李合金，郭 琛，王澤森，潘 雷

（中國人民解放軍63751 部隊，陜西 西安 710000）

0 引言

衛(wèi)星通信是支撐星地通信和地表超遠距離通信的主要手段，在人類開發(fā)和探索太空的時代背景下，通信衛(wèi)星的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。在衛(wèi)星通信中，由于多種因素導(dǎo)致轉(zhuǎn)發(fā)器受到干擾無法避免，快速定位干擾是衛(wèi)星通信系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)中存在多種形式干擾，其中，中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾通過影響星上轉(zhuǎn)發(fā)器，從而導(dǎo)致多條衛(wèi)星通信鏈路同時出現(xiàn)異常，因此中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾比其他形式干擾更具嚴重性。文獻[1]將傳統(tǒng)的集中式功率控制和分布式功率控制技術(shù)應(yīng)用在衛(wèi)星系統(tǒng)間同頻干擾抑制上，形成新的自適應(yīng)功率控制技術(shù)，借助功率控制實現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)間同頻干擾抑制。西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院唐成凱等人[2]提出了一種雙向中繼轉(zhuǎn)發(fā)自干擾消除算法，利用地面通信站對自身發(fā)射信號已知的特點，通過延時寄存器對自身發(fā)射信號進行多抽頭采樣，然后根據(jù)各抽頭采樣對接收信號的干擾影響，對抽頭采樣進行加權(quán)處理并賦予不同權(quán)重，以減小自身發(fā)射信號的干擾。文獻[3]首先搭建起多路轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的仿真模型，然后逐一對各路轉(zhuǎn)發(fā)天線的位置及架設(shè)角度進行電磁仿真、優(yōu)化，實現(xiàn)了系統(tǒng)的抗同頻干擾。文獻[4]提出了一種非均勻采樣與波形重構(gòu)的方法，對干擾波形進行優(yōu)化。以上工作主要針對同頻干擾抑制進行研究，然而在實際的衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)同頻干擾時缺乏有效的定位手段。Dajian 等人[5]通過仿真得到了低比特衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)全局干擾的動態(tài)分布，利用低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)全球干擾場景、干擾分布模型和干擾分析模型，獲得低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)全球上行和下行干擾的動態(tài)模型。文獻[6]-[7]通過建立衛(wèi)星通信系統(tǒng)中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾模型，得到了模型中參數(shù)的變化對中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾的影響規(guī)律，同時進一步探討了衛(wèi)星通信系統(tǒng)中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾產(chǎn)生的原因，給出了排查中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾問題的解決思路。文獻[8]給出了衛(wèi)星導(dǎo)航干擾源空地協(xié)同測向定位系統(tǒng)設(shè)計方案和干擾源查找流程。Aruna 教授[9]推導(dǎo)了在多徑衰落信道上同信道干擾的中斷概率等數(shù)學(xué)模型。文獻[10]在現(xiàn)有抗干擾技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了北斗/INS 對中繼臺干擾的綜合對抗方案，極大地提高了此類干擾的檢測概率，減少了對有用信號的誤判。文獻[11]針對通信衛(wèi)星多軌道、多波段、區(qū)域波束和點波束的覆蓋特點，分析了不同干擾場景下的干擾定位技術(shù)，介紹了干擾定位實現(xiàn)方法，為后期衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。以上工作對衛(wèi)通系統(tǒng)中存在的干擾進行模型分析，闡述了中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾的產(chǎn)生機理，但未實現(xiàn)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中干擾源定位的實際工程優(yōu)化及驗證。為解決衛(wèi)星通信中的中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾定位問題，本文首先對中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾機理進行論述，給出具體中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾頻偏模型，結(jié)合建立地球站頻偏數(shù)據(jù)庫，通過設(shè)計基于頻偏的中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾定位算法以實現(xiàn)中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾源的快速定位。仿真結(jié)果分析驗證了本文所提方案的可行性，并有效提升了排查干擾站的效率及準確性。

1 中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星通信地球站下行接收的射頻信號經(jīng)過放大、下變頻、濾波等處理，變換為中頻信號，但接收的中頻信號通過電磁感應(yīng)重新混入其上行中頻鏈路，通過上行通道發(fā)射上星并形成閉合環(huán)路，從而對星上原載波造成干擾，這種干擾稱為中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾[7]。

此種干擾由于干擾信號與正常業(yè)務(wù)信號的發(fā)射頻率相同，形成干擾信號和正常業(yè)務(wù)信號疊加，導(dǎo)致干擾信號功率增加，整體信噪比降低，在極端情況下載噪比跌破下行信號正常接收解調(diào)所需的電平門限，從而引發(fā)數(shù)據(jù)中斷，嚴重影響正常用戶的通信質(zhì)量。衛(wèi)星通信信號變頻流程示意圖如圖1 所示，中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾常發(fā)生于透明轉(zhuǎn)發(fā)器衛(wèi)星系統(tǒng)。

