卫星通信中频转发干扰的一种快速定位方法研究

李合金，郭 琛，王泽森，潘 雷

（中国人民解放军63751 部队，陕西 西安 710000）

0 引言

卫星通信是支撑星地通信和地表超远距离通信的主要手段，在人类开发和探索太空的时代背景下，通信卫星的稳定运行至关重要。在卫星通信中，由于多种因素导致转发器受到干扰无法避免，快速定位干扰是卫星通信系统面临的主要挑战。卫星通信系统中存在多种形式干扰，其中，中频转发干扰通过影响星上转发器，从而导致多条卫星通信链路同时出现异常，因此中频转发干扰比其他形式干扰更具严重性。文献[1]将传统的集中式功率控制和分布式功率控制技术应用在卫星系统间同频干扰抑制上，形成新的自适应功率控制技术，借助功率控制实现卫星系统间同频干扰抑制。西北工业大学电子信息学院唐成凯等人[2]提出了一种双向中继转发自干扰消除算法，利用地面通信站对自身发射信号已知的特点，通过延时寄存器对自身发射信号进行多抽头采样，然后根据各抽头采样对接收信号的干扰影响，对抽头采样进行加权处理并赋予不同权重，以减小自身发射信号的干扰。文献[3]首先搭建起多路转发系统的仿真模型，然后逐一对各路转发天线的位置及架设角度进行电磁仿真、优化，实现了系统的抗同频干扰。文献[4]提出了一种非均匀采样与波形重构的方法，对干扰波形进行优化。以上工作主要针对同频干扰抑制进行研究，然而在实际的卫星通信系统内出现同频干扰时缺乏有效的定位手段。Dajian 等人[5]通过仿真得到了低比特卫星互联网全局干扰的动态分布，利用低轨卫星互联网全球干扰场景、干扰分布模型和干扰分析模型，获得低轨卫星互联网全球上行和下行干扰的动态模型。文献[6]-[7]通过建立卫星通信系统中频转发干扰模型，得到了模型中参数的变化对中频转发干扰的影响规律，同时进一步探讨了卫星通信系统中频转发干扰产生的原因，给出了排查中频转发干扰问题的解决思路。文献[8]给出了卫星导航干扰源空地协同测向定位系统设计方案和干扰源查找流程。Aruna 教授[9]推导了在多径衰落信道上同信道干扰的中断概率等数学模型。文献[10]在现有抗干扰技术的基础上，提出了北斗/INS 对中继台干扰的综合对抗方案，极大地提高了此类干扰的检测概率，减少了对有用信号的误判。文献[11]针对通信卫星多轨道、多波段、区域波束和点波束的覆盖特点，分析了不同干扰场景下的干扰定位技术，介绍了干扰定位实现方法，为后期卫星通信系统建设应用奠定了理论基础。以上工作对卫通系统中存在的干扰进行模型分析，阐述了中频转发干扰的产生机理，但未实现在卫星通信系统中干扰源定位的实际工程优化及验证。为解决卫星通信中的中频转发干扰定位问题，本文首先对中频转发干扰机理进行论述，给出具体中频转发干扰频偏模型，结合建立地球站频偏数据库，通过设计基于频偏的中频转发干扰定位算法以实现中频转发干扰源的快速定位。仿真结果分析验证了本文所提方案的可行性，并有效提升了排查干扰站的效率及准确性。

1 中频转发干扰

卫星通信系统中，卫星通信地球站下行接收的射频信号经过放大、下变频、滤波等处理，变换为中频信号，但接收的中频信号通过电磁感应重新混入其上行中频链路，通过上行通道发射上星并形成闭合环路，从而对星上原载波造成干扰，这种干扰称为中频转发干扰[7]。

此种干扰由于干扰信号与正常业务信号的发射频率相同，形成干扰信号和正常业务信号叠加，导致干扰信号功率增加，整体信噪比降低，在极端情况下载噪比跌破下行信号正常接收解调所需的电平门限，从而引发数据中断，严重影响正常用户的通信质量。卫星通信信号变频流程示意图如图1 所示，中频转发干扰常发生于透明转发器卫星系统。

图1 卫星通信信号变频流程示意图

1.1 中频转发干扰频谱特性

中频转发干扰信号在频域中与正常信号产生叠加，利用频谱仪观测信号时，干扰信号产生的功率叠加在正常信号底部，利用频谱仪观测中频转发的星上调制信号时，由于中频转发产生的干扰信号相较于调制信号的带宽宽度频率偏移量过小，有较强的隐蔽性，频谱仪无法直观观测到干扰信号功率、频率等频谱特性。图2 所示为调制信号中频频谱。

图2 调制信号中频频谱

然而，利用频谱仪观测单点频信号，由于单点频信号在频域表现为一个单点脉冲，在频谱仪上设置合适的观测环境，可以直观地观测出干扰信号功率、频率等频谱特性，单点频正常信号与单点频干扰信号在功率及频率捕获结果分别如图3(a)、图3(b)所示。

