李岱若，徐 慨，李 奇

(海軍工程大學，湖北 武漢 430033)

衛(wèi)星通信上下行鏈路信號的偵收分析

李岱若，徐 慨，李 奇

(海軍工程大學，湖北 武漢 430033)

從衛(wèi)星傳輸鏈路著手，分析了衛(wèi)星通信行鏈路的信號偵收原理，通過地面?zhèn)墒赵O備和機載偵收設備對衛(wèi)星和地球站的通信信號進行偵收，進行了理論推導，給出了偵收設備在不同地理位置對偵收效果影響的表達式，可以計算不同位置偵收設備收到的能量，并進行了MatLab仿真實驗以找尋合理的地面或者機載偵收設備的配置方案。結果表明偵收效果好的偵收設備,其地理位置更易暴露，所以在實際配置時要綜合考慮。

衛(wèi)星通信；通信對抗；衛(wèi)星通信鏈路；機載偵察

0 引 言

衛(wèi)星通信是現(xiàn)代通信的主要方式之一，衛(wèi)星通信以其獨特的優(yōu)越性在全球通信和導航定位等應用領域起著舉足輕重的作用。在新形勢、新時代的戰(zhàn)爭環(huán)境下，一旦衛(wèi)星通信信號被偵察接收，隨之而來的可能就是干擾對抗。隨著軍事衛(wèi)星通信技術的興盛和發(fā)展，衛(wèi)星通信對抗隨之得到發(fā)展，已成為現(xiàn)代軍事電子戰(zhàn)中的關鍵環(huán)節(jié)。衛(wèi)星通信信號的偵察收集更是衛(wèi)星通信對抗不可或缺的重要前提。為此，本文對衛(wèi)星到地球站的下行鏈路以及地球站到衛(wèi)星的上行鏈路進行偵收分析，推導出了影響偵收效果的表達式，確定影響偵收效果的參數(shù)，通過例子進行分析，并通過MatLab仿真來觀察參數(shù)變化對偵收效果的影響。

1 對下行鏈路信號的偵收分析

對衛(wèi)星通信下行鏈路信號進行有效偵收和分析，需要對抗偵察設備滿足以下條件[1]：

(1) 衛(wèi)星通信鏈路下行信號的工作頻率fd處于偵收對抗設備的偵察頻率[fzmin,fzmax]之內；

(2) 偵收對抗設備要處在衛(wèi)星覆蓋區(qū)之內。

無論是對上行信號還是下行信號進行偵收，偵收設備的安置地點都必須滿足一個要求，即偵收設備必須要安置在通信衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域之內。從衛(wèi)星向地球表面做切線所形成的區(qū)域被稱為衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域。由于地面的山川、高樓以及地面噪聲等的影響，天線的通信需要滿足最小天線仰角Emin≥5°[2]，才能有效減小地形、地面遮擋物以及地面噪聲對通信的影響。因此把5°稱為最低天線仰角Emin，最低天線仰角的邊緣線所包圍的地面區(qū)域就被稱為衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域。偵收設備是否在衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域的基本判斷條件為：

E≥Emin

(1)

當?shù)孛嫔系脑O備對準衛(wèi)星時，地面站的仰角E可以通過下式求出[2]：

(2)

式中:R為地球近似半徑，因為本文以靜止軌道衛(wèi)星“中衛(wèi)一號”為例進行分析，取地球赤道半徑R=6 378 km;r為衛(wèi)星到地心的距離，靜止軌道衛(wèi)星距離地表距離約為36 000 km，故取r=36 000+6 378=42 378 km;βsd為衛(wèi)星垂直星下點和地面站之間的地心夾角，地心夾角βsd可由下式求出：

cosβsd=sinφdsinφs+cosφdcoss(θd-θs)

(3)

式中:θd為地球站的經度;φd為地球站的緯度；θs為衛(wèi)星的經度；φs為衛(wèi)星的緯度，對于靜止軌道衛(wèi)星來說，衛(wèi)星緯度φs=0°。

所以上式可以簡化成：

cosβsd=cosφdcos(θd-θs)

(4)

衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域一般以該地區(qū)所對應的地心張角β來表示。地心張角β可由波束寬度γ和地球半徑R、衛(wèi)星到地心距離r確定[3]：