圖1 衛(wèi)星通信信號變頻流程示意圖

1.1 中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾頻譜特性

中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號在頻域中與正常信號產(chǎn)生疊加，利用頻譜儀觀測信號時，干擾信號產(chǎn)生的功率疊加在正常信號底部，利用頻譜儀觀測中頻轉(zhuǎn)發(fā)的星上調(diào)制信號時，由于中頻轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生的干擾信號相較于調(diào)制信號的帶寬寬度頻率偏移量過小，有較強的隱蔽性，頻譜儀無法直觀觀測到干擾信號功率、頻率等頻譜特性。圖2 所示為調(diào)制信號中頻頻譜。

圖2 調(diào)制信號中頻頻譜

然而，利用頻譜儀觀測單點頻信號，由于單點頻信號在頻域表現(xiàn)為一個單點脈沖，在頻譜儀上設(shè)置合適的觀測環(huán)境，可以直觀地觀測出干擾信號功率、頻率等頻譜特性，單點頻正常信號與單點頻干擾信號在功率及頻率捕獲結(jié)果分別如圖3(a)、圖3(b)所示。

圖3 單點頻信號功率及頻率

1.2 中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號產(chǎn)生機理分析

在透明轉(zhuǎn)發(fā)器衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，信號的功率在衛(wèi)星鏈路中遵循功率累加規(guī)律。信號功率在整個衛(wèi)星鏈路中經(jīng)過多個放大設(shè)備處理，由于不同地球站的放大設(shè)備的實際放大能力存在差異，使用的轉(zhuǎn)發(fā)器也存在頻段、增益的不同，無線信道對于信號的衰減與功率直接相關(guān)，因此整個衛(wèi)星鏈路中利用信號功率的累加規(guī)律來考慮中頻干擾信號定位的方法較難實現(xiàn)[1]。

信號的頻率在衛(wèi)星鏈路中遵循頻率的累加規(guī)律。信號頻率在整個衛(wèi)星鏈路中，地球站調(diào)制解調(diào)器將基帶信號轉(zhuǎn)換為中頻信號，地球站上變頻器將中頻信號轉(zhuǎn)換成上行射頻信號，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器將接收到的地球站上行射頻信號進行下變頻后向接收端地球站轉(zhuǎn)發(fā)，接收端地球站下變頻器將接收到的來自衛(wèi)星的下行信號轉(zhuǎn)換成中頻信號。在信號轉(zhuǎn)換過程中，經(jīng)過了發(fā)端調(diào)制解調(diào)器、發(fā)端地球站上變頻器、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、收端下變頻器和收端調(diào)制解調(diào)器五個設(shè)備的轉(zhuǎn)換。中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾是中頻信號通過電磁感應(yīng)串入上行中頻鏈路產(chǎn)生的，因而在衛(wèi)星鏈路頻率轉(zhuǎn)換流程中可以剔除雙端調(diào)制解調(diào)器對于頻率偏移的影響。在衛(wèi)星鏈路頻率轉(zhuǎn)換過程中，衛(wèi)星鏈路使用不同的通信頻段，由于頻譜監(jiān)視手段是對射頻調(diào)制信號和中頻調(diào)制信號進行監(jiān)測，監(jiān)測頻段范圍相對較大，因而頻譜監(jiān)視手段無法直觀測量調(diào)制信號中因中頻干擾信號產(chǎn)生的頻率偏移量。在衛(wèi)星鏈路頻率轉(zhuǎn)換中，是通過被處理信號與變頻設(shè)備提供的本振信號進行混頻實現(xiàn)的，變頻設(shè)備提供的本振信號是借助10 MHz 晶振信號通過升頻電路產(chǎn)生的，變頻器內(nèi)負責(zé)提供本振信號的壓控晶體振蕩器具有較強的硬件穩(wěn)定性，因而輸出的本振信號頻率穩(wěn)定性較高[12]。不同頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備中的本振信號頻率偏移量會在衛(wèi)星鏈路頻率轉(zhuǎn)換中累加。在衛(wèi)星鏈路中頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備只有上下變頻器和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，因此可考慮利用本振信號頻率偏移和偏移量累加特性實現(xiàn)中頻干擾定位。

