干擾地球站地面搜測技術方法研究

+ 范國江、王輝、肖巍、蔡志龍 中國衛(wèi)通集團有限公司

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干擾地球站地面搜測技術方法研究

+ 范國江、王輝、肖巍、蔡志龍 中國衛(wèi)通集團有限公司

本文著重介紹了不明來源干擾地球站地面搜測工作中遇到的一系列技術問題的解決方案。應用本文的技術方法，可以有效提升干擾站地面搜測工作效率和成功率。

衛(wèi)星 干擾源定位 地面搜測

1.技術需求與技術現(xiàn)狀

衛(wèi)星通信系統(tǒng)是一個開放的無線通信系統(tǒng)，相比地面通信系統(tǒng)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)更容易受到干擾和盜用。近幾年來隨著赤道平面上在軌通信衛(wèi)星數(shù)量及用戶業(yè)務的逐年增加，上述非法盜用類干擾事件越來越多，對用戶業(yè)務造成了嚴重的影響。因此，衛(wèi)星運營公司有必要采取先進的技術手段，定位并搜測出干擾發(fā)射站。

但是，要搜測出干擾地球站的確切位置，使用普通的頻譜監(jiān)測設備是做不到的，必須先使用干擾源定位系統(tǒng)先定位出干擾源的大致區(qū)域（一般在10km×60km范圍內），然后再使用地面搜測系統(tǒng)到該區(qū)域進行拉網(wǎng)式搜測，方能最終搜查到干擾站。近兩年的不明干擾站地面搜測實踐表明，要在幾百平方公里的范圍內搜查到干擾站的確切位置并非易事，手持全向喇叭天線進行拉網(wǎng)搜測，是很難迅速搜測到不明干擾站微波信號源的確切位置的，搜測效率和成功率都非常低，其主要原因是：手持全向天線搜測靈敏度低，有效搜測距離不夠遠；城市建筑物對電磁波的傳播形成了阻擋和反射，在地面搜測到的干擾信號多數(shù)是反射信號，且信號電平較弱；每次干擾載波出現(xiàn)的持續(xù)時間短，很可能還沒有搜測到信號，干擾載波就已經(jīng)消失了。

在互聯(lián)網(wǎng)上搜索國內外關于地面搜測干擾地球站技術方面的相關文獻，只查詢到國內的一篇論文[1]，該論文論述的干擾站地面搜測技術就是使用手持全向搜測天線逼近式搜測技術。如上所述，這種搜測技術的搜測效率不高，不能滿足實用要求。筆者也咨詢過曾到歐洲衛(wèi)星公司調研過的同行，了解到歐洲衛(wèi)星公司曾經(jīng)使用過直升機來搜測干擾站，但此法成本太高，且受到空間飛行管制，在我國難以實現(xiàn)。

2.搜測天線的選擇

從增大有效搜測距離的角度考慮，應盡量選擇口徑大、增益高的拋物面式搜測天線。但是，從便于運輸、攜帶和操作使用的角度考慮，又應選擇口徑小的手持喇叭天線。

筆者分別使用Ku波段1.2米拋物面天線和手持喇叭天線（20dB增益）對Ku9米天線發(fā)射的上行微波信號接收進行了對比測試。測量結果（參見圖一和圖二）表明，這兩種天線都能有效接收到目標天線發(fā)射的微波信號，但前者運輸攜帶和操作使用非常不方便，后者雖然接收信號電平較低，但也可以有效搜測到上行信號。

因此，筆者決定采用便于攜帶的手持喇叭天線作為干擾站地面搜測天線，但適當加大了喇叭天線的口徑。最終定制的C波段喇叭天線的接收增益為20dB，Ku波段喇叭天線的接收增益為25dB。

將定制的低噪聲放大器與喇叭天線組裝成搜測系統(tǒng)后，筆者用該系統(tǒng)進行了多次模擬干擾站搜測和實際干擾站搜測。搜測實踐證明，該搜測系統(tǒng)的搜測靈敏度滿足搜測要求。圖三——圖五分別是使用該搜測系統(tǒng)在北京、河北和山東實際搜測到的干擾站發(fā)射的上行信號頻譜圖。

圖一　使用Ku1.2米拋物面天線測量到的11公里之外地球站天線發(fā)射的微波信號頻譜

圖二　使用Ku喇叭天線測量到的11公里之外地球站天線發(fā)射的微波信號頻譜

圖三　在北京搜測到的干擾信號頻譜

圖四　在河北搜測到的干擾信號頻譜

圖五　在山東搜測到的干擾信號頻譜

3.典型不明干擾站天線在地平平面上的旁瓣輻射方向圖

要想計算出一副確定增益喇叭天線能夠搜測到一個典型地球站輻射微波信號的最遠距離，必須首先計算出該地球站在地平面各個方向上輻射的EIRP，而要做到這一點，就必須先計算或測量出該地球站天線在地平平面上的輻射方向圖。此方向圖與我們平常在用戶地球站入網(wǎng)驗證測試中所測的天線方向圖是不一樣的，它是指該地球站天線（在一定的仰角下）在地平平面各個方向上旁瓣輻射增益與方向角的函數(shù)曲線，而后者是指天線在垂直平面上（EL）或者在一定仰角的斜平面上（AZ）的旁瓣輻射增益與方向角的函數(shù)曲線。圖六是實測的一副9米Ku天線（仰角為50度）在地平平面上的天線旁瓣輻射方向圖。

