卫星通信系统中的干扰分析及解决措施

2022-07-09武建召

电子技术与软件工程 2022年9期

武建召

（中国电子科技集团公司第五十四研究所河北省石家庄市 050081）

随着科技的进步，卫星通讯已不再是一种陌生的通讯方式，而是一种先进的传播媒介。但是，在实际应用中，由于卫星具有明显的开放性，卫星通信阶段容易受到干扰。目前卫星通信已得到广泛推广，取得了显著的效果，大大提高了人们的生活便捷性，使其优势更加突出，受到人们的青睐。卫星通信具有传输效率高、速度快、信号强等特点，同时具有网络方便、应用广泛等特点。但是在实际应用中，由于信号干扰的问题，导致了通信质量的下降。为了避免这种情况的发生，需要对抗干扰卫星通信系统进行深入的研究，寻求突破，使卫星通信的性能最大化。

1 卫星通信系统概述

1.1 卫星通信系统的工作原理

卫星通信系统是利用地面上的人造太空通信卫星作为中继站进行数据和语音传输的一种无线通信系统。卫星通信系统主要包括人工通信卫星、地面站和用户终端。如图1。

图1：卫星通信系统示意图

其中，人工通信卫星的主要功能是将信号发送到各个卫星地球站；卫星地球站承担用户终端信号的接收与发送。卫星通信系统正日益成为我国人民生活、生产和生活的重要组成部分。卫星通信系统具有以下特点：

（1）覆盖范围广：卫星通信系统受自然环境、地理位置的影响较小，一旦地面通信中断，尤其是地面通信无法到达的地区，卫星通信覆盖范围不受影响，卫星通信覆盖面积达到三分之一，通信距离不受通信成本影响，成本低。

（2）工作频带宽度：卫星通信系统在150MHz-30 兆赫之间。

（3）通信质量好：卫星通信的电磁波主要通过大气层外传播，其传播非常稳定。尽管天气会影响大气层内的传播，但它仍然是一种非常可靠的通讯系统。

（4）网络建设速度快，运行费用低：除了建设地面站外，卫星通信无需其他地面建设，运行维护费用低。

（5）传输时延较大：与地面通信不同，高轨道卫星的双向传输时延通常是秒级，而语音的传输时延较大。

（6）复杂控制：卫星通信是一项尖端技术，由于卫星通信系统的所有链路都是无限链路的，而人工通信卫星又是不断移动的，因此控制系统相对复杂。

在工作过程中，卫星接收地面站通过接收到的目标的定位信号，通过与地面接收的控制器进行对应的控制，从而实现对卫星的定向和目标追踪，从而实现对地定位。在对该天线和该目标卫星进行校准之后，由该目标卫星发出的该信号经由该传送信道被传送至该接收端，该接收端对该接收的该接收端进行增益控制、正交下变频、滤波，再由AD 变换器传送至控制装置进行解调、解码处理，还原出基带、语音等基带讯号，并将还原后的有用资讯传送至主机进行显示及控制。语音和资料的信息是由集成的显示控制传送到一个网路交换器，然后分配到诸如手机之类的外接装置上。在向目标卫星传送信息时，先将所述通信信道所需的数据通过RS 进行解码，将所述服务信道所需的数据转换成可传送的波形，以便克服所述传送过程中出现的脉冲干扰，将所述编码的信号进行交错、滤波、解调、解码，最后通过调制、滤波、正交上变频，形成具有特定的载波频率的信号，然后进行发射。

