宋成勇，趙 坤，張立東，劉恩敏

（78156 部隊，成都 610503）

1 引言

在電磁環(huán)境惡劣的情況下，衛(wèi)星通信依靠其加密性強、抗干擾性強，覆蓋面積大成為應急保障的主要通信手段。目前，衛(wèi)星通信下行信號監(jiān)控由于衛(wèi)星系統日趨增多頻率資源使用變更頻繁，臺站監(jiān)測任務繁重，測試信號頻段范圍不斷增大（已到Ka），在需要對多路衛(wèi)星信號監(jiān)控時，還存在頻譜監(jiān)控設備數量匱乏的情況；同時，由于各臺站值勤人員技能水平參差不齊、裝備熟練程度不一等諸多問題，在實際監(jiān)測中即便經驗豐富、技術熟練的值勤人員，在衛(wèi)星通信頻譜監(jiān)控中也會因為監(jiān)控頻點多、時間消耗長，使得工作效率降低、監(jiān)控結果不可靠。當前，我們迫切需要能衛(wèi)星通信地面站對各衛(wèi)星通信網系使用的衛(wèi)星頻率資源情況等進行實時監(jiān)控，掌握轉發(fā)器資源利用情況，排除可能出現的衛(wèi)星通信頻率自身干擾和外部干擾，并確保各衛(wèi)星通信網系運行的可靠性。

2 研究背景

目前，衛(wèi)星信號監(jiān)控面臨著衛(wèi)星數量和型號日趨增多、監(jiān)測任務繁重、測試信號范圍不斷增大、中頻及射頻物理接口不同、信號頻率跨度大等技術問題，在衛(wèi)星地面站頻譜監(jiān)測設備有限的情況下，必然加重現場值勤人員的工作量，降低了工作效率，監(jiān)控結果容易出現誤差。通過研究衛(wèi)星地面站多通道衛(wèi)星頻率資源監(jiān)控，在衛(wèi)星通信地面站對各衛(wèi)星通信網系使用的衛(wèi)星頻率資源情況等進行實時監(jiān)控，實現干擾信號日實時告警，掌握轉發(fā)器資源利用情況，及時排除（或規(guī)避）可能出現的衛(wèi)星通信頻率自身干擾和外部干擾，為上級業(yè)務管理部門在第一時間提供有效的決策支持。

各種新型衛(wèi)星通信系統開通運行以后，衛(wèi)星資源利用越來越多，頻率資源變換也越來越頻繁，現有的監(jiān)測裝備已不能滿足值勤基本要求。我們研究多通道衛(wèi)星頻率資源監(jiān)測，就是要確保衛(wèi)星通信業(yè)務保障全時通、全域通、全網通、全程通。

3 主要研究內容目標及內容

3.1 研究目標

該項目硬件部分的信號處理器由8 ～10個射頻變換模塊組成，對來自不同衛(wèi)星通信系統的中頻或射頻信號進行處理并轉換為數字信號；信號分析系統主要由計算機服務器和軟件系統組成，完成對衛(wèi)星信號的對比、分析、存儲和信號預警功能；軟件功能包括：在一個界面上同時觀測8 ～10顆衛(wèi)星信號實時情況，對8 ～10顆衛(wèi)星信號進行分析、存儲，對衛(wèi)星信號具有主動研判、聲光告警功能，能及時發(fā)現各種不正常信號。

3.2 研究內容

針對平時值勤中暴露出的干擾和自擾等難以及時解決的問題，本次研究著重從如下方面進行：

（1）結合在用衛(wèi)星通信資源的使用情況，研發(fā)多路衛(wèi)星信號采集設備，可利用1套系統，對8 ～10顆衛(wèi)星的下行信號進行集中監(jiān)測。

（2）針對監(jiān)控內容無法在監(jiān)測指揮大廳進行集中顯示的問題，開發(fā)一套集中控制軟件平臺，采集的信息在值勤大廳進行集中顯示，也可上傳至上級業(yè)務部門。

（3）在衛(wèi)星通信信號出現異常時，增加主動告警的功能。

（4）動態(tài)展示衛(wèi)星通信系統運行態(tài)勢和資源利用情況。

（5）在衛(wèi)星站原有業(yè)務處理和請示報告流程中，增加衛(wèi)星通信監(jiān)測數據集中存放，可對數據進行抽取、回放和分析。

3.3 研究設計方案

3.3.1 總體方案

此項目研究，主要從硬件設計、軟件開發(fā)、數據庫搭建幾個方面進行。一是要對現有各衛(wèi)星通信系統下行信號接口進行梳理，看各系統結構是否滿足建設要求。二是著重設計多信道衛(wèi)星通信信號監(jiān)控硬件設備，充分考慮接收的下行衛(wèi)星通信信號頻率范圍，選取運行穩(wěn)定、電磁兼容、價格適中的硬件設備。三是實現自動監(jiān)控平臺軟件的開發(fā)、數據存儲（包括格式和保存時間）、監(jiān)控界面集中呈現、自動告警信息的推送。

