基于頻譜感知的移動(dòng)衛(wèi)星干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

摘要：隨著全球信息化進(jìn)程的加速，衛(wèi)星通信在我國(guó)國(guó)防、航空航天、海洋監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。然而，衛(wèi)星通信系統(tǒng)在運(yùn)行中會(huì)受到各類(lèi)干擾的嚴(yán)重影響。針對(duì)這一問(wèn)題，文章提出了一種基于頻譜感知的移動(dòng)衛(wèi)星干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。該系統(tǒng)利用先進(jìn)的頻譜感知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)衛(wèi)星通信頻段的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效提高了干擾監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的監(jiān)測(cè)性能和實(shí)用性，為我國(guó)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了有力保障。

關(guān)鍵詞：頻譜感知；移動(dòng)衛(wèi)星；干擾監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN927" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著全球信息化進(jìn)程的加速，衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。在海洋通信、邊遠(yuǎn)地區(qū)通信以及應(yīng)急通信等應(yīng)用場(chǎng)景中，移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)都發(fā)揮著不可替代的作用。然而，衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于開(kāi)放性和廣播性，極易受到惡意干擾，這不僅影響了通信質(zhì)量，還可能造成嚴(yán)重的通信事故。因此，文章研究了一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和識(shí)別移動(dòng)衛(wèi)星通信干擾的系統(tǒng)，對(duì)于保障衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的實(shí)際意義。

1 相關(guān)工作與技術(shù)分析

1.1 頻譜感知技術(shù)原理

頻譜感知技術(shù)是指在無(wú)線(xiàn)電頻譜范圍內(nèi)，對(duì)電磁波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、分析、識(shí)別和定位的一種技術(shù)。其目的是有效利用頻譜資源，提高頻譜利用率，減少頻譜浪費(fèi)。頻譜感知技術(shù)主要包括頻譜檢測(cè)、頻譜分析、頻譜識(shí)別和頻譜定位。頻譜檢測(cè)是指對(duì)無(wú)線(xiàn)電頻譜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)；頻譜分析是指對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)分析，提取信號(hào)特征；頻譜識(shí)別是對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行判斷，識(shí)別出信號(hào)類(lèi)型；頻譜定位則根據(jù)信號(hào)特征確定信號(hào)的來(lái)源位置。

1.2 干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)是保障移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。當(dāng)前，干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)主要分為2種：一種是基于地面的干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)；另一種是基于衛(wèi)星的干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)。基于地面的干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)主要通過(guò)地面監(jiān)測(cè)站對(duì)衛(wèi)星通信信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)并分析干擾信號(hào)。基于衛(wèi)星的干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)則是利用衛(wèi)星上的設(shè)備，對(duì)無(wú)線(xiàn)電頻譜進(jìn)行監(jiān)測(cè)、發(fā)現(xiàn)并定位干擾源。

1.3 相關(guān)算法分析

在移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的有效檢測(cè)和識(shí)別，研究人員提出了許多相關(guān)算法。其中，常用的算法包括能量檢測(cè)算法、協(xié)同檢測(cè)算法、頻域分析算法和時(shí)域分析算法等。能量檢測(cè)算法是一種基于信號(hào)能量的檢測(cè)方法，原理簡(jiǎn)單、計(jì)算復(fù)雜度低，但抗干擾性能較差。協(xié)同檢測(cè)算法是利用多個(gè)監(jiān)測(cè)站之間的協(xié)同作用，提高干擾檢測(cè)性能。頻域分析算法和時(shí)域分析算法則是通過(guò)對(duì)信號(hào)的頻域和時(shí)域特征進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的檢測(cè)和識(shí)別。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于頻譜感知的移動(dòng)衛(wèi)星干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)采用了分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)主要由國(guó)內(nèi)監(jiān)測(cè)站、移動(dòng)衛(wèi)星終端、地面數(shù)據(jù)處理中心和信關(guān)站4個(gè)部分組成。國(guó)內(nèi)監(jiān)測(cè)站負(fù)責(zé)收集和處理干擾信號(hào)，移動(dòng)衛(wèi)星終端負(fù)責(zé)在空間范圍內(nèi)進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸，地面數(shù)據(jù)處理中心負(fù)責(zé)對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，信關(guān)站則用于存儲(chǔ)各類(lèi)頻譜信息［1］ 。

2.2 功能模塊劃分

基于頻譜感知的移動(dòng)衛(wèi)星干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能模塊分為天基網(wǎng)絡(luò)、空基網(wǎng)絡(luò)和地基網(wǎng)絡(luò)3個(gè)部分。三者各司其職，相互協(xié)作，共同守護(hù)著通信的藍(lán)天。

天基網(wǎng)絡(luò)時(shí)刻關(guān)注著全球衛(wèi)星的動(dòng)向，確保其在正確的軌道上運(yùn)行。天基網(wǎng)絡(luò)通過(guò)協(xié)調(diào)異構(gòu)衛(wèi)星組網(wǎng)，可以讓不同類(lèi)型的衛(wèi)星相互配合，從而發(fā)揮其最大效能。天基網(wǎng)絡(luò)還具備強(qiáng)大的衛(wèi)星接入和導(dǎo)航能力，可以為地面用戶(hù)提供精準(zhǔn)的定位服務(wù)。