图3 单点频信号功率及频率

1.2 中频转发干扰信号产生机理分析

在透明转发器卫星通信系统中，信号的功率在卫星链路中遵循功率累加规律。信号功率在整个卫星链路中经过多个放大设备处理，由于不同地球站的放大设备的实际放大能力存在差异，使用的转发器也存在频段、增益的不同，无线信道对于信号的衰减与功率直接相关，因此整个卫星链路中利用信号功率的累加规律来考虑中频干扰信号定位的方法较难实现[1]。

信号的频率在卫星链路中遵循频率的累加规律。信号频率在整个卫星链路中，地球站调制解调器将基带信号转换为中频信号，地球站上变频器将中频信号转换成上行射频信号，卫星转发器将接收到的地球站上行射频信号进行下变频后向接收端地球站转发，接收端地球站下变频器将接收到的来自卫星的下行信号转换成中频信号。在信号转换过程中，经过了发端调制解调器、发端地球站上变频器、卫星转发器、收端下变频器和收端调制解调器五个设备的转换。中频转发干扰是中频信号通过电磁感应串入上行中频链路产生的，因而在卫星链路频率转换流程中可以剔除双端调制解调器对于频率偏移的影响。在卫星链路频率转换过程中，卫星链路使用不同的通信频段，由于频谱监视手段是对射频调制信号和中频调制信号进行监测，监测频段范围相对较大，因而频谱监视手段无法直观测量调制信号中因中频干扰信号产生的频率偏移量。在卫星链路频率转换中，是通过被处理信号与变频设备提供的本振信号进行混频实现的，变频设备提供的本振信号是借助10 MHz 晶振信号通过升频电路产生的，变频器内负责提供本振信号的压控晶体振荡器具有较强的硬件稳定性，因而输出的本振信号频率稳定性较高[12]。不同频率转换设备中的本振信号频率偏移量会在卫星链路频率转换中累加。在卫星链路中频率转换设备只有上下变频器和卫星转发器，因此可考虑利用本振信号频率偏移和偏移量累加特性实现中频干扰定位。

卫星链路正常信号频率偏移量fdisp可以表示为：

1.3 中频转发干扰设备频偏测量方法

在卫星系统中，各地球站频率转换设备和转发器的频率偏移量可准确测量。现用的卫星链路变频器等频率转换设备短期频率稳定度≤5×10-12s，地球站现用频率转换设备的年频率稳定度为1.5768×10-4Hz，频率转换设备的频率高稳定特性，确保了频偏数据库的高度稳定。将所有卫星通信系统内地球站上下变频器和卫星转发器的频率偏移量数据准确记录并纳入数据库中，可为中频转发干扰定位提供数据比对依据。

变频器频率偏移测量可利用信号源发送单载波信号，利用频谱仪首先测量该单载波信号的频率偏移量，随后经信号源发送的单载波信号输入变频器，将变频后的信号输出至频谱仪进行频率偏移量测量，用第二次测量数值与第一次测量数值作差，即得到该变频器的频率偏移量。

2 中频转发干扰频偏模型

工程实际中上下变频器都采用间接变频，在含有中频转发干扰的卫星通信系统中，经一次转发与二次转发的中频信号之间会因地球站变频器本振信号和卫星转发器本振信号存在的频偏而产生频率偏移，因此中频信号作为初始信号和最终观测信号，其频率偏移量不计入卫通链路的整体频率偏移量，在模型仿真中以70 MHz中频信号混频至射频信号为例。

图4、图5 所示为信号传输过程中频率偏移总量模型。从图中可以看出，中频转发干扰信号的频率偏移总量比正常信号频率偏移总量增加了干扰站下变频器频率偏移、干扰站上变频器频率偏移和转发器频率偏移三部分，该部分偏移量为实际卫星链路中排查定位中频转发干扰站提供了量化依据。

图4 正常信号传输频率偏移总量模型

图5 干扰信号传输频率偏移总量模型

制造工艺差异会导致10 MHz 晶振存在微弱的频率偏移，并且每个晶振的频率偏移量具有唯一性；变频器等频率转换设备在将内置10 MHz 晶振频率利用升频电路转换成本振信号的过程中，10 MHz 晶振存在的微弱频率偏移会被一定程度地放大。由于差值的唯一特性，结合建立频偏数据库，即可实现根据频偏差值实现不同地球站的中频转发干扰快速精准定位。

3 基于频偏的中频转发干扰定位算法

本文提出基于频偏的中频转发干扰定位算法，算法核心思想是借助卫通链路频率偏移差值,结合自建数据库与疑似产生干扰的上下变频设备频率偏移总量进行频差比对，通过对频差绝对值进行排序对比，从而迅速定位干扰站。基于频偏的中频转发干扰定位算法流程如下：

