卫星通信上下行链路信号的侦收分析

李岱若，徐 慨，李 奇

(海军工程大学，湖北 武汉 430033)

卫星通信上下行链路信号的侦收分析

李岱若，徐 慨，李 奇

(海军工程大学，湖北 武汉 430033)

从卫星传输链路着手，分析了卫星通信行链路的信号侦收原理，通过地面侦收设备和机载侦收设备对卫星和地球站的通信信号进行侦收，进行了理论推导，给出了侦收设备在不同地理位置对侦收效果影响的表达式，可以计算不同位置侦收设备收到的能量，并进行了MatLab仿真实验以找寻合理的地面或者机载侦收设备的配置方案。结果表明侦收效果好的侦收设备,其地理位置更易暴露，所以在实际配置时要综合考虑。

卫星通信；通信对抗；卫星通信链路；机载侦察

0 引 言

卫星通信是现代通信的主要方式之一，卫星通信以其独特的优越性在全球通信和导航定位等应用领域起着举足轻重的作用。在新形势、新时代的战争环境下，一旦卫星通信信号被侦察接收，随之而来的可能就是干扰对抗。随着军事卫星通信技术的兴盛和发展，卫星通信对抗随之得到发展，已成为现代军事电子战中的关键环节。卫星通信信号的侦察收集更是卫星通信对抗不可或缺的重要前提。为此，本文对卫星到地球站的下行链路以及地球站到卫星的上行链路进行侦收分析，推导出了影响侦收效果的表达式，确定影响侦收效果的参数，通过例子进行分析，并通过MatLab仿真来观察参数变化对侦收效果的影响。

1 对下行链路信号的侦收分析

对卫星通信下行链路信号进行有效侦收和分析，需要对抗侦察设备满足以下条件[1]：

(1) 卫星通信链路下行信号的工作频率fd处于侦收对抗设备的侦察频率[fzmin,fzmax]之内；

(2) 侦收对抗设备要处在卫星覆盖区之内。

无论是对上行信号还是下行信号进行侦收，侦收设备的安置地点都必须满足一个要求，即侦收设备必须要安置在通信卫星的覆盖区域之内。从卫星向地球表面做切线所形成的区域被称为卫星的覆盖区域。由于地面的山川、高楼以及地面噪声等的影响，天线的通信需要满足最小天线仰角Emin≥5°[2]，才能有效减小地形、地面遮挡物以及地面噪声对通信的影响。因此把5°称为最低天线仰角Emin，最低天线仰角的边缘线所包围的地面区域就被称为卫星的覆盖区域。侦收设备是否在卫星的覆盖区域的基本判断条件为：

E≥Emin

(1)

当地面上的设备对准卫星时，地面站的仰角E可以通过下式求出[2]：

(2)

式中:R为地球近似半径，因为本文以静止轨道卫星“中卫一号”为例进行分析，取地球赤道半径R=6 378 km;r为卫星到地心的距离，静止轨道卫星距离地表距离约为36 000 km，故取r=36 000+6 378=42 378 km;βsd为卫星垂直星下点和地面站之间的地心夹角，地心夹角βsd可由下式求出：

cosβsd=sinφdsinφs+cosφdcoss(θd-θs)

(3)

式中:θd为地球站的经度;φd为地球站的纬度；θs为卫星的经度；φs为卫星的纬度，对于静止轨道卫星来说，卫星纬度φs=0°。

所以上式可以简化成：

cosβsd=cosφdcos(θd-θs)

(4)

卫星的覆盖区域一般以该地区所对应的地心张角β来表示。地心张角β可由波束宽度γ和地球半径R、卫星到地心距离r确定[3]：

(5)

通信卫星的覆盖区域一般都比较大，不可能仅仅覆盖己方有需求的小部分区域，所以侦察设备一般都能安置在通信卫星的覆盖区域之内。对静止轨道卫星来说，其波束宽度γ约为17.4°，能覆盖地球表面积约1/3大小。代入相关参数可求出，静止轨道卫星的地心张角β约为162.6°[4]。

对通信卫星下行链路通信信号的侦收可以经由地面侦收平台和机载侦收平台2种基本的手段，都需满足条件:

ρsz≤β/2=81.3°

(6)

βsz为通信卫星和侦收设备在地球表面射影的地心夹角，可由下式计算出：

βsz=arccos[sinφzsinφs+cosφzcosφscos(θz-θs)]

(7)

式中：θz为侦收设备的经度；φz为侦收设备的纬度。

(3) 侦收设备接收的下行链路的信号功率Sdz应该大于侦收设备的灵敏度Pzmin，即要求满足条件：

Sdz≥Pzmin

(8)

Sdz=Es+Gzs-Lsz-La

(9)

