多通道衛(wèi)星頻率資源監(jiān)測系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

宋成勇，趙 坤，張立東，劉恩敏

（78156 部隊(duì)，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(qiáng)、抗干擾性強(qiáng)，覆蓋面積大成為應(yīng)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(tǒng)日趨增多頻率資源使用變更頻繁，臺站監(jiān)測任務(wù)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(shí)，還存在頻譜監(jiān)控設(shè)備數(shù)量匱乏的情況；同時(shí)，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(shí)際監(jiān)測中即便經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)熟練的值勤人員，在衛(wèi)星通信頻譜監(jiān)控中也會因?yàn)楸O(jiān)控頻點(diǎn)多、時(shí)間消耗長，使得工作效率降低、監(jiān)控結(jié)果不可靠。當(dāng)前，我們迫切需要能衛(wèi)星通信地面站對各衛(wèi)星通信網(wǎng)系使用的衛(wèi)星頻率資源情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，掌握轉(zhuǎn)發(fā)器資源利用情況，排除可能出現(xiàn)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(wǎng)系運(yùn)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(shù)量和型號日趨增多、監(jiān)測任務(wù)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(shù)問題，在衛(wèi)星地面站頻譜監(jiān)測設(shè)備有限的情況下，必然加重現(xiàn)場值勤人員的工作量，降低了工作效率，監(jiān)控結(jié)果容易出現(xiàn)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(wǎng)系使用的衛(wèi)星頻率資源情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)干擾信號日實(shí)時(shí)告警，掌握轉(zhuǎn)發(fā)器資源利用情況，及時(shí)排除（或規(guī)避）可能出現(xiàn)的衛(wèi)星通信頻率自身干擾和外部干擾，為上級業(yè)務(wù)管理部門在第一時(shí)間提供有效的決策支持。

各種新型衛(wèi)星通信系統(tǒng)開通運(yùn)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(xiàn)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(wù)保障全時(shí)通、全域通、全網(wǎng)通、全程通。

3 主要研究內(nèi)容目標(biāo)及內(nèi)容

3.1 研究目標(biāo)

該項(xiàng)目硬件部分的信號處理器由8 ～10個(gè)射頻變換模塊組成，對來自不同衛(wèi)星通信系統(tǒng)的中頻或射頻信號進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；信號分析系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)服務(wù)器和軟件系統(tǒng)組成，完成對衛(wèi)星信號的對比、分析、存儲和信號預(yù)警功能；軟件功能包括：在一個(gè)界面上同時(shí)觀測8 ～10顆衛(wèi)星信號實(shí)時(shí)情況，對8 ～10顆衛(wèi)星信號進(jìn)行分析、存儲，對衛(wèi)星信號具有主動(dòng)研判、聲光告警功能，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種不正常信號。

3.2 研究內(nèi)容

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

（1）結(jié)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(shè)備，可利用1套系統(tǒng)，對8 ～10顆衛(wèi)星的下行信號進(jìn)行集中監(jiān)測。

（2）針對監(jiān)控內(nèi)容無法在監(jiān)測指揮大廳進(jìn)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(jìn)行集中顯示，也可上傳至上級業(yè)務(wù)部門。

（3）在衛(wèi)星通信信號出現(xiàn)異常時(shí)，增加主動(dòng)告警的功能。

（4）動(dòng)態(tài)展示衛(wèi)星通信系統(tǒng)運(yùn)行態(tài)勢和資源利用情況。

（5）在衛(wèi)星站原有業(yè)務(wù)處理和請示報(bào)告流程中，增加衛(wèi)星通信監(jiān)測數(shù)據(jù)集中存放，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、回放和分析。

3.3 研究設(shè)計(jì)方案

3.3.1 總體方案

此項(xiàng)目研究，主要從硬件設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)庫搭建幾個(gè)方面進(jìn)行。一是要對現(xiàn)有各衛(wèi)星通信系統(tǒng)下行信號接口進(jìn)行梳理，看各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是否滿足建設(shè)要求。二是著重設(shè)計(jì)多信道衛(wèi)星通信信號監(jiān)控硬件設(shè)備，充分考慮接收的下行衛(wèi)星通信信號頻率范圍，選取運(yùn)行穩(wěn)定、電磁兼容、價(jià)格適中的硬件設(shè)備。三是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控平臺軟件的開發(fā)、數(shù)據(jù)存儲（包括格式和保存時(shí)間）、監(jiān)控界面集中呈現(xiàn)、自動(dòng)告警信息的推送。

3.3.2 主要技術(shù)分析

該系統(tǒng)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(tǒng)運(yùn)行于Windows 操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸通過TCP/IP 協(xié)議完成，數(shù)據(jù)處理儲存部分則采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)。該系統(tǒng)研究從理論和軟硬件方面保障系統(tǒng)是可實(shí)施的，且具有科學(xué)性。

