利用無人機開展Ka頻段衛(wèi)星終端監(jiān)測研究

葉淋美，林于新，陳弘揚

（國家無線電監(jiān)測中心福建監(jiān)測站，福建 廈門 361000）

0 引言

Ka頻段衛(wèi)星終端旁瓣信號強度十分微弱，主要由于Ka頻段衛(wèi)星終端波束窄，旁瓣信號微弱。拋物面天線波束寬度與天線口徑、工作頻率有關(guān)，天線口徑越大或工作頻率越高，天線波束寬度越窄。Ka頻段衛(wèi)星終端收發(fā)天線通常采用拋物面天線時，半功率波束寬度在1°以內(nèi)[1]。主瓣寬度越窄，反之拋物面天線的旁瓣范圍越大。從方向性天線應(yīng)用角度，主旁瓣增益比越大越好。

傳統(tǒng)無線電監(jiān)測技術(shù)方法具有一定的局限性：地面微弱電臺查找效率低下。無線電干擾源查找定位常見的做法是采用移動逼近方式，主要利用便攜設(shè)備監(jiān)測目標信號強度和確定信號來波方向。地面監(jiān)測技術(shù)手段在地面無線電監(jiān)測業(yè)務(wù)中發(fā)揮了重要技術(shù)作用[2]，但對于衛(wèi)星終端監(jiān)測卻存在較大局限，主要原因是衛(wèi)星終端天線具有較高的方向性，衛(wèi)星終端工作時天線主瓣始終對準其通信衛(wèi)星，地面監(jiān)測平面遠遠低于衛(wèi)星軌道高度，只能監(jiān)測到其微弱的旁瓣信號，很大程度增加了地面監(jiān)測難度。

需要一種有效查找微弱信號的技術(shù)手段。地面監(jiān)測存在困難的根本原因是在進行地面監(jiān)測時監(jiān)測路徑損耗較大，衛(wèi)星終端旁瓣微弱信號經(jīng)無線電空間輻射和多徑損耗作用，到達監(jiān)測天線口面處的信號強度較為微弱。為達到目標監(jiān)測效果，減小監(jiān)測路徑傳播損耗或提升監(jiān)測設(shè)備性能是可能實現(xiàn)的辦法。大部分無線電監(jiān)測站設(shè)備均能夠配備國內(nèi)外高水平監(jiān)測設(shè)備，因此解決衛(wèi)星終端監(jiān)測的難點在于如何減小監(jiān)測傳播路徑損耗帶來的問題。利用無人機平臺監(jiān)測地面輻射源，可以增大監(jiān)測高度，減小監(jiān)測路徑傳播損耗，從而提高對Ka衛(wèi)星終端的微弱旁瓣監(jiān)測能力。

1 無人機平臺監(jiān)測測試

本文研究的無人機平臺監(jiān)測即利用無人機搭載無線電監(jiān)測設(shè)備開展無線電頻譜監(jiān)測，將無人機和無線電監(jiān)測設(shè)備統(tǒng)稱為無人機平臺監(jiān)測系統(tǒng)。這里的無人機平臺監(jiān)測測試具體指利用無人機平臺監(jiān)測系統(tǒng)接收來自測試對象（衛(wèi)星終端）目標頻率信號的監(jiān)測測試。

1.1 發(fā)射系統(tǒng)

測試鏈路發(fā)射系統(tǒng)為改裝的Ka衛(wèi)星終端，改裝方法如圖1所示，它是由某靜止軌道衛(wèi)星便攜終端、信號源、合路器和一些零部件組成。改裝后，信號源產(chǎn)生自定義測試要求的基帶調(diào)制信號經(jīng)過等效口徑為0.75 m的拋物面天線向空中輻射能量。

圖1 發(fā)射終端改裝示意圖

利用改裝后的衛(wèi)星終端進行天線伺服人工控制和調(diào)制器參數(shù)配置，可實現(xiàn)非靜止衛(wèi)星終端發(fā)射性能模擬。待測試的衛(wèi)星終端發(fā)射參數(shù)如表1所示。

表1 衛(wèi)星終端性能指標

1.2 Ka頻段無人機平臺監(jiān)測系統(tǒng)

無人機平臺監(jiān)測系統(tǒng)由無線電監(jiān)測無人機、無線電監(jiān)測地面站和緊急接管用的遙控器三部分組成，各部分之間通過無線數(shù)據(jù)鏈接。地面站上傳飛行與監(jiān)測命令，無人機下傳監(jiān)測與飛行數(shù)據(jù)。無人機受自動駕駛儀控制，通過搭載的數(shù)傳單元接收地面站上傳的監(jiān)測、遙控或飛行指令，自動執(zhí)行后，下傳監(jiān)測和飛行數(shù)據(jù)。除了正常地執(zhí)行地面站上傳的各類命令，自動駕駛儀還要實時監(jiān)控?zé)o人機的飛行姿態(tài)、電池電量等參數(shù)，一旦有參數(shù)到達臨界值，將自動返航，以保證飛行安全。