式中：Es为卫星的等效全向辐射功率；Gzs为侦收设备的天线对通信卫星下行链路信号的增益；Lsz为下行链路到侦收设备的自由空间损耗；La为下行链路信号受到的大气衰减。

Lsz可由下式计算得出[5]：

Lsz=92.44+20lgfd+20lgRsz

(10)

式中：fd为通信卫星下行链路的信号频率(GHz)；Rsz为通信卫星到侦收设备的距离(km)。

下面以侦察“中卫一号”静止轨道卫星(87.5°E，0°)和某地球站(113°E，10°N)之间的通信为例子，“中卫一号”静止轨道卫星的Es约为50 dBW,品质因数值约为4 dB/K。某地面站天线口径为1.8 m，天线效率为0.55，面天线增益Gs可由下式求出：

(11)

假设下行信号频率在侦收设备的可侦察频率范围[fzmin,fzmax]之内，计算针对“中卫一号”静止轨道卫星下行链路通信信号进行侦收时应满足的位置条件，将参数φs=0°、θs=87.5°E代入式(6)可得：

βsz=arccos[cosφzcos(θz-87.5°)]

(12)

1.1 对地面侦收设备进行分析

满足上面的3个要求，并根据式(10)采用MatLab对地面侦收设备的地理位置进行仿真，找出满足要求的侦察设备的位置条件，如图1所示。

图1 侦察设备应满足的位置条件

当采用地面侦收设备进行通信卫星下行信号的侦收时，已知“中卫一号”静止轨道卫星的Es约为50 dBW。由文献[6]的图3-2可知，当通信卫星下行链路信号的频率为12.43 GHz时，大气衰减很小，基本可以忽略。路径损耗Lsz可用下式进行计算：

(13)

Lsz=92.44+20lgfd+20lgRsz

(14)

(15)

由式(9)可以求出到达侦收设备天线口面处的能量E为：

E=Sdz-Gzs=Es-Lsz-La

(16)

E=Sdz-Gzs=50-Lsz-0

(17)

E=Sdz-Gzs=

(18)

用MatLab对上式进行仿真，可以得到到达地面侦收设备接收天线口面的能量与地面侦收设备所处的位置之间的关系，如图2所示。

图2 到达地面侦收设备天线口面能量与地面侦收设备所处位置的关系

由MatLab仿真图可以看出，确定侦收设备的灵敏度、地理位置所在处和其天线增益，就可以判定该侦收设备是否可以有效侦收到“中卫一号”静止轨道卫星的下行链路通信信号。由上面的MatLab仿真图可以看出，“中卫一号”静止轨道卫星下行信号到达地面侦收设备天线口面处的能量约在-155 dBW～-157 dBW附近。由图2分析可得结论：侦收设备地理位置的变化对到达侦收设备天线口面处能量大小的影响是以星下点(87.5°E，0°)为圆心，到达天线口面处的能量大小随半径增大而减小。

由文献[7]可知，假设地面侦察设备的灵敏度Pzmin为-110 dB，这个值处于一般接收机的灵敏范围之内，即要求地面侦收设备的天线增益Gzs≥47 dB时才能满足上面MatLab仿真中天线口面处最小能量的侦收条件。已知天线效率η=0.55，当接收天线半径D=3 m时，天线增益约为49 dB。由此可见，这是完全可以实现的。

1.2 对机载侦收设备进行分析

hdz≤hzmax

(19)

(20)

将式(5)代入式(20)得：

(21)

采用MatLab对求机载侦收设备的最大升空高度的式(21)进行仿真，可得图3。

由MatLab仿真图3可以看出,机载侦察设备处于“中卫一号”静止轨道卫星(87.5°E，0°)的星下点时,到达机载侦收设备的最大升空高度，由式(21)可以计算出为30 359 km。

图3 机载侦收设备的最大升空高度

由图2分析可知，侦收设备地理位置的变化对到达侦收设备天线口面处能量大小的影响是以星下点(87.5°E，0°)为圆心，到达天线口面处的能量大小随半径增大而减小。下面讨论机载侦收设备的升空高度对到达侦收设备天线口面处能量大小的影响。

当采用机载侦收设备进行侦察接收时，由图4分析可得，路径损耗Lsz中的卫星到侦收设备的距离Rsz应该等于：

(22)

图4 采用机载侦收设备时侦收设备和静止轨道卫星的位置关系图

“中卫一号”静止轨道卫星的下行链路信号到达机载侦收设备的路径损耗Lsz仍然由式(14)计算出来，所以到达机载侦收设备天线口面的能量为：

(23)

设机载侦收设备的地理位置位于(120°E，30°N)，最大升空高度前面已经算出来为30 359 km，将地理位置代入式(23)并进行仿真，可以得出机载侦收设备升空高度对到达侦收设备天线口面处能量大小的影响，如图5所示。