信號處理器實(shí)際上需要實(shí)現(xiàn)頻譜儀部分功能，首先要進(jìn)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(chǔ)上，接著進(jìn)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(shè)計(jì)信號處理模塊，針對不同頻點(diǎn)和不同中頻帶寬，采用多輸入多輸出架構(gòu)，鑒于實(shí)際衛(wèi)星信號可分為2個(gè)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(shè)計(jì)信號接收機(jī)處理不同頻段的衛(wèi)星信號并轉(zhuǎn)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(tǒng)模塊的核心部分，它根據(jù)信號處理模塊數(shù)據(jù)分析與處理多通道的射頻信號、干擾信號等并形成相應(yīng)的操作決策，監(jiān)控中心模塊根據(jù)信號分析模塊決策調(diào)整相關(guān)通道射頻、處理電磁干擾并在終端顯示。

圖2 系統(tǒng)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(tǒng)的人機(jī)結(jié)合部分，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控多路衛(wèi)星信號，自適應(yīng)處理監(jiān)控任務(wù)、異常信號告警等功能，保障監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高異常信號發(fā)現(xiàn)與處理的及時(shí)性。

分布式系統(tǒng)融合框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。為保證程序計(jì)算效率以及長期運(yùn)行的穩(wěn)定性，該系統(tǒng)智能監(jiān)控平臺部分采用C++語言開發(fā)，系統(tǒng)運(yùn)行于Windows 操作系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行硬件CPU 至少大于5 核，內(nèi)存大于16G。為保證衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性以及對外站衛(wèi)星通信設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控的有效性，數(shù)據(jù)傳輸通過TCP/IP 協(xié)議完成。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理存儲部分則采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)。

4 風(fēng)險(xiǎn)分析

該研究課題對高頻段硬件變頻后的衛(wèi)星中頻數(shù)據(jù)的采集、處理與分析，干擾與信號的模式化識別，需要經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)調(diào)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號時(shí)，如果信號幅度過低或信號不穩(wěn)定時(shí)，可能存在失真，必要時(shí)，有的節(jié)點(diǎn)可增加信號放大器。

5 應(yīng)用前景分析

5.1 應(yīng)用效益顯著

通過該研究設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)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(wǎng)系使用的衛(wèi)星頻率資源情況等進(jìn)行全實(shí)時(shí)監(jiān)控，干擾信號日實(shí)時(shí)告警，掌握轉(zhuǎn)發(fā)器資源利用情況、頻率資源的優(yōu)化，及時(shí)排除（或規(guī)避）可能出現(xiàn)的衛(wèi)星通信頻率自身干擾和外部干擾。

突出全面掌控實(shí)時(shí)衛(wèi)星通信運(yùn)行態(tài)勢，強(qiáng)化對各衛(wèi)星通信網(wǎng)內(nèi)各衛(wèi)星站頻率使用的監(jiān)管，提高衛(wèi)星通信網(wǎng)系維護(hù)指標(biāo)，順利完成各類重要通信保障，衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)保障全時(shí)通、全域通、全網(wǎng)通、全程通。

能夠?qū)Τ霈F(xiàn)的衛(wèi)星通信資源故障進(jìn)行預(yù)判，為上級業(yè)務(wù)管理部門在第一時(shí)間提供有效的決策支持；通過與應(yīng)急指揮中心指揮決策系統(tǒng)對接，指導(dǎo)衛(wèi)星資源使用進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益明顯

目前國內(nèi)頻譜儀（18-20GHz、Ku 頻段）的價(jià)格，滿足監(jiān)測需求的單臺頻譜儀價(jià)格在28萬元左右，按照在地面站工作9個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)需求，至少需要8 ～10臺，加上統(tǒng)一的監(jiān)控平臺搭建的費(fèi)用，經(jīng)費(fèi)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(tǒng)，單個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)費(fèi)用在2萬以內(nèi)（量產(chǎn)以后價(jià)格更低），一套系統(tǒng)只需購置8 ～10個(gè)節(jié)點(diǎn)即可滿足需求，總建設(shè)費(fèi)用（含監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件與監(jiān)控平臺）在60萬元以內(nèi)；如果推廣運(yùn)用，經(jīng)濟(jì)效益更佳。該系統(tǒng)建設(shè)周期短、改造成本低、維護(hù)簡單，可先行建設(shè)系統(tǒng)試用，然后在大范圍進(jìn)行推廣，大大節(jié)約裝備投入資金。

6 結(jié)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(chǔ)、硬件研制和軟件研發(fā)乃至系統(tǒng)設(shè)計(jì)是完全可以實(shí)現(xiàn)的，可行性較高、運(yùn)行穩(wěn)定。