一种基于协同侦收的卫星上/下行信号关联方法*

陈文洁，梁先明，史高翔

(1.中国西南电子技术研究所，成都610036；2.解放军驻成都地区第三军事代表室，成都610041)

0 引 言

近年来，移动卫星通信系统凭借着其覆盖范围大、通信频带宽、作用距离远、受地面干扰影响较小等优势逐渐成为在特殊地理位置、特殊场合常用甚至唯一的通信手段，也为全球各行各业的用户提供了优质的通信服务[1]。随着5G通信技术的发展，通过建立天基宽带互联网，并与地面移动通信网络相融合，从而打造天地一体化信息网络逐渐成为各国争相建设的目标。卫星通信系统的快速发展以及天地一体化信息网络的建设必将为其带来更大的用户群体和使用范围，同时这也给移动卫星侦测技术的发展提出了更高的要求。

当前国际上的移动卫星通信系统基本具备相似的通信体制和通信流程[2]，信号通过卫星终端、卫星、地面关口站三个关键节点完成用户申请、信道分配等控制信令及其他业务信令的通信及转发。以某商用移动卫星的终端主叫为例，终端通过L频段发出信道请求，经卫星转发至C频段后，将申请信息传输到关口站；关口站利用C频段回复信道分配信息，经卫星转发至L频段后，将分配信息传输至终端。因此在进行卫星信号分析时，需要侦收到完整的通信链路才能获取较全面的信息。

近年来，业内开展卫星信号分析研究时，通常的做法是侦收卫星与终端之间传输的L频段上、下行信号。常规的侦收天线针对卫星L频段下行信号的侦收范围可达几百公里，能够收到的信号比较多；但针对L频段上行信号的侦收范围只有几十公里，接收条件比较苛刻，如果侦收设备与卫星终端之间遮挡物过多或距离较远，能够正常接收到的L频段上行信号概率很低，很难实现对卫星信号L频段上、下行信号的全面侦收，故获取的内涵信息基本处于片段化状态。即便通过接收关口站C频段信号来获取更多用户信息，也是针对已基本退役的海事三代等具备固定转发关系的移动卫星。至于在服役中占比愈来愈多、具备动态转发关系的移动通信卫星，在目前公开文献中并没有发现针对卫星转发前后频率对应关系的研究。

本文提出了一种卫星上/下行信号关联方法，将针对L频段上行信号侦收范围小、信号接收概率低的问题转换为接收C频段下行关口站信号，可有效扩大卫星信号侦收范围，获取卫星通信过程中更多的完整通信链路。

1 卫星上/下行关联分析方案设计

为侦收到更多卫星完整通信链路信号从而获取更多用户的情报信息，本文依据卫星的工作体制和通信协议设计一种协同侦收方法，以实现移动卫星L频段上/下行信号与C频段下行信号的协同接收，并基于卫星控制信道的外部特征和内涵信息研究经卫星转发前后L/C频段信号的频率对应关系，从而实现卫星上/下行信号关联研究，为利用关口站实现更全面的卫星信号侦收提供技术支撑。

以某商用移动通信卫星为例，本文所采用技术方案的基本研究原理如图1所示，主要内容为：首先进行移动卫星通信协议研究，并结合实际信号分析验证，构建卫星信号关联知识库，明确可用于信号关联分析的知识；之后依据卫星知识制定信号协同侦收方案，保证侦收系统实现对卫星L频段上行信号、L频段下行信号以及C频段下行信号的协同侦收；基于移动卫星信号经卫星转发器转发之后其时序关系、外部特征、信息内涵均不发生改变的特点，利用卫星终端进行自定义通信行为测试，并进行一次完整通话，同时完成通信过程信号的采集存储；最后基于协同侦收信号分析其外部特征和内涵信息，并结合知识库，有效匹配L频段上行信号与转发之后的C频段下行信号，从而获取其频率对应关系，完成对本文所提卫星上/下行信号关联研究方法的验证。