图5 机载侦收设备的升空高度与到达天线口面处能量关系图

由图5可见，随着机载侦收设备升空高度的增加，到达其天线口面处的能量在逐渐增大，但是其增加的幅度比较小，到达机载侦收设备天线口面的能量略高于地面侦收设备天线口面处的能量。

因此可得结论：

(1) 距离通信卫星的星下点越近，到达侦收设备天线口面处的能量越大；但是越接近星下点，侦察设备的隐蔽性也越差，越容易被敌方发现，因此在实际应用时要折衷考虑。

(2) 机载侦收设备在最大升空范围内越高，则到达侦收设备天线口面处的能量越大，越有利于侦收设备对卫星下行链路通信信号进行侦收。由式(20)可知，最大升空高度是受限制的，由Matlab仿真图3可见,在“中卫一号”卫星星下点处可取得最大升空高度；但是，同理机载侦察设备越接近星下点，隐蔽性也越差，所以在实际应用配置时也要综合考虑。

2 对上行链路信号的侦收分析

对卫星通信上行链路信号进行有效侦收和分析，需要对抗侦察设备满足以下条件[1]：

(1) 卫星通信链路上行信号的工作频率fu处于侦收对抗设备的侦察频率[fzmin,fzmax]之内。

(2) 侦收设备的位置不在地面发射站天线波束抑制角Emin之内，侦收设备的升空高度需满足huz≥hzmin，通过地面发射站天线波束抑制角Emin可以计算出hzmin：

hzmin=R/cos(Emin+βsz)·cosEmin-R

(24)

式中：hzmin为侦收设备的最低升空高度(km)；βzd为侦察设备和地面发射站在地球表面射影的地心夹角，由公式(3)推得，地心夹角βzd为：

βzd=arccos[sinφzsinφd+cosφzcosdcos(θz-θd)]

(25)

(3) 侦收设备接收到的通信卫星上行链路信号功率Suz≥侦收设备的灵敏度Pzmin，需满足的能量条件由式(9)可得：

Suz=Ed+Gzd-Lsu-La

(26)

式中：Ed为地面发射站的有效全向辐射功率;Gzd为侦收设备接收天线在地面终端发射机方向上的增益；La为通信卫星上行信号的大气衰减；Lsu为上行信号到达侦收设备时受到的路径损耗，由下式可得：

Lsu=92.44+20lgfu+20lgRzd

(27)

根据例子“中卫一号”静止轨道卫星(87.5°E，0°)与某地球站(113°E，10°N)之间的通信，对通信卫星的上行链路信号进行侦收分析。

2.1 使用地面侦收设备

设某地球站的接收天线为3 m，发射功率为4 W。由式(11)可计算得到增益为50 dB，所以Ed=10lg4+50=56 dBW。路径损耗中的Rzd=R·βzd。βzd为侦收设备和某地球站在地球表面射影的地心夹角，可由下式计算出：

βzd=arccos[sinφzsinφd+cosφzcosφdcos(θz-θs)]

(28)

将相关参数代入式(27)得：

Lsu=115.48+20lg{R·arccos[sin10°sinφz+

cos10°cosφzcos(θz-113°)]}

(29)

由于某地球站发射天线的波束主瓣指向卫星，因此地面侦收设备只能接收到其副瓣的信号。地面发射站天线在地面侦收设备方向上的增益设为Gdz，该增益与侦收设备和地球站发射设备之间的夹角、位置关系、发射天线仰角、主瓣宽度等有关。根据国际电信联盟(ITU)的有关章程，由天线偏轴角α可以推出相对峰值归一化的旁瓣峰值[8]：

(30)

根据文献[8]中的天线与电波传输理论，地球站发射旁瓣峰值可以作为天线接收时的峰值。

当采用地面侦收设备侦收某地球站上行链路信号时，设地面侦收设备与“中卫一号”静止轨道卫星(87.5°E，0°)位于某地球站(113°E，10°N)的同一边，则这时侦收设备对准某地面站天线副瓣偏离主轴的角度α=E。E为某地球站对准“中卫一号”静止轨道卫星时的天线仰角，将各项参数代入式(2)可以计算出E=58.34°。这时的天线偏轴角已经比较大了，超过了最大旁瓣偏轴角α=48°，G(48°)=-13 dB，发射的信号已经十分微弱，再加上地形、地面遮挡物以及地面噪声对通信的影响，对信号的衰减影响更大，所以对某地球站(113°E，10°N)的上行信号采用地面侦收设备是不可行的，应该采用机载侦收设备进行侦收，与文献[9]、[10]结论一致。

