大型深空站周边抗电磁干扰对策研究

韩 雷，李云飞，赵国强，王世博，王亚博，吕增伟

(西安卫星测控中心，西安 710043)

0 引言

深空测控天线口径大、接收能力强，进入其接收频带范围内的信号，都可能被测控设备接收，非任务目标的信号则会成为干扰的一部分，阻碍正常信号的接收，此外深空测控活动有着信号空间衰减大、信号空间传输时延长、信号传播环境复杂等特点，接收到的信号强度相对其他低轨探测活动要弱，对测控设备精度要求更高，电磁干扰影响更大，故需研究探索周边电磁干扰对深空测控站的影响及应对措施。与此同时，全球组网的中国深空测控网包括喀什、佳木斯、阿根廷深空站，总体布局并不是最优地理布局，阿根廷站和佳木斯站的经度差达到了160°，测控覆盖率接近90%，佳木斯和阿根廷深空站间有测控无法覆盖区域[1]，如图1所示。深空测控活动执行的容错性较小，上行指令发送与下行信号接收格外重要，但测站周围电磁干扰会对信号传输造成影响，严重时会影响该活动正常执行，因此更需对深空站抗电磁干扰对策进行研究。目前深空站电磁干扰监测主要采取定期邀请无线电管理委员会来站检测，获取检测当时的频谱信息，实效性和继承性不强，无法形成本地频谱库。抗电磁干扰策略也比较单一，只能最大程度地降低设备内部干扰，对外部干扰没有有效的对策，所以急需对深空站周边抗电磁干扰对策方法进行研究，着眼建立电磁环境监测与管理信息系统，以实现对深空站的有效频率保护。

图1 10°仰角测控覆盖示意图Fig.1 Diagram of measuring and controlling coverage at 10 degree elevation

1 深空站电磁干扰现状分析

1.1 干扰源类型划分

按照干扰源类型，可将干扰源分为外界人为干扰、内部自身干扰、自然因素干扰3类[2]。外界人为干扰主要包括周边建设的高速铁路、5G基站、大型发电厂，以及配置GPS干扰仪的长途货车经过深空站附近时都会对产生干扰。内部自身干扰主要包括设备相关器件使用年限过长、接地电阻过高、电子元件间电磁兼容性差，以及由于电路设计不合理导致电平配置不均衡等。自然因素干扰主要包括地形地物、水面和气象现象(包括浓云、雨、雪、大雾、冰雹、沙尘等特殊恶劣天气)对电磁波的反射引起的干扰，以及太阳、星球及整个银河系电磁辐射引起的宇宙干扰[3]，其中影响较大的是日凌、雨衰、雪衰。干扰源类型分类如图2所示。

图2 干扰源类型分类图Fig.2 Interference source type classification diagram

1.1.1 外界人为干扰

国际电联建议书(ITU-RSA.1157-1)针对深空地球站接收机输入端而制定的保护标准如表1所列，更大的干扰为有害干扰[4]。

表1 深空地球站的干扰保护

近年来高铁建设迅猛发展，深空站附近的高铁所产生的电磁干扰对于正常测控工作所产生的影响值得关注。深空站技术人员现场测试高铁GSM-R频段(高铁GSM-R信号输出最大电平，在用频点931.224 8 MHz、932.167 8 MHz、932.699 3 MHz、932.967 0 MHz)对某型深空站使用的S、X、Ka频段信号的干扰情况，利用频谱分析仪，天线附近选择空旷点位，采用全向测试天线分别进行各个频段全频段扫描，检波方式选用峰值检波，曲线为最大保持，整个测试时间不小于10 min，记录频谱变化情况。

1)测试系统框图

搭建系统测试环境，具体如图3所示。

图3 测试系统框图Fig.3 Test system block diagram

2)计算空间损耗及干扰电平

a.空间损耗计算

高铁距某型深空站最近点：1 km

深空测控站干扰保护要求：

S频段干扰保护为-192.5 dBm/Hz

X频段干扰保护为-190.9 dBm/Hz

Ka频段干扰保护为-187.3 dBm/Hz

按最低干扰电平S频段2 200 MHz计算空间传输损耗:

Lbs=32.45+20lgF(MHz)+20lgD(km)

其中F为频率、D为距离

Lbs=32.45+66.85+0=99.3 dB

b.测试点干扰电平计算

测试点干扰电平为：

PH(dBm/10 kHz)=R(dBm/Hz)+

Lbs(dB)-G(dB)+M

R为S频段干扰保护-192.5 dBm/Hz

G为铁路基站天线增益:10 dBi

M为带宽折算，M=10*log(10 kHz/1Hz)=40.0 dB

PH=-192.5+99.3-10+40=-63.2 dBm/10 kHz (即等效判决门限-63.2 dBm)

c.测试记录

高铁所用GSM-R频段对某型深空站使用的S、X、Ka频段干扰测试结果如表2所列，本次测试结论:干扰测试结果最大点优于判决门限29 dB以上，未对所测频段产生影响。

