利用極軌衛(wèi)星接收天線定位電磁干擾源

張 寶

（國(guó)家衛(wèi)星氣象中心北京氣象衛(wèi)星地面站，北京 100094）

0 引言

通信技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，在給人們的工作生活帶來巨大便利的同時(shí)，也使得地面電磁環(huán)境越來越復(fù)雜。對(duì)于衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站來說，電磁環(huán)境的好壞直接影響衛(wèi)星資料接收的成功與否。

北京地面站[1]（簡(jiǎn)稱地面站）近年來一直受到周邊電磁環(huán)境的影響。地面站接收的數(shù)據(jù)資料以L、X 波段的數(shù)據(jù)為主[2]，由于周邊電磁環(huán)境的影響，常常造成衛(wèi)星云圖誤碼率高等問題。

解決電磁干擾問題首先需要定位干擾源。通常的做法是向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理委員會(huì)提交申訴[3]，并由其對(duì)周邊的電磁干擾源進(jìn)行分析、排查[4]。地面站只能憑借對(duì)周邊環(huán)境的了解以及多年的工作經(jīng)驗(yàn)，猜測(cè)干擾源的位置。由于缺少周邊電磁環(huán)境的準(zhǔn)確資料，結(jié)果的準(zhǔn)確性可想而知。

該文主要討論利用地面站風(fēng)云三號(hào)數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中現(xiàn)有的天線、信道以及測(cè)量設(shè)備對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行捕獲、分析，采用多站測(cè)向原理對(duì)干擾源進(jìn)行定位。

1 風(fēng)云三號(hào)數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)概述

風(fēng)云三號(hào)地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)十分復(fù)雜，其主要分系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 風(fēng)云三號(hào)數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)主要分系統(tǒng)組成

其核心部分站運(yùn)行管理分系統(tǒng)中記錄并存儲(chǔ)了大量數(shù)據(jù)接收期間天線的測(cè)角數(shù)據(jù)、信道系統(tǒng)性能指標(biāo)和數(shù)據(jù)接收質(zhì)量報(bào)告等文件，并采用安捷倫N9020A 頻譜分析儀實(shí)時(shí)記錄帶寬內(nèi)信號(hào)的頻譜信息。

天線伺服及饋源分系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)型卡氏雙反射面天線，天線口徑12 m，采用方位、俯仰和傾斜轉(zhuǎn)臺(tái)三軸式天線座。運(yùn)動(dòng)范圍方位±350°，俯仰0°～180°，傾斜轉(zhuǎn)臺(tái)±170°，從而實(shí)現(xiàn)全方位俯仰5°以上信號(hào)全覆蓋接收。由饋源、饋線、低噪聲放大器（LNA）、跟蹤下變頻器和跟蹤接收機(jī)等主要設(shè)備組成射頻信號(hào)接收系統(tǒng)，接收衛(wèi)星下發(fā)的X 波段和L 波段信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行低噪聲放大后，傳輸給跟蹤設(shè)備和信道系統(tǒng)。L 波段接收頻率范圍1 698 MHz～1 710 MHz，X 波段接收頻率范圍7 500 MHz～8 500 MHz。跟蹤精度0.1 倍的半功率波束寬度，多普勒品議±250 KHz 內(nèi)，捕獲時(shí)間小于1 s。

2 電磁干擾分類

空間電磁環(huán)境是由在空間中電磁波、電磁場(chǎng)之間的電磁感應(yīng)、干擾等現(xiàn)象共同構(gòu)成的。按照不同的來源可以大致分為自然環(huán)境因素和人為環(huán)境因素[5]。地面站在選址時(shí)已經(jīng)對(duì)自然環(huán)境進(jìn)行了充分的考慮，但是隨著周邊的建設(shè)發(fā)展，人為環(huán)境因素成為影響電磁環(huán)境的主導(dǎo)因素[6]。

人為環(huán)境因素主要包括4 個(gè)方面。1）來自雷達(dá)系統(tǒng)的干擾信號(hào)。2）來自調(diào)頻廣播、電視、導(dǎo)航、無線電臺(tái)站等電磁發(fā)射系統(tǒng)的中波和短波信號(hào)。3）來自移動(dòng)通信的諧波發(fā)射干擾信號(hào)。4）來自工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療、商業(yè)領(lǐng)域的電磁輻射信號(hào)等。

3 測(cè)向定位技術(shù)原理

測(cè)向定位技術(shù)主要檢測(cè)干擾源到達(dá)測(cè)試點(diǎn)的方位角度，通過多個(gè)測(cè)試點(diǎn)檢測(cè)的數(shù)據(jù)，利用干擾源和測(cè)試點(diǎn)之間的幾何關(guān)系，通過數(shù)學(xué)運(yùn)算確定干擾源的位置。主要采用多站測(cè)向定位的方式來獲取干擾源的位置。