图1 卫星上/下行信号关联研究方案示意图

1.1 基础知识库构建

本文所采用的卫星上/下行信号关联研究方法的基础是构建卫星知识库。首先通过对移动卫星信号通信协议的解读分析获取卫星基本工作体制[3]、不同类型信道功能及特性等理论知识，明确可用于卫星上/下行信号关联分析的信道特性及信息内涵，用于辅助后续信号分析；同时针对已获取卫星信号的处理分析、特征提取对协议知识进行佐证，两者相互结合，通过不断研究验证形成卫星信号知识库。依据卫星信号协同侦收、信号关联分析两阶段用途，所构建知识库包含的关键要素项如表1所示。

表1 知识库关键要素项

1.2 协同侦收模型设计

多数移动卫星通信体制中，信号经卫星转发时采用的是直接转发机制，即经卫星转发后所传输的信息内容不变。另外，目前在用的卫星通信体制采用的多是动态转发机制，主要具备以下几个特点：一是L频段上行信号与转发后的C频段下行信号之间的频率关系是动态变化的，但一定时间范围内保持不变；二是L频段上行信号与L频段下行信号之间存在固定频率差；三是卫星随机接入信道[3](Satellite Random Access Channel，S-RACH)在L频段上行和C频段下行传输链路中都存在；同时，L频段下行链路中的卫星访问授权信道[3](Satellite Access Grant Channel，S-AGCH)与L频段上行链路中的S-RACH有几个字节的信息内容一致。

基于卫星转发器的上述特点，根据已获知的卫星位置信息、传输频率范围、极化方式等知识，利用两个小型L频段接收天线和一个大型C频段接收天线、三通道接收机和存储设备构建一套信号接收环境，根据卫星信号侦收站地理位置分别设置天线的接收方向、俯仰角，以及接收机的采集中心频率和采集带宽等，以实现L频段上行、L频段下行和C频段下行三路信号的协同侦收和采集存储。针对某移动卫星信号的协同侦收方案示意图如图2所示。

图2 协同侦收示意图

由于C频段下行信号是利用全球波束进行信号传输，通过侦收卫星发往关口站的C频段信号可以更全面地实现卫星信号侦收。因此，获取经卫星转发器转发的L频段上行信号与C频段下行信号之间的频率对应关系，并通过L频段上/下行信号之间的固定频率差，即可匹配到属于同一次业务的C频段下行信号和L频段下行信号，从而获取较全面的卫星通信信号。

1.3 卫星上/下行信号关联原理分析

通常情况下，每种卫星体制信号传输的频段范围是固定的，多为几十至上百兆赫，且传输频带内又分为多个子带、子信道。以某商用移动卫星为例，点波束信号通过L频段传输时的通信带宽为34 MHz，通常L频段下行信号以200 kHz带宽为一个信道，共有170个信道可供使用；而L频段上行信号传输时，每一个200 kHz信道又分为4个子信道。经卫星转发器转发后，C频段下行信号的实用通信带宽扩展至106.4 MHz，共分为7个带宽为12.8 MHz的子带，每个12.8 MHz子带又分为64个带宽为200 kHz子信道[4]。因此，如何基于卫星知识库和协同侦收模型关联同一条通信链路L 频段上行信号与C频段下行信号是本文的研究重点。

1.3.1 基于信号外部特征的关联方法

利用卫星移动终端进行通信时，终端会通过S-RACH信道申请分配一个独立专用的控制信道，作为对寻呼的响应或者终端主叫/登记时的接入。与其他信道信号的最大不同在于，S-RACH信号在卫星终端拨打电话、位置变化、重新入网、主叫或被叫时都会发送，且在卫星信号传输的L频段上行链路和C频段下行链路中都存在。

鉴于S-RACH信号的上述信道特性及物理特性，在L频段侦收天线附近利用卫星终端进行自定义通信行为测试，并完成过程中返向链路的L频段上行信号和C频段下行信号的协同接收和采集存储，并对其进行AD采样、下变频滤波、时域特征提取及匹配关联分析。

设L频段上行信号为XL上(t)，C频段下行信号为XC下(t)，接收采样率为Fs，则接收机输出的两路信号分别为

xL上(n)=XL上(n×ΔT)，

(1)

xC下(n)=XC下(n×ΔT)。

(2)

式中：ΔT=1/Fs，单位为s;n为信号样点序号。之后以Bw为基带带宽、f0为中频频率分别对两路信号进行逐信道的下变频滤波[5]处理后，得到信号为

xL上′(n)=filter(xL上(n)×exp(-j×2×pi×f0×n),Bw)，

(3)

xC下′(n)=filter(xC下(n)×exp(-j×2×pi×f0×n),Bw) 。

(4)

