大型深空站周邊抗電磁干擾對策研究

韓 雷，李云飛，趙國強，王世博，王亞博，呂增偉

(西安衛(wèi)星測控中心，西安 710043)

0 引言

深空測控天線口徑大、接收能力強，進入其接收頻帶范圍內(nèi)的信號，都可能被測控設(shè)備接收，非任務目標的信號則會成為干擾的一部分，阻礙正常信號的接收，此外深空測控活動有著信號空間衰減大、信號空間傳輸時延長、信號傳播環(huán)境復雜等特點，接收到的信號強度相對其他低軌探測活動要弱，對測控設(shè)備精度要求更高，電磁干擾影響更大，故需研究探索周邊電磁干擾對深空測控站的影響及應對措施。與此同時，全球組網(wǎng)的中國深空測控網(wǎng)包括喀什、佳木斯、阿根廷深空站，總體布局并不是最優(yōu)地理布局，阿根廷站和佳木斯站的經(jīng)度差達到了160°，測控覆蓋率接近90%，佳木斯和阿根廷深空站間有測控無法覆蓋區(qū)域[1]，如圖1所示。深空測控活動執(zhí)行的容錯性較小，上行指令發(fā)送與下行信號接收格外重要，但測站周圍電磁干擾會對信號傳輸造成影響，嚴重時會影響該活動正常執(zhí)行，因此更需對深空站抗電磁干擾對策進行研究。目前深空站電磁干擾監(jiān)測主要采取定期邀請無線電管理委員會來站檢測，獲取檢測當時的頻譜信息，實效性和繼承性不強，無法形成本地頻譜庫?？闺姶鸥蓴_策略也比較單一，只能最大程度地降低設(shè)備內(nèi)部干擾，對外部干擾沒有有效的對策，所以急需對深空站周邊抗電磁干擾對策方法進行研究，著眼建立電磁環(huán)境監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)，以實現(xiàn)對深空站的有效頻率保護。

圖1 10°仰角測控覆蓋示意圖Fig.1 Diagram of measuring and controlling coverage at 10 degree elevation

1 深空站電磁干擾現(xiàn)狀分析

1.1 干擾源類型劃分

按照干擾源類型，可將干擾源分為外界人為干擾、內(nèi)部自身干擾、自然因素干擾3類[2]。外界人為干擾主要包括周邊建設(shè)的高速鐵路、5G基站、大型發(fā)電廠，以及配置GPS干擾儀的長途貨車經(jīng)過深空站附近時都會對產(chǎn)生干擾。內(nèi)部自身干擾主要包括設(shè)備相關(guān)器件使用年限過長、接地電阻過高、電子元件間電磁兼容性差，以及由于電路設(shè)計不合理導致電平配置不均衡等。自然因素干擾主要包括地形地物、水面和氣象現(xiàn)象(包括濃云、雨、雪、大霧、冰雹、沙塵等特殊惡劣天氣)對電磁波的反射引起的干擾，以及太陽、星球及整個銀河系電磁輻射引起的宇宙干擾[3]，其中影響較大的是日凌、雨衰、雪衰。干擾源類型分類如圖2所示。

圖2 干擾源類型分類圖Fig.2 Interference source type classification diagram

1.1.1 外界人為干擾

國際電聯(lián)建議書(ITU-RSA.1157-1)針對深空地球站接收機輸入端而制定的保護標準如表1所列，更大的干擾為有害干擾[4]。

表1 深空地球站的干擾保護

近年來高鐵建設(shè)迅猛發(fā)展，深空站附近的高鐵所產(chǎn)生的電磁干擾對于正常測控工作所產(chǎn)生的影響值得關(guān)注。深空站技術(shù)人員現(xiàn)場測試高鐵GSM-R頻段(高鐵GSM-R信號輸出最大電平，在用頻點931.224 8 MHz、932.167 8 MHz、932.699 3 MHz、932.967 0 MHz)對某型深空站使用的S、X、Ka頻段信號的干擾情況，利用頻譜分析儀，天線附近選擇空曠點位，采用全向測試天線分別進行各個頻段全頻段掃描，檢波方式選用峰值檢波，曲線為最大保持，整個測試時間不小于10 min，記錄頻譜變化情況。

1)測試系統(tǒng)框圖

搭建系統(tǒng)測試環(huán)境，具體如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)框圖Fig.3 Test system block diagram