1.2 卫星通信系统的研究分析

在卫星移动通信领域，根据轨道不同分为低轨道卫星系统（Low Earth Orbit, LEO），如铱星系统；另一种方法是使用同步轨道卫星（Geosynchronous Orbit，GEO）和大型可展开多波束天线技术（如 Thuraya 舒拉亚）、 Inmarsat 国际海事卫星和美国最新装备的 MUGS 移动用户目标系统等。卫星移动通信系统由于轨道不同、卫星大小不同、数量不同，其技术特点也不同。GEO 卫星系统的数据传输延迟在100毫秒左右，实时性差，传输损耗大，需要天线和功率放大器；系统建设周期短，使用寿命长，建设和维护费用相对低廉，性价比高。卫星与地面固定，易于对星，不需要复杂的跟踪控制系统，只需一颗卫星即可完成业务，增加卫星数目可以提高系统性能和容量。但其体积大、重量大、发射难度大、危险性大。固定轨道卫星数量少，没有备份，抗干扰能力差，电磁兼容，轨道协调等问题。LEO 卫星系统具有10 毫秒级的传输延迟，实时性好，传输损耗低。卫星体积小，重量轻，开发周期短，发射难度低，可一箭多星发射，卫星分为不同轨道平面，多颗卫星同时运行，抗毁性强。但系统设计复杂、建设周期长、施工难度大。由于 LEO 卫星在轨道面形成星座，相对于地面的高速运动，需要一个完善的跟踪管理控制系统、建立全球信关站或实现星上交换处理功能。与此同时，必须提供有效的全球移动通信服务，同时所有卫星均在轨运行。LEO 系统相对于 GEO 系统有明显的优势和劣势，它更适合于人口密集地区的区域性移动通信系统， LEO 系统更适合全球范围内的移动通信系统。

由于我国地域广袤、地形复杂，许多地方的地面移动通讯系统很难实现，因此需要使用卫星移动通讯。随着我国空间技术的不断发展，一方面，我们积极参与到国际社会的建设中来，利用卫星移动通信的服务来积累经验、吸取教训、研究技术。比如，我们与 Global System 签订了服务合同，参加了全明星系统地面关口站的建设，并在北京、广州、兰州设立了一个关口站，从而达到了全国性的覆盖。中国的铱系统不但建成了一个关口站，还利用中国长征二号丙运载火箭发射了22 颗卫星，并顺利地进入了预定轨道，为该系统的正常工作奠定了基础。同时，我们也在不断地进行自主创新和研究，建设自己的移动卫星系统，包括“天通一号”、“虹云”、“鸿雁”系统等。

2 卫星通信常见的干扰及原因分析

2.1 自然现象干扰

卫星通讯中的天然干扰有以下几种：降雪衰变、日凌、电离层闪烁、月食等。雨（雪）衰，是因为通讯信号在传播的时候，遇到了下雨或者下雪的情况，它会对电磁波产生一定的辐射和辐射，导致电磁波的减弱，导致下雨（下雪）。日凌通常发生在每年的春、秋分时，由于人造卫星位于日与地间，因此，在面向月亮的时候，地台的天线也会朝向太阳。由于太阳引起的大量的辐射噪音会对卫星通讯的正常接收产生干扰，即所谓的“日凌干扰”。电离层闪烁是由于在穿过电离层的过程中，由于其内部的非均匀性，使其振幅、相位等发生改变，产生了不规则的闪光现象。由于在春天和秋天，月球和太阳的垂直距离会比较远，当月球在阴影区的时候，由于太阳和月亮都会受到影响，所以月球上的太阳能无法提供电力，所以月球的电力就会被储存起来，或者用来提供能量。虽然这些天然的扰动是不可避免的，但是我们仍然可以通过适当的方法来减少它们对人造卫星通讯的影响。

2.2 地面环境干扰

地面干扰一般分为地面干扰和互调干扰两类。随着城市化进程的加快，信号、电磁设备的应用越来越广泛，产生了电磁信号，影响了卫星信号的正常传输。互调干扰是指卫星在发射过程中，如果卫星处于多载状态，由于功率放大器容量有限，卫星发射功率不足，无法有效传输信号，三阶互调分量将会超负荷，从而影响卫星传输。

地面干扰在于杂波干扰了地球观测站的设备。在上行系统中，杂散指数不达标，工作载波存在杂波和谐波；调制器、上变频器的输出电平偏高，或“高功放”在非线性条件下频谱漫射；由于大功率放大器工作点的设定不合理，造成了载频噪声的增加；变频调速系统的频偏等都会引起系统的干扰，严重地影响了系统的上行传输。具体案例：一台地面站的数字电视节目上行功率未知，造成相邻卫星台的节目载波信号品质降低，造成功率增加，经调查，在大功率上行时，频段外杂散严重超标，更换高功率放大器的速调管后，杂散消失，证实是信道指数降低。