表2 高铁所用GSM-R频段对某型深空站使用的S、X、Ka频段干扰测试结果

1.1.2 内部自身干扰

接收设备因使用年限过长，部分老化的板卡没有及时更新换代，导致接收性能下降；接地电阻过高，接地端子锈蚀导致接地不良；电缆屏蔽[5]性能下降、电缆绝缘层老化，或布线不合理，致电磁兼容性能变差；接收链路电平配置不合理等都会产生电磁干扰[2]。

1.1.3 自然因素干扰

自然因素对信号传输的影响不容忽视，太阳、星球及整个银河系电磁辐射都会引起宇宙干扰。绕月卫星在运行中有可能会接近强射电源，如太阳、月球、一些强宇宙射电源等，噪声干扰会使深空站天线接收的噪声增加，品质因数G/T值下降。如果信噪比低于接收门限值，将造成通信中断[6]。自然因素干扰还包括地形地物、水面和气象现象对电磁波的反射引起的干扰。天线主、副反射面积雪，都将影响信号正常接收。

1.2 干扰的影响域分析

干扰会对深空站接收系统性能造成不良影响，干扰影响主要表现[7]为以下3个方面：1)S频段信号干扰，会使接收信号电平降低，导致自跟踪精度下降，严重时无法实施自跟踪，无法提供实时测量的测角信息，造成多站定轨测角数据缺失。2)X频段信号干扰，会使信噪比下降，数传数据误码率上升，误码率超标后无法识别图像，对目标区域的拍照等图像信息无法真实反映当时的状态，无法为下一步探测器的探测活动提供数据决策支持。3)深空探测系统是由若干元器件组成的复杂系统，干扰会使器件处于饱和状态，长期运行会降低电子元器件的寿命，使系统的可靠性降低。

2 干扰的防护

2.1 设备抗电磁干扰优化

2.1.1 选择适当的接地技术

选择适当技术进行有效接地可有效提升设备抗干扰能力，选用特定材料及正确方式，能够有效提升电子通信设备性能。选择满足要求的固定规格的接地线，首先分析接地线电感电阻数值，使阻抗值尽量低；其次也可以通过增加横截面积来降低阻抗。运用多点接地强化抗干扰性能，首先合理选择接地位置，使接地点稳定可靠，无虚接风险；其次合理设计电路，实现电路有效平衡，以提高设备整体的稳定性[8]。

2.1.2 提高设备的电磁兼容性

随着通信设备功能日益强大，狭小空间内集成越来越多的元器件，元器件间敏感性高、接线情况复杂、相互影响，使得电磁兼容[9]成为集成电路设计中的关键环节。因此，合理布线中的电磁兼容设计至关重要。集成电路去耦，最大限度确保与元件间的孔距与电容长度保持一致，从而产生最短的跨接长度，大容量电解电容用于去除低频部分，小容量非电解电容用于去除高频部分[8,10]。

2.1.3 科学合理使用屏蔽技术

根据屏蔽技术的类型可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽[11-12]3种。具体屏蔽方法和效果如图4所示。

图4 屏蔽方法和效果Fig.4 Shielding methods and efftcts

2.2 空中干扰信号监测

在深空测控站内建立空中信号监测装置，全天候监测工作区及其周边空中无线电信号，及时了解和掌握空中信号变化、发现不明、可疑信号，建设测向、定位设备，确定干扰源。

2.2.1 电磁环境监测系统组成

我国已建设大型深空站分布在国土最靠东、西部地区，地形地貌复杂，基础资源匮乏，无线电监测管理技术手段较为薄弱，只能依托定期邀请无线电管理委员会来深空站进行频谱检测，获取当时的频谱信息，比较耗费时间和精力，且实时性不强，利用电磁环境监测与管理信息系统可实现大型深空站周边的频谱监测与管控。系统由监测中心、固定监测站、路测车等组成。可根据测站周围电磁环境、地形地貌状况分别部署固定站、路测车等，实现区域监测覆盖，显著提升深空站电磁干扰监测能力。系统组成如图5所示。

图5 电磁环境监测与管理信息系统组成Fig.5 Electromagnetic environment monitoring and management information system