空基網(wǎng)絡(luò)通過(guò)無(wú)人機(jī)形成了一個(gè)靈活多變的邊緣控制器。這些無(wú)人機(jī)在空基網(wǎng)絡(luò)的指揮下，不斷調(diào)整飛行軌跡，擴(kuò)大覆蓋范圍，為地面用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在應(yīng)急情況下，空基網(wǎng)絡(luò)能迅速組織無(wú)人機(jī)構(gòu)成臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)，為救援工作提供通信保障。

地基網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)系統(tǒng)的基石，分布在廣袤的地面，負(fù)責(zé)接入、組網(wǎng)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。在地基網(wǎng)絡(luò)的支撐下，用戶(hù)可以享受到高速、穩(wěn)定的通信服務(wù)。

3 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 頻譜感知算法實(shí)現(xiàn)

頻譜感知算法是移動(dòng)衛(wèi)星干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，主要任務(wù)是對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，判斷是否存在干擾。本文中的移動(dòng)衛(wèi)星干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用基于能量檢測(cè)的頻譜感知算法，該算法具有操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。該算法具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：首先，算法對(duì)輸入的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行濾波處理，以去除噪聲和干擾；然后，算法通過(guò)計(jì)算信號(hào)的功率譜，提取衛(wèi)星信號(hào)的特征參數(shù)；最后，算法會(huì)根據(jù)特征參數(shù)判斷是否存在干擾。

3.2 干擾監(jiān)測(cè)與識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)

干擾監(jiān)測(cè)與識(shí)別算法的主要任務(wù)是對(duì)監(jiān)測(cè)到的干擾進(jìn)行分類(lèi)和識(shí)別。該系統(tǒng)采用基于支持向量機(jī)的干擾監(jiān)測(cè)與識(shí)別算法，該算法具有較好的分類(lèi)性能和泛化能力。該算法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：首先，算法模型對(duì)監(jiān)測(cè)到的干擾信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，包括去噪和特征提取；然后，算法模型通過(guò)支持向量機(jī)算法對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)并識(shí)別出干擾信號(hào)的類(lèi)型；最后，算法模型根據(jù)干擾信號(hào)的類(lèi)型和強(qiáng)度，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行干擾信號(hào)抑制［2］ 。

3.3 移動(dòng)性管理模塊設(shè)計(jì)

移動(dòng)性管理模塊主要負(fù)責(zé)處理移動(dòng)衛(wèi)星用戶(hù)的動(dòng)態(tài)信息，包括用戶(hù)的地理位置、速度等。該模塊采用基于全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的雙重定位技術(shù)，以提高定位的準(zhǔn)確性和可靠性。具體設(shè)計(jì)方案如下：首先，移動(dòng)性管理模塊利用GPS定位技術(shù)獲取用戶(hù)的當(dāng)前位置信息；然后，模塊結(jié)合移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度信息，通過(guò)多傳感器數(shù)據(jù)融合算法，計(jì)算出用戶(hù)的速度和方向；最后，移動(dòng)性管理模塊將定位結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸給其他模塊，以供其他模塊使用。

3.4 系統(tǒng)性能評(píng)估

為了驗(yàn)證移動(dòng)衛(wèi)星干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，本研究設(shè)計(jì)了一系列的性能評(píng)估指標(biāo)，包括干擾檢測(cè)率、干擾識(shí)別準(zhǔn)確率、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間等。設(shè)計(jì)人員通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行全面評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在干擾檢測(cè)和識(shí)別方面具有較高的準(zhǔn)確率和響應(yīng)速度，能夠有效地保障移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，該系統(tǒng)還存在一些不足之處，如算法復(fù)雜度較高、系統(tǒng)資源消耗較大等。在未來(lái)的研究中，研究人員須要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

4 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與數(shù)據(jù)集

為了驗(yàn)證基于頻譜感知的移動(dòng)衛(wèi)星干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，本實(shí)驗(yàn)在一個(gè)模擬的真實(shí)環(huán)境中建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境包括一個(gè)移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)和一個(gè)頻譜感知系統(tǒng)。移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)由多個(gè)移動(dòng)衛(wèi)星終端和一個(gè)衛(wèi)星基站組成，而頻譜感知系統(tǒng)則由多個(gè)頻譜感知器和一個(gè)中心處理單元組成。

本實(shí)驗(yàn)使用了大量的衛(wèi)星通信實(shí)際數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括不同類(lèi)型的干擾信號(hào)、噪聲信號(hào)以及正常的通信信號(hào)。為了保證實(shí)驗(yàn)的客觀(guān)性和可靠性，實(shí)驗(yàn)人員還對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，包括去噪、歸一化等操作。