互调干扰表现在电磁干扰。在卫星通讯中，尤其是 C 频段，由于微波、雷达、无线电视、调频广播、寻呼业务以及工业电磁噪声等因素的影响。这些干扰源很可能会被引入到地面链路的发射卫星中，从而引起上行的干扰。下行链路的串行导致了接收的干扰。地面站的播出装置接地不良，接地电阻大，交流干扰；电缆的屏蔽性能较差，插头接地不佳；由于链路电平的不合理，导致了一些装置的自激等因素，使调频信号在有效频段中被串接，从而造成杂波干扰，这是在地面站附近经常发生的。在高功率的上行模拟电视节目中，邻近的卫星接收机的节目载波信号会受到干扰。根据各卫星公司的安排，对各地面站进行了检查，发现本站高功率放大器的输出有很高的杂散，高功率放大器的输入被切断后，杂散消失，应该是由输入信号引起，并排除了高功率放大器自身的因素。经过一次又一次的测试，最后得出的结论是，由于信号电缆的保护不当，导致译码器的50 Hz AC 信号被传输，重新设置了信号线路，恢复了正常。在另外一种情况下，一个地球观测站的中频信号源被干扰。经过测试，中频光端机接收端70 MHz 的调制信号出现了较大的杂散干扰。联络到前端后，在中频光纤终端开始进行耦合端口的检测，即发现有的杂散干扰。检查发现，中频光纤终端没有地线，在地线接入本地发送的 FM 信号后，干扰消除。

其三是交叉极化干扰。在人造卫星通讯中，为最大限度地利用频谱，通常采用偏振分离技术，这是指两个光束的指向区可以相互交迭，并用同一频率，但是，这种方法可以实现两种不同的信号间隔：一种是横向偏振，一种是竖向偏振；或者用右旋偏振的信号和用左偏振的信号。但在实践中，不可能有一个完全正交性的，也就是说，具有相同极化和相同的频率的信号会发生互相的干涉。所以，每个卫星公司都有专门和严密的极化绝缘标准。

2.3 空间干扰

（1）对邻近行星的扰动。随着世界上的通讯技术飞速发展，地球上的同步轨道人造卫星数量不断增加，而且卫星间距已经缩小到了2.5°以下，使得邻近的几颗卫星互相干扰的可能性大大增加。邻星的干扰包括上行和下行，而在上行干扰中，由于邻近卫星的某些用户所用的天线的频谱强度超过了一致性的要求，或由于天线的偏移导致了相邻卫星的近星干涉；下行干扰是指邻近的卫星相互重叠的区域，导致了在接收到普通信号的情况下，邻近恒星的副瓣波。要降低近地卫星的影响，必须从两个角度着手。为了减少上行干扰，要求在卫星通讯中，卫星地面接收机必须准确地调节天线的定向，提高其天线的方位特性，减少上行信号的传输能力。为了减少下行信号的影响，通常要求各卫星公司通过调整相邻恒星的技术指标来实现。

（2）邻近信道的干扰，主要是由于使用者的载频分布会与邻近讯号的频段产生交迭，进而产生干扰；或者，当用户在载波时，由于载波频谱性能不能达到需求，导致噪声底部偏高或者产生副瓣会导致信号的产生。为了减少这种干扰，在接入试验中，各运营商应确保用户的上行载波频率在指定的频段以内。为了防止多个载波在相同的接收机中所产生的交叉干扰，在工作中要保证一定的返回点。

（3）由于人工操纵不合理导致的干扰主要表现在：操纵、设置错误、违反上星规程、擅自上载、偷盗等，都会对卫星通讯产生一定的影响和干扰。针对人工作业不规范引起的工作混乱，应加强员工的训练，加强自我约束，以降低或杜绝不正常作业。