圖六 9米Ku天線在地平平面輻射方向圖

圖七 無阻擋C波段信號頻譜

圖八 墻體阻擋后C波段信號頻譜

圖九 墻體反射的C波段信號頻譜

圖十 無阻擋Ku波段信號頻譜

圖十一 墻體阻擋后Ku波段信號頻譜

圖十二 墻體反射的Ku波段信號頻譜

4.典型城市建筑物對微波傳輸?shù)淖钃跛p和反射衰減

如果搜測點與干擾站之間有建筑物，則搜測天線指向干擾站方向時接收到的干擾信號電平會很微弱，甚至測量不到。因為建筑物會對穿透它的微波信號會造成很大的衰減。但是搜測喇叭天線很可能在其他方向上接收到干擾信號，因為其他建筑物表面會對微波信號形成反射。圖七——圖九分別是C波段電磁波無阻擋時、經(jīng)墻體阻擋后和經(jīng)墻體反射后測量到的信號頻譜，圖十——圖十二分別是Ku波段電磁波無阻擋時、經(jīng)墻體阻擋后和經(jīng)墻體反射后測量到的信號頻譜。

多次測量結果表明：城市建筑物對微波信號（C和Ku頻段）的阻擋衰減比反射衰減大，尤其是鋼筋混凝土墻體；城市建筑物對14GHz頻段信號的阻擋衰減比對6GHz頻段信號的阻擋衰減要大得多。

查閱國外有關城市建筑物對微波信號的阻擋衰減和反射衰減方面的研究資料，證明了筆者上述測量分析結論的正確性。圖十三的仿真曲線摘自論文《Effects of reinforced concrete structures on RF communications》[2]，該曲線說明了鋼筋混凝土墻體對6GHz頻段微波信號的阻擋衰減遠比反射衰減大。

由此可見，如果在建筑物密集的城市環(huán)境中搜測微波信號，大多數(shù)情況下測量到的是建筑物反射的微波信號，而不是地球站直接輻射的微波信號，這對通過測量信號來源的方位來定位干擾站的具體位置帶來了誤導。解決此問題的方法是，選擇高層建筑物的樓頂或附近的山頂來進行測量，以盡量接收到直射信號，避免反射信號。

圖十三 30cm厚鋼筋混凝土墻體對6GHz以下頻段微波信號的阻擋衰減和反射衰減仿真曲線

5.喇叭天線的最大搜測距離

所謂“喇叭天線的最大搜測距離”，是指一副確定增益的喇叭天線能夠搜測到一個典型干擾站輻射的微波信號的平均最遠距離，在以此距離為半徑圍繞干擾站的圓周上，至少有一半地點能夠搜測到干擾站上行的信號。要想計算出距離，必須已知典型地球站功放輸出功率、典型地球站在地平面各個方向上的增益（地平方向圖）、搜測喇叭天線的G/T值。其中后兩個參數(shù)已分別在本文的第2節(jié)和第3節(jié)中給出，至于典型地球站功放輸出功率，可以設為10W，因為絕大多數(shù)用戶地球站的功放額定功率都會大于此值。為方便計算和驗證，筆者使用EXCEL表來計算最大搜測距離，表一、表二、表三和表四分別是下列四種環(huán)境下的喇叭天線最大搜測距離計算表：C波段無建筑物阻擋環(huán)境、C波段有建筑物阻擋和反射環(huán)境、Ku波段無建筑物阻擋環(huán)境、Ku波段有建筑物阻擋和反射環(huán)境。

計算結果表明：20dB增益的C波段喇叭天線在無建筑物阻擋環(huán)境下的最大搜測距離約為21.5公里，在有建筑物阻擋和反射環(huán)境下的最大搜測距離約為6.8公里；25dB增益的Ku波段喇叭天線在無建筑物阻擋環(huán)境下的最大搜測距離約為16.4公里，在有建筑物阻擋和反射環(huán)境下的最大搜測距離約為5.2公里。

6.衛(wèi)星定位區(qū)域內干擾信號搜尋方法和信號源定位方法

搜測干擾站可分為兩個主要步驟：第一步，在衛(wèi)星干擾源定位系統(tǒng)定位出的大致區(qū)域內搜測到干擾站所發(fā)出的上行微波信號；第二步，到多個地點進行測量，分別測出干擾信號源的方向，然后在地圖上交匯出干擾站的確切位置。為此還必須研究高效的干擾信號搜尋方法和高效的信號源測向定位方法。前者要求快速，后者要求準確。

