筑物反射的微波信号，而不是地球站直接辐射的微波信号，这对通过测量信号来源的方位来定位干扰站的具体位置带来了误导。解决此问题的方法是，选择高层建筑物的楼顶或附近的山顶来进行测量，以尽量接收到直射信号，避免反射信号。

图十三 30cm厚钢筋混凝土墙体对6GHz以下频段微波信号的阻挡衰减和反射衰减仿真曲线

5.喇叭天线的最大搜测距离

所谓“喇叭天线的最大搜测距离”，是指一副确定增益的喇叭天线能够搜测到一个典型干扰站辐射的微波信号的平均最远距离，在以此距离为半径围绕干扰站的圆周上，至少有一半地点能够搜测到干扰站上行的信号。要想计算出距离，必须已知典型地球站功放输出功率、典型地球站在地平面各个方向上的增益（地平方向图）、搜测喇叭天线的G/T值。其中后两个参数已分别在本文的第2节和第3节中给出，至于典型地球站功放输出功率，可以设为10W，因为绝大多数用户地球站的功放额定功率都会大于此值。为方便计算和验证，笔者使用EXCEL表来计算最大搜测距离，表一、表二、表三和表四分别是下列四种环境下的喇叭天线最大搜测距离计算表：C波段无建筑物阻挡环境、C波段有建筑物阻挡和反射环境、Ku波段无建筑物阻挡环境、Ku波段有建筑物阻挡和反射环境。

计算结果表明：20dB增益的C波段喇叭天线在无建筑物阻挡环境下的最大搜测距离约为21.5公里，在有建筑物阻挡和反射环境下的最大搜测距离约为6.8公里；25dB增益的Ku波段喇叭天线在无建筑物阻挡环境下的最大搜测距离约为16.4公里，在有建筑物阻挡和反射环境下的最大搜测距离约为5.2公里。

6.卫星定位区域内干扰信号搜寻方法和信号源定位方法

搜测干扰站可分为两个主要步骤：第一步，在卫星干扰源定位系统定位出的大致区域内搜测到干扰站所发出的上行微波信号；第二步，到多个地点进行测量，分别测出干扰信号源的方向，然后在地图上交汇出干扰站的确切位置。为此还必须研究高效的干扰信号搜寻方法和高效的信号源测向定位方法。前者要求快速，后者要求准确。

得益于近年来卫星干扰源定位技术的进步（使用三星定位和便携式扩频参考站两项新技术），目前国产卫星干扰源定位系统的定位精度已经达到10km×60km，用一个增益为20dB的C波段或增益为25dB的Ku波段手持喇叭天线可以在10km（东西）×60km（南北）区域内较迅速搜测到干扰站所发出的上行微波信号。

通过模拟干扰站搜测实验和实际干扰站现场搜测，笔者发现最迅速的搜索路线是沿着卫星定位区域的东西中轴线的南北方向搜索（参见图十四中的中间一条竖向箭头线），因为手持喇叭天线在建筑物密集的城市区域的有效搜测半径为5公里，刚好可以覆盖卫星定位区域的东西边缘，这样沿着南北方向搜索一次，就搜遍了整个卫星定位区域，肯定可以搜索到干扰信号，搜测效率最高。

如果因为邻星条件不佳导致卫星定位系统定位出的干扰站所在区域范围比较大，比如20km×120km，则再沿着与上述中轴线东西两侧相距7公里的两条平行线进行搜测两趟即可，如图十四中左右两边的竖向箭头线。

在卫星干扰源定位系统定位出的区域内搜测到干扰站所发出的上行微波信号之后，下一步搜测工作就是选择多点测量，分别测出各点接收到的干扰信号的真实方向，在地图上交汇出干扰站的确切位置。其中各测量点的布局方法是决定搜测定位出干扰站的具体位置工作效率的关键因素。笔者通过在北京市、石家庄市和山东莱阳市的多次搜测干扰站实践，总结出一套相对高效的搜测点布局方法：

第一步，以搜索信号阶段搜测到最强信号的地点为中心，分别以4公里和8公里为半径的两个圆周上，在地图上选择8–10个点作为测量地点，然后在这8–10个测量地点附近（±1公里）分别找到一个高层建筑物的楼顶作为测量点。之所以选择高层建筑物作为测量点，是为了避免把反射信号方向误当作干扰站所在方向。之所以选择8–10个点进行测量，是出于两方面考虑：一是防止某个测量点搜测不到干扰信号（被阻挡了，或者碰巧处在干扰站天线的零旁瓣方向），二是为了在交汇信号源时剔除掉那些测量到反射信号方向的测量点，避免错误定位干扰实际位置。

第二步，依次登上这8–10座高层建筑物的楼顶上搜测干扰信号，并测量信号最强方向的方位角，将其画在地图上。需要注意的是，在楼顶上用搜测系统搜测干扰信号时，还需要用望远镜来辅助搜查干扰站天线和帮助鉴别信号是直射信号还是反射信号。

第三步，查看分析地图上8–10条直线的交汇点，理想情况下所有线应交汇于一个点，但大多数情况下，有部分直线交汇于一个很小的区域(形成一个小的多边形)，其余直线两两交汇，这种情况下，多条直线交汇的区域很可能是干扰站的所在位置。

第四步，到多条直线交汇区域的现场进行搜查，既目测又电测，此时很可能就发现了干扰站天线。另一种可能是能测量到非常强的信号，但由于围墙或建筑群阻挡，看不到干扰站天线。如果是后一种情形，一种办法是到互联网卫星地图上查看，另一种办法是在附近寻找一个高层建筑物登上其楼顶查看。

第五步，如果在某地既看到了地球站天线，又测量到了很强的干扰信号，则可以确认查找到了干扰站，否则还需继续搜测。

第六步，保存频谱图，记录已查找到的干扰上行站地址和单位名称。

图十四 搜测干扰站信号的最佳行车路线图

7.总结

干扰站地面搜测技术研究中每一个问题的解决都是以实际测量实验为依据，笔者已将相应的研究成果应用在实际干扰站搜测实践中，取得了很好的效果，验证了该技术的可行性和高效率。

[1]《一种新的卫星地面干扰源查找方法》，国家无线电监测中心刘海洋、牛刚、肖秀丽

[2]《Effects of reinforced concrete structures on RF communications》， Roger A. Dalke等

[3]《用于2至31GHz频率范围协调和干扰评估的卫星固定业务地球站天线的参考辐射方向图》，ITU-R S.465-6建议书， 2010年1月

[4]《计算自由空间损耗》，ITU-R P.525-2建议书， 1994年

[5]《评估在频率高于约0.1 GHz时地球表面上电台之间干扰的预测程序》，ITU-R P.452-14建议书，2009年10月