2.4 设备故障干扰

设备失效是影响人造卫星通讯的主要因素，也是影响系统性能的重要因素。从当前的卫星通讯应用情况来看，要正确地使用信号，必须有两个重要环节：

（1）发射设备即人造卫星；

（2）信号的接收器和地面的设备，两者结合起来，可以将信息的利用率发挥到极致。

然而，在卫星故障时，由于地面系统故障，导致了信号的传输和通信的可靠性问题。由于地面台的设备或电缆损坏、老化等原因，导致的杂散、自激、转发等异常状况会给卫星接收机带来多种干扰。常用的有自动激励和转发。转发干扰是因为对基站发送和发送隔离的需求满足需要，将所收到的数据发送给转送端，导致对整个转发器乃至邻近的转发机产生影响。通过对传输信号进行分析，得出了由错误速率严重恶化，而载噪比较小的结论。该验证方式是：在接收机的频段范围之内发送未经调制的载波；利用频谱分析器监控此非调制波段的下行信码，并且频带的设定应该尽可能地狭窄（＜10 kHz）；观测不调谐波是否平滑、洁净。若原发已发生频繁的毛刺，而传输频率向其他转发机的毛刺转移已消除，那么可判定为转发机遭到了转送干扰。所谓的自激性，就是因为地面上的无线电频率出现了不正常的现象，使得某个放大器的信号被触发，从而引起了系统的自激性。

3 保证卫星通信稳定性的有效方式

3.1 自然干扰的解决措施

当前，卫星通讯难免会受到一些自然因素的影响，因此必须采取适当的方法来降低这种影响。从太阳入地接收天线到3 dB 的距离，3 贝波束的干扰强度最大；随着接收频率的提高，天线的直径增大，3 dB 的射束变窄，其凌日期缩短。日凌的持续时间与接收频率、天线口径大小相关，因此，提高天线口径、提高天线的灵敏度，可以有效地减少凌日活动。在东经较高的卫星，其日凌日起止的时间较短，则由地球台的位置及所收到的卫星位置来推算日凌发生的时间，并依其先后次序选取切换节目。降雪衰现象：降雪现象是随机的，地区差别很大，是不可避免的。雨水（雪）衰减的补偿可由上行站点补偿上行链路的雨（雪）损耗，卫星转发器也可对上行链路的雨水（雪）损耗进行补偿，而下行站则改善了接收系统的接收性能 G/T 值，从而增加降雨（降雪）的裕度。通过对卫星接收机天线波束图的优化，以及对卫星接收系统的合理设计，可以有效地减少降雪的影响。

3.2 地面干扰的解决措施

对于电磁干扰问题，地面接收卫星信号时，如遇地面不明干扰，应首先进行排查，锁定干扰源，并与运营商沟通寻求解决办法。通过结合5 G 窄带滤波器和专用 LNB 来保证地面接收效果。经过半年多的实际应用，卫星地面接收干扰问题得到有效解决，安全播出得到进一步保障。采用5 G 窄带滤波器，可有效消除邻频干扰和 LNB 饱和干扰。通过在LNB 输入端安装滤波器，充分保护通带内卫星载波，抑制通带外5 G 载波。5 G 窄带滤波器具有3.7 GHz～4.2 GHz、驻波比小于1.5、插入损耗小于0.8 dB 等特点。对于阻带抑制，在3.4 GHz≤ f≤3.5 GHz的情况下，保证衰减大于60 dB；当3.5 GHz ≤ f ≤3.6 GHz 时，衰减大于60 dB；当4.8 GHz ≤ f ≤4.9 GHz 时，衰减达到70 dB 以上.5 G 窄带滤波器可以有效滤除5 G 载波，对 C 波下行干扰信号进行有效抑制，改善接收状态。安装5 G 窄带滤波器后，进入卫星天线系统的基站信号大幅下降，严重干扰波形由3600 MHz 到4200 MHz 严重干扰波形消失。在加装5 G 窄带滤波器时，由于滤波器重量较大，馈源支撑杆负重较大，可适当加强馈源支撑杆，适当加强馈源固定螺栓。

对于互调干扰问题，可以采取如下措施：

（1）利用高品质的 POI 和宽带设备，实现多个运营商的合路。选用高品质、高效能的设备，可以减少对空间间隔的需求。

（2）对干扰系统的发送端进行适当的调节，并选择合适的频率分布方式。具体措施有以下几个例子：

1.由于通信2.1 G 的低频（2130-2150 MHz）受到了很大的干扰，并且由于本身的下行信号和其它系统之间的三次互调会对其上行信号产生一定的影响，因此，建议联通WCDMA2100 系统采用上下相分离的方式，或者联通采用更高的频率（2150-2170 MHz）。