4.2 仿真參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)之前，實(shí)驗(yàn)人員還須要設(shè)置一些仿真參數(shù)，包括干擾信號(hào)的類(lèi)型、強(qiáng)度、分布等。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)設(shè)置仿真時(shí)間，實(shí)驗(yàn)人員能夠觀(guān)察系統(tǒng)在不同時(shí)間內(nèi)的性能表現(xiàn)。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，本文得到一系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測(cè)和識(shí)別出移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的干擾信號(hào)，能夠根據(jù)干擾信號(hào)的特性進(jìn)行相應(yīng)處理，以保證通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行。此外，實(shí)驗(yàn)人員還對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析、統(tǒng)計(jì)和比較，結(jié)果表明系統(tǒng)在干擾監(jiān)測(cè)和識(shí)別方面具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

4.4 性能對(duì)比與分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，文章將所提系統(tǒng)與其他現(xiàn)有干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在干擾監(jiān)測(cè)和識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠性方面明顯優(yōu)于其他系統(tǒng)。此外，本研究還對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地響應(yīng)干擾信號(hào)，在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過(guò)程中能夠保持穩(wěn)定的性能。

5 未來(lái)發(fā)展方向與展望

5.1 技術(shù)層面的發(fā)展方向

隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷進(jìn)步，將更多的智能算法應(yīng)用于頻譜感知和干擾監(jiān)測(cè)中，可以提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和準(zhǔn)確性。例如：工程師可以使用深度學(xué)習(xí)算法來(lái)識(shí)別和分類(lèi)干擾信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)更精確的干擾監(jiān)測(cè)。

本文將移動(dòng)衛(wèi)星干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究人員可以將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫嘶蚱渌嚓P(guān)設(shè)備，方便用戶(hù)隨時(shí)隨地了解干擾情況，采取相應(yīng)的措施。

研究人員還可以進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)新的頻譜感知技術(shù)和干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)，以應(yīng)對(duì)未來(lái)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的新的干擾源和干擾手段。例如：研究人員可以研究基于多重信號(hào)處理和大數(shù)據(jù)分析的干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力和魯棒性。

5.2 應(yīng)用層面的發(fā)展前景

基于頻譜感知的移動(dòng)衛(wèi)星干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在應(yīng)用層面具有廣闊的發(fā)展前景。首先，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行和維護(hù)中，幫助運(yùn)營(yíng)商及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決干擾問(wèn)題，提高通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。其次，該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，用于監(jiān)測(cè)和防御敵方的衛(wèi)星通信干擾。在軍事衛(wèi)星通信中，干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性至關(guān)重要，因此基于頻譜感知的移動(dòng)衛(wèi)星干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以為軍事通信提供有效的保護(hù)措施［3］ 。此外，該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，用于監(jiān)測(cè)和預(yù)警太空垃圾和太空碎片對(duì)衛(wèi)星的威脅。該系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太空中的干擾源，及時(shí)采取相應(yīng)的避障措施，以確保衛(wèi)星的安全運(yùn)行。

5.3 潛在挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)策略

盡管基于頻譜感知的移動(dòng)衛(wèi)星干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景，但該系統(tǒng)也面臨著一些潛在的挑戰(zhàn)。首先，干擾信號(hào)的復(fù)雜性和多樣性使得干擾監(jiān)測(cè)和識(shí)別變得困難，這就須要開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理和分析算法以應(yīng)對(duì)以上問(wèn)題。其次，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性和變化性也給干擾監(jiān)測(cè)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)和環(huán)境的變化可能會(huì)導(dǎo)致干擾信號(hào)的特性發(fā)生變化，這就須要實(shí)時(shí)自適應(yīng)的干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)適應(yīng)這些變化。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于頻譜感知的移動(dòng)衛(wèi)星干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、機(jī)動(dòng)性和實(shí)用性等特點(diǎn)，為我國(guó)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了有力保障。未來(lái)，研發(fā)人員還須繼續(xù)優(yōu)化該系統(tǒng)的性能，提高干擾檢測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，為衛(wèi)星通信干擾監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 王永超）

Design and verification of mobile satellite interference monitoring system

based on spectrum sensing

ZHANG" Yi1， WANG" Baobao2， JIANG" Chenjiao3

（1.The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China; 2.Military Representative Office of Military Representative Bureau of Equipment Department of Aerospace Systems Ministry in Shijiazhuang，

Shijiazhuang 050081， China; 3.Unicom Xiongan Industrial Internet Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050000， China）

Abstract： With the acceleration of the global information process， satellite communication is increasingly widely used in national defense， aerospace， ocean monitoring and other fields. However， the satellite communication system will be seriously affected by various kinds of interference in its operation. To solve this problem， this paper proposes a mobile satellite interference monitoring system based on spectrum sensing， and it is designed and verified in detail. The system uses advanced spectrum sensing technology to realize real-time monitoring of satellite communication frequency band， and effectively improves the accuracy and real-time monitoring of interference. The experimental results show that the system has good monitoring performance and practicability， which provides a strong guarantee for the safe operation of China’s satellite communication system.

Key words： spectrum sensing; mobile satellite; interference monitoring

作者簡(jiǎn)介：張毅（1990— ），男，工程師，碩士；研究方向：通信對(duì)抗。