得益于近年來衛(wèi)星干擾源定位技術的進步（使用三星定位和便攜式擴頻參考站兩項新技術），目前國產(chǎn)衛(wèi)星干擾源定位系統(tǒng)的定位精度已經(jīng)達到10km×60km，用一個增益為20dB的C波段或增益為25dB的Ku波段手持喇叭天線可以在10km（東西）×60km（南北）區(qū)域內較迅速搜測到干擾站所發(fā)出的上行微波信號。

通過模擬干擾站搜測實驗和實際干擾站現(xiàn)場搜測，筆者發(fā)現(xiàn)最迅速的搜索路線是沿著衛(wèi)星定位區(qū)域的東西中軸線的南北方向搜索（參見圖十四中的中間一條豎向箭頭線），因為手持喇叭天線在建筑物密集的城市區(qū)域的有效搜測半徑為5公里，剛好可以覆蓋衛(wèi)星定位區(qū)域的東西邊緣，這樣沿著南北方向搜索一次，就搜遍了整個衛(wèi)星定位區(qū)域，肯定可以搜索到干擾信號，搜測效率最高。

如果因為鄰星條件不佳導致衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位出的干擾站所在區(qū)域范圍比較大，比如20km×120km，則再沿著與上述中軸線東西兩側相距7公里的兩條平行線進行搜測兩趟即可，如圖十四中左右兩邊的豎向箭頭線。

在衛(wèi)星干擾源定位系統(tǒng)定位出的區(qū)域內搜測到干擾站所發(fā)出的上行微波信號之后，下一步搜測工作就是選擇多點測量，分別測出各點接收到的干擾信號的真實方向，在地圖上交匯出干擾站的確切位置。其中各測量點的布局方法是決定搜測定位出干擾站的具體位置工作效率的關鍵因素。筆者通過在北京市、石家莊市和山東萊陽市的多次搜測干擾站實踐，總結出一套相對高效的搜測點布局方法：

第一步，以搜索信號階段搜測到最強信號的地點為中心，分別以4公里和8公里為半徑的兩個圓周上，在地圖上選擇8–10個點作為測量地點，然后在這8–10個測量地點附近（±1公里）分別找到一個高層建筑物的樓頂作為測量點。之所以選擇高層建筑物作為測量點，是為了避免把反射信號方向誤當作干擾站所在方向。之所以選擇8–10個點進行測量，是出于兩方面考慮：一是防止某個測量點搜測不到干擾信號（被阻擋了，或者碰巧處在干擾站天線的零旁瓣方向），二是為了在交匯信號源時剔除掉那些測量到反射信號方向的測量點，避免錯誤定位干擾實際位置。

第二步，依次登上這8–10座高層建筑物的樓頂上搜測干擾信號，并測量信號最強方向的方位角，將其畫在地圖上。需要注意的是，在樓頂上用搜測系統(tǒng)搜測干擾信號時，還需要用望遠鏡來輔助搜查干擾站天線和幫助鑒別信號是直射信號還是反射信號。

第三步，查看分析地圖上8–10條直線的交匯點，理想情況下所有線應交匯于一個點，但大多數(shù)情況下，有部分直線交匯于一個很小的區(qū)域(形成一個小的多邊形)，其余直線兩兩交匯，這種情況下，多條直線交匯的區(qū)域很可能是干擾站的所在位置。

第四步，到多條直線交匯區(qū)域的現(xiàn)場進行搜查，既目測又電測，此時很可能就發(fā)現(xiàn)了干擾站天線。另一種可能是能測量到非常強的信號，但由于圍墻或建筑群阻擋，看不到干擾站天線。如果是后一種情形，一種辦法是到互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星地圖上查看，另一種辦法是在附近尋找一個高層建筑物登上其樓頂查看。

第五步，如果在某地既看到了地球站天線，又測量到了很強的干擾信號，則可以確認查找到了干擾站，否則還需繼續(xù)搜測。

第六步，保存頻譜圖，記錄已查找到的干擾上行站地址和單位名稱。

圖十四 搜測干擾站信號的最佳行車路線圖

7.總結

干擾站地面搜測技術研究中每一個問題的解決都是以實際測量實驗為依據(jù)，筆者已將相應的研究成果應用在實際干擾站搜測實踐中，取得了很好的效果，驗證了該技術的可行性和高效率。

[1]《一種新的衛(wèi)星地面干擾源查找方法》，國家無線電監(jiān)測中心劉海洋、牛剛、肖秀麗

[2]《Effects of reinforced concrete structures on RF communications》， Roger A. Dalke等

[3]《用于2至31GHz頻率范圍協(xié)調和干擾評估的衛(wèi)星固定業(yè)務地球站天線的參考輻射方向圖》，ITU-R S.465-6建議書， 2010年1月

[4]《計算自由空間損耗》，ITU-R P.525-2建議書， 1994年

[5]《評估在頻率高于約0.1 GHz時地球表面上電臺之間干擾的預測程序》，ITU-R P.452-14建議書，2009年10月