(5)

通信衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域一般都比較大，不可能僅僅覆蓋己方有需求的小部分區(qū)域，所以偵察設備一般都能安置在通信衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域之內。對靜止軌道衛(wèi)星來說，其波束寬度γ約為17.4°，能覆蓋地球表面積約1/3大小。代入相關參數(shù)可求出，靜止軌道衛(wèi)星的地心張角β約為162.6°[4]。

對通信衛(wèi)星下行鏈路通信信號的偵收可以經由地面?zhèn)墒掌脚_和機載偵收平臺2種基本的手段，都需滿足條件:

ρsz≤β/2=81.3°

(6)

βsz為通信衛(wèi)星和偵收設備在地球表面射影的地心夾角，可由下式計算出：

βsz=arccos[sinφzsinφs+cosφzcosφscos(θz-θs)]

(7)

式中：θz為偵收設備的經度；φz為偵收設備的緯度。

(3) 偵收設備接收的下行鏈路的信號功率Sdz應該大于偵收設備的靈敏度Pzmin，即要求滿足條件：

Sdz≥Pzmin

(8)

Sdz=Es+Gzs-Lsz-La

(9)

式中：Es為衛(wèi)星的等效全向輻射功率；Gzs為偵收設備的天線對通信衛(wèi)星下行鏈路信號的增益；Lsz為下行鏈路到偵收設備的自由空間損耗；La為下行鏈路信號受到的大氣衰減。

Lsz可由下式計算得出[5]：

Lsz=92.44+20lgfd+20lgRsz

(10)

式中：fd為通信衛(wèi)星下行鏈路的信號頻率(GHz)；Rsz為通信衛(wèi)星到偵收設備的距離(km)。

下面以偵察“中衛(wèi)一號”靜止軌道衛(wèi)星(87.5°E，0°)和某地球站(113°E，10°N)之間的通信為例子，“中衛(wèi)一號”靜止軌道衛(wèi)星的Es約為50 dBW,品質因數(shù)值約為4 dB/K。某地面站天線口徑為1.8 m，天線效率為0.55，面天線增益Gs可由下式求出：

(11)

假設下行信號頻率在偵收設備的可偵察頻率范圍[fzmin,fzmax]之內，計算針對“中衛(wèi)一號”靜止軌道衛(wèi)星下行鏈路通信信號進行偵收時應滿足的位置條件，將參數(shù)φs=0°、θs=87.5°E代入式(6)可得：

βsz=arccos[cosφzcos(θz-87.5°)]

(12)

1.1 對地面?zhèn)墒赵O備進行分析

滿足上面的3個要求，并根據(jù)式(10)采用MatLab對地面?zhèn)墒赵O備的地理位置進行仿真，找出滿足要求的偵察設備的位置條件，如圖1所示。

圖1 偵察設備應滿足的位置條件

當采用地面?zhèn)墒赵O備進行通信衛(wèi)星下行信號的偵收時，已知“中衛(wèi)一號”靜止軌道衛(wèi)星的Es約為50 dBW。由文獻[6]的圖3-2可知，當通信衛(wèi)星下行鏈路信號的頻率為12.43 GHz時，大氣衰減很小，基本可以忽略。路徑損耗Lsz可用下式進行計算：

(13)

Lsz=92.44+20lgfd+20lgRsz

(14)

(15)

由式(9)可以求出到達偵收設備天線口面處的能量E為：

E=Sdz-Gzs=Es-Lsz-La

(16)

E=Sdz-Gzs=50-Lsz-0

(17)

E=Sdz-Gzs=

(18)

用MatLab對上式進行仿真，可以得到到達地面?zhèn)墒赵O備接收天線口面的能量與地面?zhèn)墒赵O備所處的位置之間的關系，如圖2所示。

圖2 到達地面?zhèn)墒赵O備天線口面能量與地面?zhèn)墒赵O備所處位置的關系

由MatLab仿真圖可以看出，確定偵收設備的靈敏度、地理位置所在處和其天線增益，就可以判定該偵收設備是否可以有效偵收到“中衛(wèi)一號”靜止軌道衛(wèi)星的下行鏈路通信信號。由上面的MatLab仿真圖可以看出，“中衛(wèi)一號”靜止軌道衛(wèi)星下行信號到達地面?zhèn)墒赵O備天線口面處的能量約在-155 dBW～-157 dBW附近。由圖2分析可得結論：偵收設備地理位置的變化對到達偵收設備天線口面處能量大小的影響是以星下點(87.5°E，0°)為圓心，到達天線口面處的能量大小隨半徑增大而減小。