衛(wèi)星鏈路正常信號頻率偏移量fdisp可以表示為：

1.3 中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾設(shè)備頻偏測量方法

在衛(wèi)星系統(tǒng)中，各地球站頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備和轉(zhuǎn)發(fā)器的頻率偏移量可準確測量?，F(xiàn)用的衛(wèi)星鏈路變頻器等頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備短期頻率穩(wěn)定度≤5×10-12s，地球站現(xiàn)用頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備的年頻率穩(wěn)定度為1.5768×10-4Hz，頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備的頻率高穩(wěn)定特性，確保了頻偏數(shù)據(jù)庫的高度穩(wěn)定。將所有衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)地球站上下變頻器和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的頻率偏移量數(shù)據(jù)準確記錄并納入數(shù)據(jù)庫中，可為中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾定位提供數(shù)據(jù)比對依據(jù)。

變頻器頻率偏移測量可利用信號源發(fā)送單載波信號，利用頻譜儀首先測量該單載波信號的頻率偏移量，隨后經(jīng)信號源發(fā)送的單載波信號輸入變頻器，將變頻后的信號輸出至頻譜儀進行頻率偏移量測量，用第二次測量數(shù)值與第一次測量數(shù)值作差，即得到該變頻器的頻率偏移量。

2 中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾頻偏模型

工程實際中上下變頻器都采用間接變頻，在含有中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，經(jīng)一次轉(zhuǎn)發(fā)與二次轉(zhuǎn)發(fā)的中頻信號之間會因地球站變頻器本振信號和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器本振信號存在的頻偏而產(chǎn)生頻率偏移，因此中頻信號作為初始信號和最終觀測信號，其頻率偏移量不計入衛(wèi)通鏈路的整體頻率偏移量，在模型仿真中以70 MHz中頻信號混頻至射頻信號為例。

圖4、圖5 所示為信號傳輸過程中頻率偏移總量模型。從圖中可以看出，中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號的頻率偏移總量比正常信號頻率偏移總量增加了干擾站下變頻器頻率偏移、干擾站上變頻器頻率偏移和轉(zhuǎn)發(fā)器頻率偏移三部分，該部分偏移量為實際衛(wèi)星鏈路中排查定位中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾站提供了量化依據(jù)。

圖4 正常信號傳輸頻率偏移總量模型

圖5 干擾信號傳輸頻率偏移總量模型

制造工藝差異會導(dǎo)致10 MHz 晶振存在微弱的頻率偏移，并且每個晶振的頻率偏移量具有唯一性；變頻器等頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備在將內(nèi)置10 MHz 晶振頻率利用升頻電路轉(zhuǎn)換成本振信號的過程中，10 MHz 晶振存在的微弱頻率偏移會被一定程度地放大。由于差值的唯一特性，結(jié)合建立頻偏數(shù)據(jù)庫，即可實現(xiàn)根據(jù)頻偏差值實現(xiàn)不同地球站的中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾快速精準定位。

3 基于頻偏的中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾定位算法

本文提出基于頻偏的中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾定位算法，算法核心思想是借助衛(wèi)通鏈路頻率偏移差值,結(jié)合自建數(shù)據(jù)庫與疑似產(chǎn)生干擾的上下變頻設(shè)備頻率偏移總量進行頻差比對，通過對頻差絕對值進行排序?qū)Ρ?，從而迅速定位干擾站?；陬l偏的中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾定位算法流程如下：

（1）出現(xiàn)疑似中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾后，立即通過正常地面站發(fā)射一個單載波信號，自發(fā)自收并計算頻差；

（2）調(diào)用自建數(shù)據(jù)庫，與異常站實際總頻偏作差；

（3）將差值平方后，借助冒泡排序法，將差值結(jié)果從小到大依次排序；

（4）生成產(chǎn)生中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾的疑似地面站序列。

根據(jù)算法判定結(jié)果，輸出生成產(chǎn)生中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾的疑似地面站序列。關(guān)閉可疑干擾站發(fā)射機的上行功率，觀察處于干擾頻段的單載波是否存在，若消失，則驗證該地面站造成了中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾，證明算法中頻干擾定位性能的可行性。

在中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾發(fā)生時，通過本文方案借助頻率偏移量可迅速定位疑似干擾站。具體中頻轉(zhuǎn)發(fā)定位流程是當(dāng)發(fā)生中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾后，發(fā)端地球站發(fā)送一個單載波信號，經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)后利用頻譜儀觀測下變頻器輸出的中頻單載波信號。通過計算原單載波信號和干擾單載波信號的頻率差，與數(shù)據(jù)庫中的各站上下變頻器固有頻率偏移總量進行對比，從而定位出疑似中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾站。為確保中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾定位精度，負責(zé)排查工作的發(fā)端和收端地球站為同一套地球站，圖6 所示為中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾站快速定位流程。

圖6 中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾站快速定位流程

基于頻偏的中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾定位算法偽代碼如下：

初始化：

(1)異常信號頻偏量x

(2)各個地球站記錄的頻偏總量temp

(3)n為地球站數(shù)，其中i∈[1,n]

