多通道卫星频率资源监测系统研究设计

2019-08-23宋成勇张立东刘恩敏

数字通信世界 2019年7期

宋成勇，赵坤，张立东，刘恩敏

（78156 部队，成都 610503）

1 引言

在电磁环境恶劣的情况下，卫星通信依靠其加密性强、抗干扰性强，覆盖面积大成为应急保障的主要通信手段。目前，卫星通信下行信号监控由于卫星系统日趋增多频率资源使用变更频繁，台站监测任务繁重，测试信号频段范围不断增大（已到Ka），在需要对多路卫星信号监控时，还存在频谱监控设备数量匮乏的情况；同时，由于各台站值勤人员技能水平参差不齐、装备熟练程度不一等诸多问题，在实际监测中即便经验丰富、技术熟练的值勤人员，在卫星通信频谱监控中也会因为监控频点多、时间消耗长，使得工作效率降低、监控结果不可靠。当前，我们迫切需要能卫星通信地面站对各卫星通信网系使用的卫星频率资源情况等进行实时监控，掌握转发器资源利用情况，排除可能出现的卫星通信频率自身干扰和外部干扰，并确保各卫星通信网系运行的可靠性。

2 研究背景

目前，卫星信号监控面临着卫星数量和型号日趋增多、监测任务繁重、测试信号范围不断增大、中频及射频物理接口不同、信号频率跨度大等技术问题，在卫星地面站频谱监测设备有限的情况下，必然加重现场值勤人员的工作量，降低了工作效率，监控结果容易出现误差。通过研究卫星地面站多通道卫星频率资源监控，在卫星通信地面站对各卫星通信网系使用的卫星频率资源情况等进行实时监控，实现干扰信号日实时告警，掌握转发器资源利用情况，及时排除（或规避）可能出现的卫星通信频率自身干扰和外部干扰，为上级业务管理部门在第一时间提供有效的决策支持。

各种新型卫星通信系统开通运行以后，卫星资源利用越来越多，频率资源变换也越来越频繁，现有的监测装备已不能满足值勤基本要求。我们研究多通道卫星频率资源监测，就是要确保卫星通信业务保障全时通、全域通、全网通、全程通。

3 主要研究内容目标及内容

3.1 研究目标

该项目硬件部分的信号处理器由8 ～10个射频变换模块组成，对来自不同卫星通信系统的中频或射频信号进行处理并转换为数字信号；信号分析系统主要由计算机服务器和软件系统组成，完成对卫星信号的对比、分析、存储和信号预警功能；软件功能包括：在一个界面上同时观测8 ～10颗卫星信号实时情况，对8 ～10颗卫星信号进行分析、存储，对卫星信号具有主动研判、声光告警功能，能及时发现各种不正常信号。

3.2 研究内容

针对平时值勤中暴露出的干扰和自扰等难以及时解决的问题，本次研究着重从如下方面进行：

（1）结合在用卫星通信资源的使用情况，研发多路卫星信号采集设备，可利用1套系统，对8 ～10颗卫星的下行信号进行集中监测。

（2）针对监控内容无法在监测指挥大厅进行集中显示的问题，开发一套集中控制软件平台，采集的信息在值勤大厅进行集中显示，也可上传至上级业务部门。

（3）在卫星通信信号出现异常时，增加主动告警的功能。

（4）动态展示卫星通信系统运行态势和资源利用情况。

（5）在卫星站原有业务处理和请示报告流程中，增加卫星通信监测数据集中存放，可对数据进行抽取、回放和分析。

3.3 研究设计方案

3.3.1 总体方案

此项目研究，主要从硬件设计、软件开发、数据库搭建几个方面进行。一是要对现有各卫星通信系统下行信号接口进行梳理，看各系统结构是否满足建设要求。二是着重设计多信道卫星通信信号监控硬件设备，充分考虑接收的下行卫星通信信号频率范围，选取运行稳定、电磁兼容、价格适中的硬件设备。三是实现自动监控平台软件的开发、数据存储（包括格式和保存时间）、监控界面集中呈现、自动告警信息的推送。