由文獻[7]可知，假設地面?zhèn)刹煸O備的靈敏度Pzmin為-110 dB，這個值處于一般接收機的靈敏范圍之內，即要求地面?zhèn)墒赵O備的天線增益Gzs≥47 dB時才能滿足上面MatLab仿真中天線口面處最小能量的偵收條件。已知天線效率η=0.55，當接收天線半徑D=3 m時，天線增益約為49 dB。由此可見，這是完全可以實現(xiàn)的。

1.2 對機載偵收設備進行分析

hdz≤hzmax

(19)

(20)

將式(5)代入式(20)得：

(21)

采用MatLab對求機載偵收設備的最大升空高度的式(21)進行仿真，可得圖3。

由MatLab仿真圖3可以看出,機載偵察設備處于“中衛(wèi)一號”靜止軌道衛(wèi)星(87.5°E，0°)的星下點時,到達機載偵收設備的最大升空高度，由式(21)可以計算出為30 359 km。

圖3 機載偵收設備的最大升空高度

由圖2分析可知，偵收設備地理位置的變化對到達偵收設備天線口面處能量大小的影響是以星下點(87.5°E，0°)為圓心，到達天線口面處的能量大小隨半徑增大而減小。下面討論機載偵收設備的升空高度對到達偵收設備天線口面處能量大小的影響。

當采用機載偵收設備進行偵察接收時，由圖4分析可得，路徑損耗Lsz中的衛(wèi)星到偵收設備的距離Rsz應該等于：

(22)

圖4 采用機載偵收設備時偵收設備和靜止軌道衛(wèi)星的位置關系圖

“中衛(wèi)一號”靜止軌道衛(wèi)星的下行鏈路信號到達機載偵收設備的路徑損耗Lsz仍然由式(14)計算出來，所以到達機載偵收設備天線口面的能量為：

(23)

設機載偵收設備的地理位置位于(120°E，30°N)，最大升空高度前面已經算出來為30 359 km，將地理位置代入式(23)并進行仿真，可以得出機載偵收設備升空高度對到達偵收設備天線口面處能量大小的影響，如圖5所示。

圖5 機載偵收設備的升空高度與到達天線口面處能量關系圖

由圖5可見，隨著機載偵收設備升空高度的增加，到達其天線口面處的能量在逐漸增大，但是其增加的幅度比較小，到達機載偵收設備天線口面的能量略高于地面?zhèn)墒赵O備天線口面處的能量。

因此可得結論：

(1) 距離通信衛(wèi)星的星下點越近，到達偵收設備天線口面處的能量越大；但是越接近星下點，偵察設備的隱蔽性也越差，越容易被敵方發(fā)現(xiàn)，因此在實際應用時要折衷考慮。

(2) 機載偵收設備在最大升空范圍內越高，則到達偵收設備天線口面處的能量越大，越有利于偵收設備對衛(wèi)星下行鏈路通信信號進行偵收。由式(20)可知，最大升空高度是受限制的，由Matlab仿真圖3可見,在“中衛(wèi)一號”衛(wèi)星星下點處可取得最大升空高度；但是，同理機載偵察設備越接近星下點，隱蔽性也越差，所以在實際應用配置時也要綜合考慮。

2 對上行鏈路信號的偵收分析

對衛(wèi)星通信上行鏈路信號進行有效偵收和分析，需要對抗偵察設備滿足以下條件[1]：

(1) 衛(wèi)星通信鏈路上行信號的工作頻率fu處于偵收對抗設備的偵察頻率[fzmin,fzmax]之內。

(2) 偵收設備的位置不在地面發(fā)射站天線波束抑制角Emin之內，偵收設備的升空高度需滿足huz≥hzmin，通過地面發(fā)射站天線波束抑制角Emin可以計算出hzmin：

hzmin=R/cos(Emin+βsz)·cosEmin-R

(24)