2)計算空間損耗及干擾電平

a.空間損耗計算

高鐵距某型深空站最近點：1 km

深空測控站干擾保護要求：

S頻段干擾保護為-192.5 dBm/Hz

X頻段干擾保護為-190.9 dBm/Hz

Ka頻段干擾保護為-187.3 dBm/Hz

按最低干擾電平S頻段2 200 MHz計算空間傳輸損耗:

Lbs=32.45+20lgF(MHz)+20lgD(km)

其中F為頻率、D為距離

Lbs=32.45+66.85+0=99.3 dB

b.測試點干擾電平計算

測試點干擾電平為：

PH(dBm/10 kHz)=R(dBm/Hz)+

Lbs(dB)-G(dB)+M

R為S頻段干擾保護-192.5 dBm/Hz

G為鐵路基站天線增益:10 dBi

M為帶寬折算，M=10*log(10 kHz/1Hz)=40.0 dB

PH=-192.5+99.3-10+40=-63.2 dBm/10 kHz (即等效判決門限-63.2 dBm)

c.測試記錄

高鐵所用GSM-R頻段對某型深空站使用的S、X、Ka頻段干擾測試結(jié)果如表2所列，本次測試結(jié)論:干擾測試結(jié)果最大點優(yōu)于判決門限29 dB以上，未對所測頻段產(chǎn)生影響。

表2 高鐵所用GSM-R頻段對某型深空站使用的S、X、Ka頻段干擾測試結(jié)果

1.1.2 內(nèi)部自身干擾

接收設(shè)備因使用年限過長，部分老化的板卡沒有及時更新?lián)Q代，導致接收性能下降；接地電阻過高，接地端子銹蝕導致接地不良；電纜屏蔽[5]性能下降、電纜絕緣層老化，或布線不合理，致電磁兼容性能變差；接收鏈路電平配置不合理等都會產(chǎn)生電磁干擾[2]。

1.1.3 自然因素干擾

自然因素對信號傳輸?shù)挠绊懖蝗莺鲆?，太陽、星球及整個銀河系電磁輻射都會引起宇宙干擾。繞月衛(wèi)星在運行中有可能會接近強射電源，如太陽、月球、一些強宇宙射電源等，噪聲干擾會使深空站天線接收的噪聲增加，品質(zhì)因數(shù)G/T值下降。如果信噪比低于接收門限值，將造成通信中斷[6]。自然因素干擾還包括地形地物、水面和氣象現(xiàn)象對電磁波的反射引起的干擾。天線主、副反射面積雪，都將影響信號正常接收。

1.2 干擾的影響域分析

干擾會對深空站接收系統(tǒng)性能造成不良影響，干擾影響主要表現(xiàn)[7]為以下3個方面：1)S頻段信號干擾，會使接收信號電平降低，導致自跟蹤精度下降，嚴重時無法實施自跟蹤，無法提供實時測量的測角信息，造成多站定軌測角數(shù)據(jù)缺失。2)X頻段信號干擾，會使信噪比下降，數(shù)傳數(shù)據(jù)誤碼率上升，誤碼率超標后無法識別圖像，對目標區(qū)域的拍照等圖像信息無法真實反映當時的狀態(tài)，無法為下一步探測器的探測活動提供數(shù)據(jù)決策支持。3)深空探測系統(tǒng)是由若干元器件組成的復雜系統(tǒng)，干擾會使器件處于飽和狀態(tài)，長期運行會降低電子元器件的壽命，使系統(tǒng)的可靠性降低。

2 干擾的防護

2.1 設(shè)備抗電磁干擾優(yōu)化

2.1.1 選擇適當?shù)慕拥丶夹g(shù)

選擇適當技術(shù)進行有效接地可有效提升設(shè)備抗干擾能力，選用特定材料及正確方式，能夠有效提升電子通信設(shè)備性能。選擇滿足要求的固定規(guī)格的接地線，首先分析接地線電感電阻數(shù)值，使阻抗值盡量低；其次也可以通過增加橫截面積來降低阻抗。運用多點接地強化抗干擾性能，首先合理選擇接地位置，使接地點穩(wěn)定可靠，無虛接風險；其次合理設(shè)計電路，實現(xiàn)電路有效平衡，以提高設(shè)備整體的穩(wěn)定性[8]。