監(jiān)測接收機是實施無線電信號監(jiān)測的主要功能設(shè)備，與地面監(jiān)測接收機用途一樣，無人機搭載的監(jiān)測接收機具備無線電監(jiān)測測量基本功能，能夠完成信號頻率、信號帶寬、信號強度等基本指標的測量。影響接收機監(jiān)測性能的關(guān)鍵因素是接收機靈敏度指標，因此配備高性能接收機對于微弱信號的監(jiān)測具有重要意義。

監(jiān)測系統(tǒng)接收天線采用Ka頻段喇叭天線，具有較強的方向性，提供一定的天線接收增益。天線極化方式為線極化，采用卡扣方式嵌入在無人機支撐架底部，能夠?qū)崿F(xiàn)垂直和水平極化方式變換。采用線極化天線作為監(jiān)測天線，既能滿足線極化信號監(jiān)測，也能監(jiān)測衛(wèi)星圓極化信號，但需考慮極化匹配損耗。

LNB主要由低噪聲放大器和下變頻器兩部分組成，低噪聲放大器主要作用是保持低噪聲環(huán)境下的信號能量放大。在一定范圍內(nèi)，放大倍數(shù)越大，噪聲系數(shù)越低，越有利于微弱信號的監(jiān)測。下變頻器的主要作用是將接收的信號從較高頻段搬移到接收機監(jiān)測頻段，擴展了監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測頻段。無人機平臺監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備性能指標如表2所示。

表2 無人機平臺監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備性能指標

2 無人機平臺監(jiān)測覆蓋能力論證

2.1 驗證思路

為了論證無人機平臺監(jiān)測系統(tǒng)對Ka衛(wèi)星終端的監(jiān)測能力，采用網(wǎng)格化監(jiān)測獲得距離發(fā)射源不同水平距離上空的無人機信號強度監(jiān)測值。該測試方法的基本思路是：通過測量不同水平距離的信號強度，找出無人機監(jiān)測對目標信號監(jiān)測的臨界距離，該距離為無人機監(jiān)測的覆蓋最遠距離。通過進行測量值數(shù)據(jù)推演，獲得目標信號的輻射趨勢，進而判斷針對特定輻射源輻射特征或特定監(jiān)測覆蓋需求的無人機監(jiān)測系統(tǒng)性能指標值。

2.2 測試分析

圖2為無人機監(jiān)測平臺對發(fā)射參數(shù)預(yù)先設(shè)定的衛(wèi)星終端發(fā)射參數(shù)進行測試的數(shù)據(jù)結(jié)果。測試結(jié)果顯示，無人機監(jiān)測鏈路發(fā)射源等效輻射功率為32.5 dBm時，無人機監(jiān)測覆蓋半徑約為6 km。

對測量數(shù)據(jù)進行二項式擬合，擬合曲線如圖2中粗虛線（TestData Fit）所示，與經(jīng)修正的自由空間傳播模型（RevFSL）比較，具有較高的一致性。因此，當(dāng)無人機監(jiān)測鏈路目標信號強度發(fā)生變化時，通過變換自由空間傳播模型修正系數(shù)，可以推導(dǎo)獲得無人機監(jiān)測平臺對特定目標的監(jiān)測覆蓋；當(dāng)無人機監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)指標不同時，可以通過查找經(jīng)修正的自由空間傳播模型信號強度預(yù)測曲線，獲得與之對應(yīng)的覆蓋距離值。例如，當(dāng)無人機監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度約為-182.5 dBm/Hz時，監(jiān)測覆蓋距離為8 km。

圖2 自由空間傳播修正模型數(shù)據(jù)推演

3 結(jié)束語

本文測試了無人機平臺監(jiān)測Ka頻段衛(wèi)星終端的覆蓋能力，驗證了無人機監(jiān)測系統(tǒng)對于微弱信號的監(jiān)測效果。探討了當(dāng)監(jiān)測工作實際情況如目標信號功率或監(jiān)測系統(tǒng)性能發(fā)生變化時，采用自由空間傳播修正模型推導(dǎo)監(jiān)測覆蓋距離的方法，對于實際衛(wèi)星監(jiān)測工作具有一定的參考意義。