4 仿真結(jié)果及分析

本文假設(shè)在整個衛(wèi)通系統(tǒng)中共有n=30 個地球站，其中存在1 個干擾站；此外假設(shè)每套地球站采用1 套固定的在線上下變頻器設(shè)備，且僅存在一次變頻過程，各個地球站變頻設(shè)備的頻偏值因其硬件穩(wěn)定性較高可視為定值。以某套地面站上下行鏈路中的信道設(shè)備為例，在Speed=1 s，Rbw=200 Hz，Vbw=1 Hz，Span=5 kHz 頻譜儀測試環(huán)境下，借助星上空閑頻譜資源進行信號上星環(huán)測試，可得經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號總頻偏，如表1 所示。

表1 經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號頻偏

其次將30 個地面站變頻設(shè)備的頻偏數(shù)據(jù)行采集，為實現(xiàn)定量分析，本文將上變頻器中心頻率設(shè)置為6 106 MHz，下變頻器中心頻率設(shè)置為3 881 MHz，由此建立設(shè)備頻偏數(shù)據(jù)庫，各變頻器頻偏測試結(jié)果如表2 所示。

表2 各地球站變頻設(shè)備頻率偏移量

本文基于各個地面站變頻設(shè)備的頻偏數(shù)據(jù)及衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的頻偏數(shù)據(jù)，通過異常站上下變頻器的頻偏總量與頻偏數(shù)據(jù)庫進行比對分析，采用基于頻偏的中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾定位算法，從而實現(xiàn)干擾站序列的快速輸出。

圖7 所示為地球站數(shù)量與中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾定位時間關(guān)系曲線。隨著地球站數(shù)量的增加，采用依次關(guān)停排查方案時的定位時間呈現(xiàn)出較大的隨機特性，原因在于干擾站隨機隱蔽在衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)，采用傳統(tǒng)依次關(guān)停方案不具科學(xué)性，無法確保第一時間定位干擾站；而采用基于頻偏的中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾定位算法整體呈現(xiàn)出較為平穩(wěn)的優(yōu)化趨勢，從圖中可以看出，當(dāng)?shù)厍蛘緮?shù)大于25 個時，因頻偏差值相近的概率增加，干擾定位難度加大，所以成功定位時間有所增長，但依舊呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的優(yōu)化趨勢。仿真結(jié)果表明，本文方案較對比方法可節(jié)省更多的干擾定位時間。

圖7 地球站數(shù)量與中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾定位時間關(guān)系

圖8 所示為地球站數(shù)量與中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾地球站成功定位概率關(guān)系曲線。隨著地球站數(shù)量的增加，由于定位復(fù)雜性加大，干擾定位成功概率均呈現(xiàn)整體下降趨勢。從圖中可以看出，采用依次關(guān)停方案的成功定位干擾站概率呈現(xiàn)隨機性，而采用本文方案優(yōu)化趨勢較為平穩(wěn)，成功定位干擾站概率較對比方案有較大提升。此外，當(dāng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)存在多個疑似干擾站時，考慮到頻偏測試精度不同，當(dāng)頻偏測試精度較低時，疑似干擾站頻偏與數(shù)據(jù)庫頻偏的差值可能因低精度的測試方式而近似，因而干擾站成功定位的概率有所降低，但本文方案依舊呈現(xiàn)出較好的優(yōu)化效果。圖7、圖8 仿真結(jié)果可充分驗證本文所提方案的可行性及優(yōu)勢，可為解決中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾定位問題提供現(xiàn)實依據(jù)。

圖8 地球站數(shù)量與中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾地球站成功定位概率關(guān)系

5 結(jié)論

中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中干擾較為常見卻不易排查的一種干擾形式，傳統(tǒng)中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾排查需要耗費大量時間及人力去協(xié)同處置，排查定位效率極其低下。針對定位中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾效率低下問題，本文首先對中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾產(chǎn)生機理進行研究，借助變頻設(shè)備產(chǎn)生本振信號頻率穩(wěn)定特性，建立信號頻率偏移模型；將采集的各地面站變頻設(shè)備實際頻偏數(shù)據(jù)納入頻偏數(shù)據(jù)庫，隨后借助頻偏數(shù)據(jù)庫，設(shè)計基于頻偏的中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾定位算法以實現(xiàn)中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾源的快速定位。仿真結(jié)果分析驗證了本文所提方案的可行性，仿真結(jié)果表明本文所提方案可有效提升排查干擾站的效率及準確性，為保障衛(wèi)星通信鏈路的安全穩(wěn)定運行具有較大現(xiàn)實意義。