式中：filter(x，Bw)为对信号x做带宽为Bw的低通滤波，n为信号样点序号，xL上′(n)、xC下′(n)分别为基带L频段上行信号、C频段下行信号。

获取基带信号后，依次对每个子信道进行特征字匹配，遍历搜索S-RACH信号，并对其进行解调译码，确定目标信号所在子信道号，即频率号。

设L频段上行信号的第一个子信道频率值为fL上0，分析得到的目标信号频率号为nLi，则L频段上行目标信号的射频中心频率fL上可由下式计算得到：

fL上=nLi×0.05+fL上0。

(5)

式中：0.05代表L频段上行信号子信道带宽，单位为MHz。

同理，设C频段下行信号所在子带的第一个子信道频率值为fC下0，根据分析得到的目标信号频率号为nci，则C频段下行目标信号的射频中心频率fC下可由下式计算得到：

fC下=nci×0.2+fC下0。

(6)

式中：0.2代表下行信号子信道带宽，单位为MHz。则根据式(5)、(6)求得的fL上、fC下分别为卫星转发前后的L频段上行信号频率值、C频段下行信号频率值。

1.3.2 基于信号内涵信息的关联方法

常见的卫星信号侦收场景是侦收天线与卫星终端相隔较远，不能有效实现L频段上行信号的侦收。但根据已获取的卫星知识，L频段下行S-AGCH信号所传输指配信息中，有四个字节信息与S-RACH信号中的部分信息完全一致，主要信息内涵包括呼叫类型(主动呼叫、紧急呼叫、短消息、补充信息、位置更新、被叫)、点波束号、本机截短设备号(简称“IMSI号”)等。

利用卫星终端进行一次完整的卫星通信，并采用协同侦收方法实现通信过程中返向链路的C频段下行信号与前向链路的L频段下行信号的同时侦收。设L频段下行信号为XL下(t)，C频段下行信号为XC下(t)，接收采样率为Fs，基带采样率为fs，根据式(1)～(4)的方法对两路信号进行AD采样并逐信道进行多级下变频滤波处理，分别得到基带信号为xL下′(n)、xC下′(n)。

对C频段下行基带信号xC下′(n)以同样的方式遍历搜索S-RACH信号并求得目标信号频率号，之后根据式(6)求得其射频频率值fC下。

根据协议可知，L频段下行存在同步头，可利用同步序列相关的方法搜索S-AGCH信号所在帧号。设本地同步数据为syn(n)，将其与L频段下行基带数据进行互相关，得

(7)

式中：syn*(n)为本地同步数据的共轭，N为xL下′(n)信号长度。对互相关数据R(m)进行最大相关峰搜索并判断满足门限要求后，确定第0帧所在位置，根据知识库搜索S-AGCH信号并对其进行解调[6]、信道译码、链路层协议解析等，确定目标信号所在子信道号，即频率号。

已知L频段下行信号的第一个子信道频率值为fL下0，根据分析得到的目标信号频率号为nLj，则L频段下行目标信号的射频中心频率fL下可由下式计算得到：

fL下=nci×0.2+fL下0。

(8)

已知L频段上行与L频段下行信号之间存在值为ΔfL上/下的固定频率差，则相应的L频段上行目标信号的射频中心频率fL上为

fL上=fL下+ΔfL上/下。

(9)

最终求得的fL上、fC下分别为卫星转发前后的L频段上行信号频率值、C频段下行信号频率值。

2 实验验证情况

本次实验采用1个移动卫星终端、1套L频段全向接收天线、1套L频段板状阵列接收天线、1套C频段高增益抛物面接收天线、1套多通道接收采集存储设备、1套卫星信号分析软件和1套寻星仪软件。

利用寻星仪软件，根据卫星经度、本地侦收站经纬度值，计算得到天线接收方向角、俯仰角、极化角等，并根据计算结果设置C频段下行接收天线和L频段下行接收天线的接收面方向和相关参数。另外,根据L频段上/下行、C频段下行信号的频率范围分别设置三个接收机的中心频率和带宽，其中L频段接收带宽设置为36 MHz，C频段接收带宽设置为72 MHz。