2.移动启动1.8 G DCS （FDD-LTE）后，对电信和联通1.8 G 造成了很大的干扰，经过试验，这10 M 波段对电信联通的干扰特别大，在正常情况下，如果移动引进了这一波段，则需要提前与电信部门进行沟通，从高到低地利用。

3.在空间有限的情况下，如地铁隧道，可以与运营商联系，根据接入系统的状况，在 MIMO 功能启动时，降低技术指标。

（3）采用分缆方式进行天馈端的连接。由于上、下、下分离，干扰源信号在下行分配系统中的通道损失和空间衰减后，通过上行分配系统的通路损失，反馈给被干扰的来源。同时，由于不同的频段间距，相同的同向信号在相同的媒体上传播时，彼此间的干扰很少。利用漏电电缆上下分缆进行覆盖是一种有效的抑制干扰、增强空间隔离的方法。从互调性干扰隔离程度的计算可知，多系统接入平台合路器的三次互调抑制值在-140 dBc@2*43 之间，而在地铁系统之间的互调干扰中，必须采用漏缆的上下空间隔离，或采用分散的天线水平隔离。

3.3 空间干扰的解决措施

采用 MCPC 技术，可以降低SCPC 模式发射时对卫星接收机的载波互调造成的影响；在不同地区建立备用地球观测台，可以避免因降雪等原因造成的信号上行减弱，也可以安装除雪设备等，以消除冰雪融化对雷达增益造成的干扰；由于无法避开的电离层闪烁，太阳活动等，可考虑提高系统的上行和接收能力；为降低日凌对无线传输的影响，地面台可以增加接收机的天线直径，降低日凌的持续干扰，并在凌日出现的时候，通过光缆、微波等地面备用手段作为有效的信号来源，以解决日凌对中断点的干扰；或者使用两个轨道不同（4°或更高）的两个轨道偏差，或使用 C、KU 两个频率的卫星，在出现日凌之前，由地面台向其他卫星传输频道，避免日凌对卫星信号传输的影响。针对未知的非故意干扰，以及卫星网之间的技术合作，可以解决来自同步卫星网的干扰；非同步轨道的人造卫星网络中的干扰，一般是通过限制或采取其他措施来限制非固定轨道上的卫星的参数；对地面通信网的干扰，可以采用频域、空间隔绝、技术协同等手段加以处理；利用这种方法，可以对卫星接收机进行反向偏振，或者减少其上行功率。针对太空区内的恶意干涉，应从卫星、上行地球站、节目发送设备、有条件接收设备三个层面进行改善，以确保卫星广播和卫星的安全。

3.4 设备故障干扰的处理

提高接收者之间的通讯能力，是克服卫星通讯干扰的一个重要手段，加强用户之间的通讯，可以有效地避免其他用户的干扰。由于我国的卫星广播业务中，很多地区采用的是相同的转发器，若没有良好的沟通，则可能会受到其它用户的干扰，因此，若能加强通讯，避免发生无谓的故障，则可使转发器始终保持正常工作，不受外界干扰。

3.5 提高基础设施的信号接收能力

在卫星传输系统中，要确保卫星通讯不被干扰，必须加强基础设施的建设。为确保卫星通讯的基本质量，在购置相关设备时，必须加强质量检验，并严格按照有关标准和标准进行设备采购，以避免在卫星传输过程中发生质量问题。要有效保障卫星发射设备的正常使用，就需要对其进行维修，并及时发现并解决相关问题。要改善卫星的发射精度，提高其传输效率，就需要进行相应的基础设施建设。完善相关法律法规，为我国卫星通信网的建设提供法律基础和理论指导。

3.6 加强卫星入网验证

加强对入网的验证和试验，是有效克服多种干扰的一项重要措施。在日常工作中，必须对入网进行验证和检测，以保证其有效性。在此基础上，为确保三阶互调抑制比在上行阶段能满足某些技术指标，避免由于试验过程中出现的问题而影响试验效果，从而使系统工作效率在某一标准区间之内；同时，为确保卫星通讯的准确性，需要进行入网验证测试，以确保各载波的调制与频率的正常输出，从而提高卫星通讯的性能。