3.3.2 主要技术分析

该系统研究包括信号处理模块、信号分析模块、监控中心模块三部分，监控平台部分采用C++语言开发，系统运行于Windows 操作系统，数据传输通过TCP/IP 协议完成，数据处理储存部分则采用关系数据库进行开发。该系统研究从理论和软硬件方面保障系统是可实施的，且具有科学性。

信号处理器实际上需要实现频谱仪部分功能，首先要进行信号搜索并捕获得到各可见卫星粗略的信号码相位和载波频率；其次，在捕获到伪码相位和粗略载波频率的基础上，接着进入跟踪环路，跟踪并得到精确的码相位和载波频率等原始观测量。采用FPGA 设计信号处理模块，针对不同频点和不同中频带宽，采用多输入多输出架构，鉴于实际卫星信号可分为2个频段低于200MHz 和高于200MHz 两种方式。

图1 信号处理模块

如图1所示，信号处理模块是设计信号接收机处理不同频段的卫星信号并转换为信号分析模块需要的输入。

如图2所示，信号分析模块是系统模块的核心部分，它根据信号处理模块数据分析与处理多通道的射频信号、干扰信号等并形成相应的操作决策，监控中心模块根据信号分析模块决策调整相关通道射频、处理电磁干扰并在终端显示。

图2 系统各功能模块

图2中，监控中心模块是卫星地面站多通道频率资源监测系统的人机结合部分，能实现自动监控多路卫星信号，自适应处理监控任务、异常信号告警等功能，保障监测结果的准确性，提高异常信号发现与处理的及时性。

分布式系统融合框架结构如图3所示。为保证程序计算效率以及长期运行的稳定性，该系统智能监控平台部分采用C++语言开发，系统运行于Windows 操作系统，系统运行硬件CPU 至少大于5 核，内存大于16G。为保证卫星通信数据采集的实时性以及对外站卫星通信设备远程监控的有效性，数据传输通过TCP/IP 协议完成。该系统数据处理存储部分则采用关系数据库进行开发。

4 风险分析

该研究课题对高频段硬件变频后的卫星中频数据的采集、处理与分析，干扰与信号的模式化识别，需要经过反复试验调整才能最后定型。信号处理模块在处理不同频段的卫星信号并将其转换为数字信号时，如果信号幅度过低或信号不稳定时，可能存在失真，必要时，有的节点可增加信号放大器。

5 应用前景分析

5.1 应用效益显著

通过该研究设计，实现卫星地面站多通道卫星频率资源监控，能在卫星通信地面站对各卫星通信网系使用的卫星频率资源情况等进行全实时监控，干扰信号日实时告警，掌握转发器资源利用情况、频率资源的优化，及时排除（或规避）可能出现的卫星通信频率自身干扰和外部干扰。

突出全面掌控实时卫星通信运行态势，强化对各卫星通信网内各卫星站频率使用的监管，提高卫星通信网系维护指标，顺利完成各类重要通信保障，卫星通信业务保障全时通、全域通、全网通、全程通。

能够对出现的卫星通信资源故障进行预判，为上级业务管理部门在第一时间提供有效的决策支持；通过与应急指挥中心指挥决策系统对接，指导卫星资源使用进行适当调整。

5.2 经济效益明显

目前国内频谱仪（18-20GHz、Ku 频段）的价格，满足监测需求的单台频谱仪价格在28万元左右，按照在地面站工作9个卫星通信系统需求，至少需要8 ～10台，加上统一的监控平台搭建的费用，经费至少260万元。通过自主研发卫星地面站多通道频率监测系统，单个监测节点费用在2万以内（量产以后价格更低），一套系统只需购置8 ～10个节点即可满足需求，总建设费用（含监控节点硬件与监控平台）在60万元以内；如果推广运用，经济效益更佳。该系统建设周期短、改造成本低、维护简单，可先行建设系统试用，然后在大范围进行推广，大大节约装备投入资金。