2.2 使用机载侦收设备

当使用机载侦收设备进行侦收时要满足最低升空高度的限制，由式(24)可以求出机载侦收设备的最低升空高度：

hzmin=R/cos{Emin+cos[sin10°sinφz+

cos113°cosφzcos(θz-113°)]}·cosEmin-R

(31)

对机载侦收设备的最低升空高度进行进行MatLab仿真可得图6。

图6 机载侦收设备的最低升空高度

由图6可以看出，越接近某地球站(113°E，10°N)正上空，可以允许机载干扰设备处于地球站发出上行信号的接收范围内的最低升空高度越低；但是，相应地越接近此处，对于机载干扰设备来说其被暴露的可能性就越大。因此实际配置时要根据具体情况综合考虑，做出机载侦收设备配置地点的选择。

设侦收设备的升空高度为hdz，机载侦收设备与“中卫一号”卫星和某地球站的位置关系图如图7所示。图中，L为某地球站到侦察机地面投影点的距离，L=Rβzd，βzd为侦察机地表投影点和某地球站的地心夹角。βzd可以由式(28)求出，Rdz为某地球站到侦察机的距离，根据三角余弦定理可以求得：

(32)

图7 侦收设备与地球站、卫星的位置关系图

将相关参数代入式(27)，可以得到机载侦收设备的路径损耗为：

Lsz=115.48+10lg{hdz2+{R·arccos[sin10°sinφz+

cos10°cosφzcos(θz-113°)]}2}

(33)

因此到达机载侦收设备天线口面处的能量为：

E=Sdz-Gzs=G(α)+6-Lsz

(34)

假设机载侦收设备的升空高度定为hdz=10 km，这个升空高度符合机载侦察设备的一般升空高度[10]，用MatLab对式(17)进行仿真可以得出机载侦收设备天线口面处的能量与机载侦收设备位置的关系图，如图8所示。

图8 机载侦收设备天线口面处的能量与机载侦收设备位置的关系图

由图8可知，当侦察机在10 km高度时，其位于某地球站(113°E，10°N)正上空时到达接收天线口面的能量最大，接近-145 dBW。由文献[6]可知，假设机载侦收设备的灵敏度Pzmin为-110 dB，这个值处于一般接收机的灵敏范围之内，要求机载侦收设备的天线增益Gzs≥35 dB。侦收设备天线的效率为η=0.55，根据式(11)可推得：

(35)

求得D≥0.51 m时就能满足要求，机载侦收设备的接收天线半径完全可以满足这个要求，这是能够实现的。因此可得结论：

(1) 距离地球站的上方地理位置越近，到达侦收设备天线口面处的能量越大，越有利于侦收卫星的上行链路信号；但是越接近地球站上方，侦察设备的隐蔽性也越差，越容易被敌方发现，因此在实际应用时要折衷考虑。

(2) 机载侦收设备的升空高度满足极限最低升空距离的前提下，升空高度越低则到达机载侦收设备天线口面处的能量越大，越有利于侦收设备对卫星上行链路的通信信号进行侦收；但是机载侦察设备升空高度越低，隐蔽性也越差，越易被敌方所摧毁，所以在实际应用配置时也要综合考虑，以确定侦收设备的配置位置。

3 结束语

本文以侦收某地球站和“中卫一号”静止轨道卫星进行通信的上下行链路进行侦收为例，研究了地面侦收设备以及空中机载侦收设备对通信卫星上行和下行干扰的效果，并通过MatLab仿真探究了侦收设备相对卫星、地球站的地理位置、升空高度等参数的变化对侦收效果的影响，为侦收设备的配置策略的制定和实施提供了理论依据，具有一定的指导作用，为下一步干扰机的设计与改进提供了基础。

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ReconnaissanceandReceptionAnalysisofUplinkandDownlinkSignalsforSatelliteCommunication

LI Dai-ruo,XU Kai,LI Qi

(Naval Engineering University,Wuhan 430033,China)

Starting from the satellite transmission link,this paper analyzes the signal reconnaissance and reception principle of satellite communication line link,detects and receives the communication signals between satellite and ground station through ground and airborne reconnaissance and reception equipments,performs the theoretical derivation,presents the expression of reconnaissance and reception equipments at different geographic positions on the reconnaissance and reception effect,by which can calculate the energy

from reconnaissance and reception equipments at different geographic positions,and performs Matlab simulation experiment to discover the reasonable collocation scheme of ground or airborne reconnaissance and reception equipments.Results show that the geographical location of reconnaissance and reception equipments with better detection effect emerges easily,which must be considered in the actual collocation.

satellite communication;communication countermeasure;satellite communication link;airborne reconnaissance

TN975

A

CN32-1413(2017)05-0024-06

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.005

2017-04-24