在平面直角坐標(biāo)系中，假設(shè)干擾源所在位置坐標(biāo)為T（x，y），測(cè)試點(diǎn)的坐標(biāo)C1（x1，y1）和C2（x2，y2）。測(cè)試點(diǎn)與干擾源所在位置夾角分別為θ1和θ2。沿這2 個(gè)方位角分別做射線，其交點(diǎn)即為干擾源所在位置。其示意圖如圖2 所示。

根據(jù)測(cè)試站與干擾源位置之間的幾何關(guān)系，利用解析幾何的計(jì)算方法，可以得出干擾源位置坐標(biāo)D（x，y）：

在實(shí)際的交匯定位計(jì)算中，由于測(cè)向誤差，兩站交匯定位的方式往往受到很大影響，因此，在實(shí)際中經(jīng)常采用三站甚至三站以上的測(cè)試站進(jìn)行交匯定位。多站交匯定位示意圖如圖3 所示。

圖2 干擾源位置示意圖

圖3 三站交匯定位示意圖

根據(jù)示向線與干擾源的位置關(guān)系，計(jì)算可以的到干擾源位置坐標(biāo)。

4 測(cè)試條件及方法

主要測(cè)試設(shè)備包括天線、電纜、低噪聲放大器、頻譜儀等，所有設(shè)備性能指標(biāo)滿足測(cè)試需求。測(cè)向天線所在位置地勢(shì)平坦，周邊無遮擋。使用差分GPS 進(jìn)行尋北，標(biāo)記為天線0°方位。所有設(shè)備開機(jī)預(yù)熱，設(shè)置頻譜分析儀參數(shù)。將天線方位、俯仰角度置于0°位置，根據(jù)運(yùn)行管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，大致劃分出干擾信號(hào)所在區(qū)間，在此區(qū)間范圍內(nèi)順時(shí)針緩慢勻速改變方位角度，搜索干擾信號(hào)。當(dāng)出現(xiàn)干擾信號(hào)時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合業(yè)務(wù)運(yùn)行中記錄的干擾頻譜特性判斷信號(hào)的真實(shí)性。對(duì)于微小信號(hào)可以采用在低噪聲放大器前端加10 dB 衰減器。當(dāng)頻譜儀記錄的干擾達(dá)到最大值時(shí)，記錄天線方位角度。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，在地圖中畫出測(cè)試點(diǎn)到干擾源之間的線段。另選2 處測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)多站交匯定位原理，假設(shè)不存在測(cè)向誤差，那么3 條線段將會(huì)交匯于1 點(diǎn)，該位置即為干擾源所在位置。

5 誤差分析

在測(cè)向過程中，示向線與實(shí)際干擾位置方位角度之差稱為測(cè)向誤差。在不同的測(cè)試設(shè)備、不同的測(cè)試時(shí)間和測(cè)試地點(diǎn)條件下，得到的測(cè)向結(jié)果也有可能不同，其準(zhǔn)確度涉及電離層變化等外部因素及測(cè)向設(shè)備本身的因素。

在誤差數(shù)據(jù)的干擾下，實(shí)際測(cè)量結(jié)果所指示的干擾源方向并不是一條射線，而是以測(cè)向站為頂點(diǎn)輻射的扇形區(qū)域。因此，在三站交匯測(cè)向的情況下，3 個(gè)測(cè)向扇形區(qū)域相交形成一個(gè)交匯區(qū)域，即為干擾源所在的目標(biāo)區(qū)間。

在測(cè)試設(shè)備性能一致、測(cè)試時(shí)間及測(cè)試站周邊電磁環(huán)境大致相同的情況下，通過多次測(cè)量取得平均值的方式，可以近似的認(rèn)為三站測(cè)向的誤差一致，則將干擾源目標(biāo)區(qū)間的內(nèi)心（該點(diǎn)到各邊的距離相等）作為目標(biāo)干擾源坐標(biāo)位置的估計(jì)值是合理的。

6 結(jié)論

在電磁環(huán)境越來越惡劣的情況下，快速排除干擾，定位干擾源，能夠?yàn)楹罄m(xù)改善電磁環(huán)境打下良好的基礎(chǔ)。北京站極軌衛(wèi)星系統(tǒng)天線指向精度高，架設(shè)高度滿足測(cè)向要求，系統(tǒng)測(cè)試靈敏度高，覆蓋范圍大，配合調(diào)度系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中積攢的大量數(shù)據(jù)，能夠快速有效捕獲干擾信號(hào)，確定干擾源所在方位值，利用多站交匯測(cè)向原理，在地圖中準(zhǔn)確標(biāo)定干擾源的可能位置。該方法在實(shí)際干擾源查找工作中效果顯著，在減少人員的工作量和人為誤差的同時(shí)，增加了測(cè)試的準(zhǔn)確性和可靠性。