2.2.2 监测系统部署方案

在天线周边部署监测测向固定站，利用该分系统可以识别多个同频信号的来波方向和信号强度，实现同频信号的分离，从而准确掌握覆盖区域的无线电频率使用情况及电磁环境变化情况。固定监测小型站可在公众移动基站天线支杆或铁塔上架设天线部分，直接利用公众移动基站的机房设施、通信链路、供电链路、防雷设施、温度调控设施、安全保障设施等基础设施，无需单独建设和管理，省却大量人力物力。路测车通过对各种信号的全自动采集，定位分析获取目的区域电磁环境信息，并对突发的电磁事件进行实时报警和记录。可根据需要在目的区域进行巡查，自动获取线路周边区域的电磁信息及分布态势。

2.2.3 监测系统管理与使用

国内深空测控站往往深空测控活动密集，为减轻深空站在频谱监测系统上的执勤压力，可将系统监控中心部署在测站机房内，将固定站、移动测站等内容集中显示在监控中心，实现在日常深空测控活动过程中实时监测电磁干扰信息。同时将干扰监测与状态报警相结合，遇到电磁干扰可立即发出警报信号，利于测控站快速了解情况与应急处置。可将监测到的电磁干扰情况反馈至无线电管理委员会、国家安全机关等相关部门，邀请其协助进行分析处理。也可将干扰情况上报至上级中心，请中心内技术人员帮助分析干扰影响情况。

利用移动测站开展日常电磁环境测量，以达到日常频谱检测目的，并将测试数据记入本地电磁频谱库。

1)测试设备参数

天线口面直径：0.8 m

天线接收增益：GR=33.1 dBi

天线噪声温度：Ta=150 K

馈线损耗：L=2 dB

频谱仪灵敏度：-115 dBm/100| kHz(8.4～13.6 GHz)

LNA 增益：GL=50 dB

LNA 噪声温度：TL=230 K

频谱分析仪型号：RS_FSP3

2)测试系统框图搭建系统测试环境，具体如图6所示。

图6 测试系统框图Fig.6 Test system block diagram

3)测试记录

移动测站日常电磁环境测量的干扰测试结果如表3所列。本次测试结论：未监测到干扰频率，无对该站形成干扰的频率。

表3 移动测站日常电磁环境测量的干扰测试结果

3 建立有效制度机制

3.1 自主建设与统筹发展

中国深空探测活动在取得探月工程、火星探测重大成功的同时，已将视野拓展到小行星探测、载人深空探测、行星际探测等，未来也将计划在现有深空测控网基础上，对深空测控站点的功能进一步完善。电磁环境监测工作不能仅仅依托频管单位，深空站需自主建设电磁环境监测系统，并与新站点建设统一考虑、同步发展。为所有深空站配套建设电磁环境监测系统，建立本地电磁频谱库，积累日常频谱管理信息，及时发现有害干扰。

3.2 加强与频管单位合作

与无线电管理委员会和国家安全机关等单位建立长效沟通机制，将严重的干扰报警信息远程发送至无线电管理委员会和国家安全机关等相关单位，出现干扰情况，在深空站自身应急处置的前提下，请求无线电管理委员会、国安技术保卫部门等单位协助支援，开展进一步处置，及时排除隐患。

3.3 参考深空站选址要求

国际上在深空站选址时，着重考虑电磁环境影响，使深空站极高灵敏度接收机免受外界电磁干扰，符合干扰保护标准要求。国内深空站选址时，也要处理好短期与长期的关系，尽量选择电磁环境相对比较纯净、地形遮蔽条件比较好、人烟稀少的区域，既可以屏蔽外界电磁干扰，也可以避免大功率信号影响外界环境，并且尽量能够避开未来发展建设规划的区域。利用已建设的电磁环境监测系统，通过长期频率数据积累建立的电磁频谱库，分析经济建设发展给周边电磁环境带来的影响，为未来深空站选址提供参考，解决深空站点建设与经济社会发展的平衡问题。

3.4 管控周边建设项目

国家安全机关建审部门有一项行政管理职能，即：“涉及国家安全事项的建设项目审批”，对于行政区划内的核心要害目标，纳入“安全控制区”管理，对于安控区内的建设项目开展行政审批。深空站建设之初要加强与国家安全机关对接，争取及时纳入了安控区，这样国家安全机关建审部门将对深空站实施有效管控，将可能造成电磁干扰的建设项目实施否决，不予许可。

4 结论

结合大型深空站周边电磁干扰现状和抗电磁干扰需求，如何利用先进的干扰防护技术提高防护水平，利用区域电磁环境监测与管理系统实现大型深空测控站周边的电磁频谱监测与管控，建立本地电磁频谱数据库，对于提高深空站频谱管理水平至关重要。在制度机制上进行探索，对于自主建设与统筹发展、加强与频管单位合作、深空站选址参考、管控周边建设项目均起到积极借鉴作用。