（1）出现疑似中频转发干扰后，立即通过正常地面站发射一个单载波信号，自发自收并计算频差；

（2）调用自建数据库，与异常站实际总频偏作差；

（3）将差值平方后，借助冒泡排序法，将差值结果从小到大依次排序；

（4）生成产生中频转发干扰的疑似地面站序列。

根据算法判定结果，输出生成产生中频转发干扰的疑似地面站序列。关闭可疑干扰站发射机的上行功率，观察处于干扰频段的单载波是否存在，若消失，则验证该地面站造成了中频转发干扰，证明算法中频干扰定位性能的可行性。

在中频转发干扰发生时，通过本文方案借助频率偏移量可迅速定位疑似干扰站。具体中频转发定位流程是当发生中频转发干扰后，发端地球站发送一个单载波信号，经转发器转发后利用频谱仪观测下变频器输出的中频单载波信号。通过计算原单载波信号和干扰单载波信号的频率差，与数据库中的各站上下变频器固有频率偏移总量进行对比，从而定位出疑似中频转发干扰站。为确保中频转发干扰定位精度，负责排查工作的发端和收端地球站为同一套地球站，图6 所示为中频转发干扰站快速定位流程。

图6 中频转发干扰站快速定位流程

基于频偏的中频转发干扰定位算法伪代码如下：

初始化：

(1)异常信号频偏量x

(2)各个地球站记录的频偏总量temp

(3)n为地球站数，其中i∈[1,n]

4 仿真结果及分析

本文假设在整个卫通系统中共有n=30 个地球站，其中存在1 个干扰站；此外假设每套地球站采用1 套固定的在线上下变频器设备，且仅存在一次变频过程，各个地球站变频设备的频偏值因其硬件稳定性较高可视为定值。以某套地面站上下行链路中的信道设备为例，在Speed=1 s，Rbw=200 Hz，Vbw=1 Hz，Span=5 kHz 频谱仪测试环境下，借助星上空闲频谱资源进行信号上星环测试，可得经卫星转发信号总频偏，如表1 所示。

表1 经卫星转发信号频偏

其次将30 个地面站变频设备的频偏数据行采集，为实现定量分析，本文将上变频器中心频率设置为6 106 MHz，下变频器中心频率设置为3 881 MHz，由此建立设备频偏数据库，各变频器频偏测试结果如表2 所示。

表2 各地球站变频设备频率偏移量

本文基于各个地面站变频设备的频偏数据及卫星转发器的频偏数据，通过异常站上下变频器的频偏总量与频偏数据库进行比对分析，采用基于频偏的中频转发干扰定位算法，从而实现干扰站序列的快速输出。

图7 所示为地球站数量与中频转发干扰定位时间关系曲线。随着地球站数量的增加，采用依次关停排查方案时的定位时间呈现出较大的随机特性，原因在于干扰站随机隐蔽在卫星通信系统内，采用传统依次关停方案不具科学性，无法确保第一时间定位干扰站；而采用基于频偏的中频转发干扰定位算法整体呈现出较为平稳的优化趋势，从图中可以看出，当地球站数大于25 个时，因频偏差值相近的概率增加，干扰定位难度加大，所以成功定位时间有所增长，但依旧呈现较为稳定的优化趋势。仿真结果表明，本文方案较对比方法可节省更多的干扰定位时间。

图7 地球站数量与中频转发干扰定位时间关系

图8 所示为地球站数量与中频转发干扰地球站成功定位概率关系曲线。随着地球站数量的增加，由于定位复杂性加大，干扰定位成功概率均呈现整体下降趋势。从图中可以看出，采用依次关停方案的成功定位干扰站概率呈现随机性，而采用本文方案优化趋势较为平稳，成功定位干扰站概率较对比方案有较大提升。此外，当卫星通信系统内存在多个疑似干扰站时，考虑到频偏测试精度不同，当频偏测试精度较低时，疑似干扰站频偏与数据库频偏的差值可能因低精度的测试方式而近似，因而干扰站成功定位的概率有所降低，但本文方案依旧呈现出较好的优化效果。图7、图8 仿真结果可充分验证本文所提方案的可行性及优势，可为解决中频转发干扰定位问题提供现实依据。

图8 地球站数量与中频转发干扰地球站成功定位概率关系

5 结论

中频转发干扰是卫星通信系统中干扰较为常见却不易排查的一种干扰形式，传统中频转发干扰排查需要耗费大量时间及人力去协同处置，排查定位效率极其低下。针对定位中频转发干扰效率低下问题，本文首先对中频转发干扰产生机理进行研究，借助变频设备产生本振信号频率稳定特性，建立信号频率偏移模型；将采集的各地面站变频设备实际频偏数据纳入频偏数据库，随后借助频偏数据库，设计基于频偏的中频转发干扰定位算法以实现中频转发干扰源的快速定位。仿真结果分析验证了本文所提方案的可行性，仿真结果表明本文所提方案可有效提升排查干扰站的效率及准确性，为保障卫星通信链路的安全稳定运行具有较大现实意义。