2.1.2 提高設(shè)備的電磁兼容性

隨著通信設(shè)備功能日益強大，狹小空間內(nèi)集成越來越多的元器件，元器件間敏感性高、接線情況復雜、相互影響，使得電磁兼容[9]成為集成電路設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，合理布線中的電磁兼容設(shè)計至關(guān)重要。集成電路去耦，最大限度確保與元件間的孔距與電容長度保持一致，從而產(chǎn)生最短的跨接長度，大容量電解電容用于去除低頻部分，小容量非電解電容用于去除高頻部分[8,10]。

2.1.3 科學合理使用屏蔽技術(shù)

根據(jù)屏蔽技術(shù)的類型可以分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁屏蔽[11-12]3種。具體屏蔽方法和效果如圖4所示。

圖4 屏蔽方法和效果Fig.4 Shielding methods and efftcts

2.2 空中干擾信號監(jiān)測

在深空測控站內(nèi)建立空中信號監(jiān)測裝置，全天候監(jiān)測工作區(qū)及其周邊空中無線電信號，及時了解和掌握空中信號變化、發(fā)現(xiàn)不明、可疑信號，建設(shè)測向、定位設(shè)備，確定干擾源。

2.2.1 電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)組成

我國已建設(shè)大型深空站分布在國土最靠東、西部地區(qū)，地形地貌復雜，基礎(chǔ)資源匱乏，無線電監(jiān)測管理技術(shù)手段較為薄弱，只能依托定期邀請無線電管理委員會來深空站進行頻譜檢測，獲取當時的頻譜信息，比較耗費時間和精力，且實時性不強，利用電磁環(huán)境監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)可實現(xiàn)大型深空站周邊的頻譜監(jiān)測與管控。系統(tǒng)由監(jiān)測中心、固定監(jiān)測站、路測車等組成?？筛鶕?jù)測站周圍電磁環(huán)境、地形地貌狀況分別部署固定站、路測車等，實現(xiàn)區(qū)域監(jiān)測覆蓋，顯著提升深空站電磁干擾監(jiān)測能力。系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 電磁環(huán)境監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)組成Fig.5 Electromagnetic environment monitoring and management information system

2.2.2 監(jiān)測系統(tǒng)部署方案

在天線周邊部署監(jiān)測測向固定站，利用該分系統(tǒng)可以識別多個同頻信號的來波方向和信號強度，實現(xiàn)同頻信號的分離，從而準確掌握覆蓋區(qū)域的無線電頻率使用情況及電磁環(huán)境變化情況。固定監(jiān)測小型站可在公眾移動基站天線支桿或鐵塔上架設(shè)天線部分，直接利用公眾移動基站的機房設(shè)施、通信鏈路、供電鏈路、防雷設(shè)施、溫度調(diào)控設(shè)施、安全保障設(shè)施等基礎(chǔ)設(shè)施，無需單獨建設(shè)和管理，省卻大量人力物力。路測車通過對各種信號的全自動采集，定位分析獲取目的區(qū)域電磁環(huán)境信息，并對突發(fā)的電磁事件進行實時報警和記錄?？筛鶕?jù)需要在目的區(qū)域進行巡查，自動獲取線路周邊區(qū)域的電磁信息及分布態(tài)勢。

2.2.3 監(jiān)測系統(tǒng)管理與使用

國內(nèi)深空測控站往往深空測控活動密集，為減輕深空站在頻譜監(jiān)測系統(tǒng)上的執(zhí)勤壓力，可將系統(tǒng)監(jiān)控中心部署在測站機房內(nèi)，將固定站、移動測站等內(nèi)容集中顯示在監(jiān)控中心，實現(xiàn)在日常深空測控活動過程中實時監(jiān)測電磁干擾信息。同時將干擾監(jiān)測與狀態(tài)報警相結(jié)合，遇到電磁干擾可立即發(fā)出警報信號，利于測控站快速了解情況與應急處置?？蓪⒈O(jiān)測到的電磁干擾情況反饋至無線電管理委員會、國家安全機關(guān)等相關(guān)部門，邀請其協(xié)助進行分析處理。也可將干擾情況上報至上級中心，請中心內(nèi)技術(shù)人員幫助分析干擾影響情況。

利用移動測站開展日常電磁環(huán)境測量，以達到日常頻譜檢測目的，并將測試數(shù)據(jù)記入本地電磁頻譜庫。

1)測試設(shè)備參數(shù)