3.3.2 主要技術分析

該系統研究包括信號處理模塊、信號分析模塊、監(jiān)控中心模塊三部分，監(jiān)控平臺部分采用C++語言開發(fā)，系統運行于Windows 操作系統，數據傳輸通過TCP/IP 協議完成，數據處理儲存部分則采用關系數據庫進行開發(fā)。該系統研究從理論和軟硬件方面保障系統是可實施的，且具有科學性。

信號處理器實際上需要實現頻譜儀部分功能，首先要進行信號搜索并捕獲得到各可見衛(wèi)星粗略的信號碼相位和載波頻率；其次，在捕獲到偽碼相位和粗略載波頻率的基礎上，接著進入跟蹤環(huán)路，跟蹤并得到精確的碼相位和載波頻率等原始觀測量。采用FPGA 設計信號處理模塊，針對不同頻點和不同中頻帶寬，采用多輸入多輸出架構，鑒于實際衛(wèi)星信號可分為2個頻段低于200MHz 和高于200MHz 兩種方式。

圖1 信號處理模塊

如圖1所示，信號處理模塊是設計信號接收機處理不同頻段的衛(wèi)星信號并轉換為信號分析模塊需要的輸入。

如圖2所示，信號分析模塊是系統模塊的核心部分，它根據信號處理模塊數據分析與處理多通道的射頻信號、干擾信號等并形成相應的操作決策，監(jiān)控中心模塊根據信號分析模塊決策調整相關通道射頻、處理電磁干擾并在終端顯示。

圖2 系統各功能模塊

圖2中，監(jiān)控中心模塊是衛(wèi)星地面站多通道頻率資源監(jiān)測系統的人機結合部分，能實現自動監(jiān)控多路衛(wèi)星信號，自適應處理監(jiān)控任務、異常信號告警等功能，保障監(jiān)測結果的準確性，提高異常信號發(fā)現與處理的及時性。

分布式系統融合框架結構如圖3所示。為保證程序計算效率以及長期運行的穩(wěn)定性，該系統智能監(jiān)控平臺部分采用C++語言開發(fā)，系統運行于Windows 操作系統，系統運行硬件CPU 至少大于5 核，內存大于16G。為保證衛(wèi)星通信數據采集的實時性以及對外站衛(wèi)星通信設備遠程監(jiān)控的有效性，數據傳輸通過TCP/IP 協議完成。該系統數據處理存儲部分則采用關系數據庫進行開發(fā)。

4 風險分析

該研究課題對高頻段硬件變頻后的衛(wèi)星中頻數據的采集、處理與分析，干擾與信號的模式化識別，需要經過反復試驗調整才能最后定型。信號處理模塊在處理不同頻段的衛(wèi)星信號并將其轉換為數字信號時，如果信號幅度過低或信號不穩(wěn)定時，可能存在失真，必要時，有的節(jié)點可增加信號放大器。

5 應用前景分析

5.1 應用效益顯著

通過該研究設計，實現衛(wèi)星地面站多通道衛(wèi)星頻率資源監(jiān)控，能在衛(wèi)星通信地面站對各衛(wèi)星通信網系使用的衛(wèi)星頻率資源情況等進行全實時監(jiān)控，干擾信號日實時告警，掌握轉發(fā)器資源利用情況、頻率資源的優(yōu)化，及時排除（或規(guī)避）可能出現的衛(wèi)星通信頻率自身干擾和外部干擾。

突出全面掌控實時衛(wèi)星通信運行態(tài)勢，強化對各衛(wèi)星通信網內各衛(wèi)星站頻率使用的監(jiān)管，提高衛(wèi)星通信網系維護指標，順利完成各類重要通信保障，衛(wèi)星通信業(yè)務保障全時通、全域通、全網通、全程通。

能夠對出現的衛(wèi)星通信資源故障進行預判，為上級業(yè)務管理部門在第一時間提供有效的決策支持；通過與應急指揮中心指揮決策系統對接，指導衛(wèi)星資源使用進行適當調整。

5.2 經濟效益明顯

目前國內頻譜儀（18-20GHz、Ku 頻段）的價格，滿足監(jiān)測需求的單臺頻譜儀價格在28萬元左右，按照在地面站工作9個衛(wèi)星通信系統需求，至少需要8 ～10臺，加上統一的監(jiān)控平臺搭建的費用，經費至少260萬元。通過自主研發(fā)衛(wèi)星地面站多通道頻率監(jiān)測系統，單個監(jiān)測節(jié)點費用在2萬以內（量產以后價格更低），一套系統只需購置8 ～10個節(jié)點即可滿足需求，總建設費用（含監(jiān)控節(jié)點硬件與監(jiān)控平臺）在60萬元以內；如果推廣運用，經濟效益更佳。該系統建設周期短、改造成本低、維護簡單，可先行建設系統試用，然后在大范圍進行推廣，大大節(jié)約裝備投入資金。

6 結束語

綜上所述，衛(wèi)星地面站多通道衛(wèi)星頻率資源監(jiān)測研究從理論基礎、硬件研制和軟件研發(fā)乃至系統設計是完全可以實現的，可行性較高、運行穩(wěn)定。