式中：hzmin為偵收設備的最低升空高度(km)；βzd為偵察設備和地面發(fā)射站在地球表面射影的地心夾角，由公式(3)推得，地心夾角βzd為：

βzd=arccos[sinφzsinφd+cosφzcosdcos(θz-θd)]

(25)

(3) 偵收設備接收到的通信衛(wèi)星上行鏈路信號功率Suz≥偵收設備的靈敏度Pzmin，需滿足的能量條件由式(9)可得：

Suz=Ed+Gzd-Lsu-La

(26)

式中：Ed為地面發(fā)射站的有效全向輻射功率;Gzd為偵收設備接收天線在地面終端發(fā)射機方向上的增益；La為通信衛(wèi)星上行信號的大氣衰減；Lsu為上行信號到達偵收設備時受到的路徑損耗，由下式可得：

Lsu=92.44+20lgfu+20lgRzd

(27)

根據(jù)例子“中衛(wèi)一號”靜止軌道衛(wèi)星(87.5°E，0°)與某地球站(113°E，10°N)之間的通信，對通信衛(wèi)星的上行鏈路信號進行偵收分析。

2.1 使用地面?zhèn)墒赵O備

設某地球站的接收天線為3 m，發(fā)射功率為4 W。由式(11)可計算得到增益為50 dB，所以Ed=10lg4+50=56 dBW。路徑損耗中的Rzd=R·βzd。βzd為偵收設備和某地球站在地球表面射影的地心夾角，可由下式計算出：

βzd=arccos[sinφzsinφd+cosφzcosφdcos(θz-θs)]

(28)

將相關參數(shù)代入式(27)得：

Lsu=115.48+20lg{R·arccos[sin10°sinφz+

cos10°cosφzcos(θz-113°)]}

(29)

由于某地球站發(fā)射天線的波束主瓣指向衛(wèi)星，因此地面?zhèn)墒赵O備只能接收到其副瓣的信號。地面發(fā)射站天線在地面?zhèn)墒赵O備方向上的增益設為Gdz，該增益與偵收設備和地球站發(fā)射設備之間的夾角、位置關系、發(fā)射天線仰角、主瓣寬度等有關。根據(jù)國際電信聯(lián)盟(ITU)的有關章程，由天線偏軸角α可以推出相對峰值歸一化的旁瓣峰值[8]：

(30)

根據(jù)文獻[8]中的天線與電波傳輸理論，地球站發(fā)射旁瓣峰值可以作為天線接收時的峰值。

當采用地面?zhèn)墒赵O備偵收某地球站上行鏈路信號時，設地面?zhèn)墒赵O備與“中衛(wèi)一號”靜止軌道衛(wèi)星(87.5°E，0°)位于某地球站(113°E，10°N)的同一邊，則這時偵收設備對準某地面站天線副瓣偏離主軸的角度α=E。E為某地球站對準“中衛(wèi)一號”靜止軌道衛(wèi)星時的天線仰角，將各項參數(shù)代入式(2)可以計算出E=58.34°。這時的天線偏軸角已經比較大了，超過了最大旁瓣偏軸角α=48°，G(48°)=-13 dB，發(fā)射的信號已經十分微弱，再加上地形、地面遮擋物以及地面噪聲對通信的影響，對信號的衰減影響更大，所以對某地球站(113°E，10°N)的上行信號采用地面?zhèn)墒赵O備是不可行的，應該采用機載偵收設備進行偵收，與文獻[9]、[10]結論一致。

2.2 使用機載偵收設備

當使用機載偵收設備進行偵收時要滿足最低升空高度的限制，由式(24)可以求出機載偵收設備的最低升空高度：

hzmin=R/cos{Emin+cos[sin10°sinφz+

cos113°cosφzcos(θz-113°)]}·cosEmin-R

(31)

對機載偵收設備的最低升空高度進行進行MatLab仿真可得圖6。

圖6 機載偵收設備的最低升空高度

由圖6可以看出，越接近某地球站(113°E，10°N)正上空，可以允許機載干擾設備處于地球站發(fā)出上行信號的接收范圍內的最低升空高度越低；但是，相應地越接近此處，對于機載干擾設備來說其被暴露的可能性就越大。因此實際配置時要根據(jù)具體情況綜合考慮，做出機載偵收設備配置地點的選擇。