天線口面直徑：0.8 m

天線接收增益：GR=33.1 dBi

天線噪聲溫度：Ta=150 K

饋線損耗：L=2 dB

頻譜儀靈敏度：-115 dBm/100| kHz(8.4～13.6 GHz)

LNA 增益：GL=50 dB

LNA 噪聲溫度：TL=230 K

頻譜分析儀型號：RS_FSP3

2)測試系統(tǒng)框圖搭建系統(tǒng)測試環(huán)境，具體如圖6所示。

圖6 測試系統(tǒng)框圖Fig.6 Test system block diagram

3)測試記錄

移動測站日常電磁環(huán)境測量的干擾測試結(jié)果如表3所列。本次測試結(jié)論：未監(jiān)測到干擾頻率，無對該站形成干擾的頻率。

表3 移動測站日常電磁環(huán)境測量的干擾測試結(jié)果

3 建立有效制度機制

3.1 自主建設(shè)與統(tǒng)籌發(fā)展

中國深空探測活動在取得探月工程、火星探測重大成功的同時，已將視野拓展到小行星探測、載人深空探測、行星際探測等，未來也將計劃在現(xiàn)有深空測控網(wǎng)基礎(chǔ)上，對深空測控站點的功能進一步完善。電磁環(huán)境監(jiān)測工作不能僅僅依托頻管單位，深空站需自主建設(shè)電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，并與新站點建設(shè)統(tǒng)一考慮、同步發(fā)展。為所有深空站配套建設(shè)電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，建立本地電磁頻譜庫，積累日常頻譜管理信息，及時發(fā)現(xiàn)有害干擾。

3.2 加強與頻管單位合作

與無線電管理委員會和國家安全機關(guān)等單位建立長效溝通機制，將嚴重的干擾報警信息遠程發(fā)送至無線電管理委員會和國家安全機關(guān)等相關(guān)單位，出現(xiàn)干擾情況，在深空站自身應急處置的前提下，請求無線電管理委員會、國安技術(shù)保衛(wèi)部門等單位協(xié)助支援，開展進一步處置，及時排除隱患。

3.3 參考深空站選址要求

國際上在深空站選址時，著重考慮電磁環(huán)境影響，使深空站極高靈敏度接收機免受外界電磁干擾，符合干擾保護標準要求。國內(nèi)深空站選址時，也要處理好短期與長期的關(guān)系，盡量選擇電磁環(huán)境相對比較純凈、地形遮蔽條件比較好、人煙稀少的區(qū)域，既可以屏蔽外界電磁干擾，也可以避免大功率信號影響外界環(huán)境，并且盡量能夠避開未來發(fā)展建設(shè)規(guī)劃的區(qū)域。利用已建設(shè)的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過長期頻率數(shù)據(jù)積累建立的電磁頻譜庫，分析經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展給周邊電磁環(huán)境帶來的影響，為未來深空站選址提供參考，解決深空站點建設(shè)與經(jīng)濟社會發(fā)展的平衡問題。

3.4 管控周邊建設(shè)項目

國家安全機關(guān)建審部門有一項行政管理職能，即：“涉及國家安全事項的建設(shè)項目審批”，對于行政區(qū)劃內(nèi)的核心要害目標，納入“安全控制區(qū)”管理，對于安控區(qū)內(nèi)的建設(shè)項目開展行政審批。深空站建設(shè)之初要加強與國家安全機關(guān)對接，爭取及時納入了安控區(qū)，這樣國家安全機關(guān)建審部門將對深空站實施有效管控，將可能造成電磁干擾的建設(shè)項目實施否決，不予許可。

4 結(jié)論

結(jié)合大型深空站周邊電磁干擾現(xiàn)狀和抗電磁干擾需求，如何利用先進的干擾防護技術(shù)提高防護水平，利用區(qū)域電磁環(huán)境監(jiān)測與管理系統(tǒng)實現(xiàn)大型深空測控站周邊的電磁頻譜監(jiān)測與管控，建立本地電磁頻譜數(shù)據(jù)庫，對于提高深空站頻譜管理水平至關(guān)重要。在制度機制上進行探索，對于自主建設(shè)與統(tǒng)籌發(fā)展、加強與頻管單位合作、深空站選址參考、管控周邊建設(shè)項目均起到積極借鑒作用。