2.1 基于外部特征的实验验证

在L频段上行接收天线附近，利用卫星终端连续进行5次“拨打电话-挂断”测试，并采集存储这一过程中的C频段下行信号和L频段上行信号。按照1.3.1小节中的方法对两路信号进行预处理后，遍历搜索S-RACH信号。图3所示为预处理后两路基带S-RACH信号对比图，其中(a)为C频段下行S-RACH时域信号包络图,(b)为L频段上行S-RACH时域信号包络图。

图3 C频段下行和L频段上行S-RACH信号包络对比图

由图3分析可知，由于L频段上行接收天线与终端之间几乎没有遮挡，所以其信号的背景噪声能量要比C频段信号噪声小得多。另外，通过两张图中S-RACH信号包络可知,突发信号个数、时间间隔与5次行为测试预期结果一致，可印证卫星转发器直接转发这一特点。

之后利用分析得到的目标S-RACH信号所在子信道号，根据式(5)和式(6)可求得该S-RACH所在L频段上行信号射频频率值、C频段下行信号射频频率值。

2.2 基于信息内涵实验验证

利用卫星终端进行一次完整的“拨打电话-接通-通话-挂断”行为，并协同采集存储这一过程中的C频段下行信号和L频段下行信号。

根据1.3.1小节中方法对C频段下行信号进行下变频滤波等预处理后，遍历搜索S-RACH信号，并对基带S-RACH信号进一步解调、译码，根据知识库中的格式定义解析出与下行S-AGCH信道中信息一致的字段，并获取相应的业务类型、点波束号、截短IMSI号等，S-RACH信号的信息内涵解析内容如表2所示。

表2 S-RACH/S-AGCH信息内涵对比

按照小节1.3.1小节中的方法对L频段下行信号进行下变频滤波之后，根据式(7)查找帧同步头位置并搜索S-AGCH信道信号，判断搜索到的信号所在帧位置符合协议规定的映射格式后，对其进行解调[5]、帧累积、译码等一系列处理后，按照知识库中S-AGCH信道的信息内涵定义进行协议解析，表2中列出了S-AGCH的信号解析内容。通过表2中的解析结果可验证，同一条通信链路的S-RACH和S-AGCH中有部分信息相同，可作为上/下行信号关联的依据。

确定目标信号所在子信道号(即“频率号”)后根据式(6)和式(8)可分别求得C频段下行S-RACH、L频段下行S-AGCH的射频频率值，之后利用式(9)可求得相应的L频段上行信号射频频率值，最终求得的fL上、fC下分别为卫星转发前后的L频段上行信号频率值、C频段下行信号频率值。可验证，实验结果与2.1小节中的结果一致。另外，在2.1小节中构建的L频段上行信号与C频段下行信号的协同接收场景下，除利用信号外部特征进行信号关联外，也可通过解析S-RACH的内涵信息进一步验证。

综上所述，基于卫星转发器的直接转发特性，综合利用S-RACH信号和S-AGCH信号的外部特征与内涵信息，可有效实现卫星L频段上行与C频段下行信号的关联分析。

3 结 论

本文主要针对移动卫星L频段上行信号侦收较难、不易获取更大覆盖范围内用户情报信息的问题，以某商用移动卫星为实例，提出了一种卫星上/下行信号关联方法。通过构建一套协同侦收系统，可有效实现L频段上行、L频段下行和C频段下行三路信号的协同接收采集，同时利用卫星转发器的直接转发特性，使基于信号外部特征的频率匹配结果和基于信息内涵的匹配结果相关验证、相互补充，可有效提高匹配关联研究结果的稳定性与可靠性。本文所提的研究方法将针对L频段上行信号侦收范围小、信号接收概率低的问题转化为接收C频段关口站信号，可有效扩大卫星信号侦收范围，更加全面地侦收卫星通信过程中的完整链路信号。

本文的设计思想立足于移动通信卫星的通信体制，所用方法和思路可延伸至其他类型移动卫星信号的分析，如海事卫星、舒拉亚(Thuraya)卫星等，可显著提高卫星侦收系统的信息获取能力；同时通过卫星上/下行信号关联分析可为实现卫星干扰提供技术支撑，从而支撑特定区域的通信对抗。