利用无人机开展Ka频段卫星终端监测研究

2022-04-01叶淋美林于新陈弘扬

数字通信世界 2022年3期

叶淋美，林于新，陈弘扬

（国家无线电监测中心福建监测站，福建厦门 361000）

0 引言

Ka频段卫星终端旁瓣信号强度十分微弱，主要由于Ka频段卫星终端波束窄，旁瓣信号微弱。抛物面天线波束宽度与天线口径、工作频率有关，天线口径越大或工作频率越高，天线波束宽度越窄。Ka频段卫星终端收发天线通常采用抛物面天线时，半功率波束宽度在1°以内[1]。主瓣宽度越窄，反之抛物面天线的旁瓣范围越大。从方向性天线应用角度，主旁瓣增益比越大越好。

传统无线电监测技术方法具有一定的局限性：地面微弱电台查找效率低下。无线电干扰源查找定位常见的做法是采用移动逼近方式，主要利用便携设备监测目标信号强度和确定信号来波方向。地面监测技术手段在地面无线电监测业务中发挥了重要技术作用[2]，但对于卫星终端监测却存在较大局限，主要原因是卫星终端天线具有较高的方向性，卫星终端工作时天线主瓣始终对准其通信卫星，地面监测平面远远低于卫星轨道高度，只能监测到其微弱的旁瓣信号，很大程度增加了地面监测难度。

需要一种有效查找微弱信号的技术手段。地面监测存在困难的根本原因是在进行地面监测时监测路径损耗较大，卫星终端旁瓣微弱信号经无线电空间辐射和多径损耗作用，到达监测天线口面处的信号强度较为微弱。为达到目标监测效果，减小监测路径传播损耗或提升监测设备性能是可能实现的办法。大部分无线电监测站设备均能够配备国内外高水平监测设备，因此解决卫星终端监测的难点在于如何减小监测传播路径损耗带来的问题。利用无人机平台监测地面辐射源，可以增大监测高度，减小监测路径传播损耗，从而提高对Ka卫星终端的微弱旁瓣监测能力。

1 无人机平台监测测试

本文研究的无人机平台监测即利用无人机搭载无线电监测设备开展无线电频谱监测，将无人机和无线电监测设备统称为无人机平台监测系统。这里的无人机平台监测测试具体指利用无人机平台监测系统接收来自测试对象（卫星终端）目标频率信号的监测测试。

1.1 发射系统

测试链路发射系统为改装的Ka卫星终端，改装方法如图1所示，它是由某静止轨道卫星便携终端、信号源、合路器和一些零部件组成。改装后，信号源产生自定义测试要求的基带调制信号经过等效口径为0.75 m的抛物面天线向空中辐射能量。

图1 发射终端改装示意图

利用改装后的卫星终端进行天线伺服人工控制和调制器参数配置，可实现非静止卫星终端发射性能模拟。待测试的卫星终端发射参数如表1所示。

表1 卫星终端性能指标

1.2 Ka频段无人机平台监测系统

无人机平台监测系统由无线电监测无人机、无线电监测地面站和紧急接管用的遥控器三部分组成，各部分之间通过无线数据链接。地面站上传飞行与监测命令，无人机下传监测与飞行数据。无人机受自动驾驶仪控制，通过搭载的数传单元接收地面站上传的监测、遥控或飞行指令，自动执行后，下传监测和飞行数据。除了正常地执行地面站上传的各类命令，自动驾驶仪还要实时监控无人机的飞行姿态、电池电量等参数，一旦有参数到达临界值，将自动返航，以保证飞行安全。

监测接收机是实施无线电信号监测的主要功能设备，与地面监测接收机用途一样，无人机搭载的监测接收机具备无线电监测测量基本功能，能够完成信号频率、信号带宽、信号强度等基本指标的测量。影响接收机监测性能的关键因素是接收机灵敏度指标，因此配备高性能接收机对于微弱信号的监测具有重要意义。

监测系统接收天线采用Ka频段喇叭天线，具有较强的方向性，提供一定的天线接收增益。天线极化方式为线极化，采用卡扣方式嵌入在无人机支撑架底部，能够实现垂直和水平极化方式变换。采用线极化天线作为监测天线，既能满足线极化信号监测，也能监测卫星圆极化信号，但需考虑极化匹配损耗。

LNB主要由低噪声放大器和下变频器两部分组成，低噪声放大器主要作用是保持低噪声环境下的信号能量放大。在一定范围内，放大倍数越大，噪声系数越低，越有利于微弱信号的监测。下变频器的主要作用是将接收的信号从较高频段搬移到接收机监测频段，扩展了监测系统可监测频段。无人机平台监测系统设备性能指标如表2所示。

表2 无人机平台监测系统设备性能指标

2 无人机平台监测覆盖能力论证

2.1 验证思路

为了论证无人机平台监测系统对Ka卫星终端的监测能力，采用网格化监测获得距离发射源不同水平距离上空的无人机信号强度监测值。该测试方法的基本思路是：通过测量不同水平距离的信号强度，找出无人机监测对目标信号监测的临界距离，该距离为无人机监测的覆盖最远距离。通过进行测量值数据推演，获得目标信号的辐射趋势，进而判断针对特定辐射源辐射特征或特定监测覆盖需求的无人机监测系统性能指标值。

2.2 测试分析

图2为无人机监测平台对发射参数预先设定的卫星终端发射参数进行测试的数据结果。测试结果显示，无人机监测链路发射源等效辐射功率为32.5 dBm时，无人机监测覆盖半径约为6 km。

对测量数据进行二项式拟合，拟合曲线如图2中粗虚线（TestData Fit）所示，与经修正的自由空间传播模型（RevFSL）比较，具有较高的一致性。因此，当无人机监测链路目标信号强度发生变化时，通过变换自由空间传播模型修正系数，可以推导获得无人机监测平台对特定目标的监测覆盖；当无人机监测系统技术指标不同时，可以通过查找经修正的自由空间传播模型信号强度预测曲线，获得与之对应的覆盖距离值。例如，当无人机监测系统灵敏度约为-182.5 dBm/Hz时，监测覆盖距离为8 km。