設偵收設備的升空高度為hdz，機載偵收設備與“中衛(wèi)一號”衛(wèi)星和某地球站的位置關系圖如圖7所示。圖中，L為某地球站到偵察機地面投影點的距離，L=Rβzd，βzd為偵察機地表投影點和某地球站的地心夾角。βzd可以由式(28)求出，Rdz為某地球站到偵察機的距離，根據(jù)三角余弦定理可以求得：

(32)

圖7 偵收設備與地球站、衛(wèi)星的位置關系圖

將相關參數(shù)代入式(27)，可以得到機載偵收設備的路徑損耗為：

Lsz=115.48+10lg{hdz2+{R·arccos[sin10°sinφz+

cos10°cosφzcos(θz-113°)]}2}

(33)

因此到達機載偵收設備天線口面處的能量為：

E=Sdz-Gzs=G(α)+6-Lsz

(34)

假設機載偵收設備的升空高度定為hdz=10 km，這個升空高度符合機載偵察設備的一般升空高度[10]，用MatLab對式(17)進行仿真可以得出機載偵收設備天線口面處的能量與機載偵收設備位置的關系圖，如圖8所示。

圖8 機載偵收設備天線口面處的能量與機載偵收設備位置的關系圖

由圖8可知，當偵察機在10 km高度時，其位于某地球站(113°E，10°N)正上空時到達接收天線口面的能量最大，接近-145 dBW。由文獻[6]可知，假設機載偵收設備的靈敏度Pzmin為-110 dB，這個值處于一般接收機的靈敏范圍之內，要求機載偵收設備的天線增益Gzs≥35 dB。偵收設備天線的效率為η=0.55，根據(jù)式(11)可推得：

(35)

求得D≥0.51 m時就能滿足要求，機載偵收設備的接收天線半徑完全可以滿足這個要求，這是能夠實現(xiàn)的。因此可得結論：

(1) 距離地球站的上方地理位置越近，到達偵收設備天線口面處的能量越大，越有利于偵收衛(wèi)星的上行鏈路信號；但是越接近地球站上方，偵察設備的隱蔽性也越差，越容易被敵方發(fā)現(xiàn)，因此在實際應用時要折衷考慮。

(2) 機載偵收設備的升空高度滿足極限最低升空距離的前提下，升空高度越低則到達機載偵收設備天線口面處的能量越大，越有利于偵收設備對衛(wèi)星上行鏈路的通信信號進行偵收；但是機載偵察設備升空高度越低，隱蔽性也越差，越易被敵方所摧毀，所以在實際應用配置時也要綜合考慮，以確定偵收設備的配置位置。

3 結束語

本文以偵收某地球站和“中衛(wèi)一號”靜止軌道衛(wèi)星進行通信的上下行鏈路進行偵收為例，研究了地面?zhèn)墒赵O備以及空中機載偵收設備對通信衛(wèi)星上行和下行干擾的效果，并通過MatLab仿真探究了偵收設備相對衛(wèi)星、地球站的地理位置、升空高度等參數(shù)的變化對偵收效果的影響，為偵收設備的配置策略的制定和實施提供了理論依據(jù)，具有一定的指導作用，為下一步干擾機的設計與改進提供了基礎。

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ReconnaissanceandReceptionAnalysisofUplinkandDownlinkSignalsforSatelliteCommunication

LI Dai-ruo,XU Kai,LI Qi

(Naval Engineering University,Wuhan 430033,China)

Starting from the satellite transmission link,this paper analyzes the signal reconnaissance and reception principle of satellite communication line link,detects and receives the communication signals between satellite and ground station through ground and airborne reconnaissance and reception equipments,performs the theoretical derivation,presents the expression of reconnaissance and reception equipments at different geographic positions on the reconnaissance and reception effect,by which can calculate the energy

from reconnaissance and reception equipments at different geographic positions,and performs Matlab simulation experiment to discover the reasonable collocation scheme of ground or airborne reconnaissance and reception equipments.Results show that the geographical location of reconnaissance and reception equipments with better detection effect emerges easily,which must be considered in the actual collocation.

satellite communication;communication countermeasure;satellite communication link;airborne reconnaissance

TN975

A

CN32-1413(2017)05-0024-06

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.005

2017-04-24