基于无线电射频参数分析干扰源快速定位研究

北京环球信息应用开发中心 徐伯健 李迎宁 韦官余 曹 锐

一、引言

卫星导航系统工作过程中是靠地面系统与空间段的卫星系统通信作为基本手段实现的，但由于空间段和地面距离远，在通信过程中接收方的信号必然微弱，容易收到不明干扰，在复杂的电磁环境下，只有快速有效找到干扰源，进而通过行政手段、协调机制、技术创新消除或防范干扰，才能保障导航性能，提高导航能力。本文针对卫星通信中非自然现象造成的常见干扰情况进行探究，并提出利用“设备指纹”或“射频指纹”解决部分问题的设想方案供实际参考。

二、干扰现象

1. 地面干扰

（1）地面站设备的杂波干扰

产生干扰的原因包括：设备杂散指标不合格，工作载波中带有杂波或谐波；调制器、上变频器输出电平过高，或者功放工作非线性，出现频谱扩散；上变频器、功放的工作点设置不当，均造成载波噪声。

（2）空间和地面的电磁干扰

由于地面存在大量的微波、雷达、电视信号、调频广播、工业电噪声等，这些干扰源串入用户站，通过上行链路发射上星造成上行干扰或串入下行链路造成接收干扰。用户站设备接地不良、接地电阻过大，电缆屏蔽性能差、电缆插头接地不良，链路电平配置不合理等都会引起此类干扰。

（3）卫星通信设备的互调干扰

上行站处于多载波工作状态时易出现此类干扰，由于功放性能原因，造成三阶互调分量超过规定，或上行发射功率超标，使卫星转发器被推至非线性工作区，导致下行互调特性恶化。

（4）通信卫星的交叉极化干扰

上行交叉极化干扰是因为地球站天线发射交叉极化隔离度没有调整好，导致上行交叉极化分量过大，或天线馈源薄膜受损未能及时更换，有其他物质掉进馈源也会导致交叉极化干扰。

2. 空间干扰

（1）邻星干扰

随着卫星通信的高速发展，同步轨道卫星越来越多，卫星间隔越来越近，因此邻星干扰会逐步增多。

（2）相邻信道干扰

用户载波频率分配与相邻信号的频带出现重叠，没有足够的保护带宽；用户载波频谱特性不符合要求，噪底过高或出现副瓣。

（3）个别用户不规范操作误发

功率、速率、纠错设置有误；没有按照程序严格测试即上星；新装设备急于调试，误操作；甚至个别用户私自上载波偷发信号，这些错误动作都会对正常的卫星通信造成影响。

3. 自然干扰

当电波在传输过程中由于自然规律的各种问题，会出现雨衰、日凌、电离层闪烁、卫星星蚀等影响卫星通信的干扰现象。

通过上述非自然现象的干扰，不难发现，各种干扰基本都是干扰源由于某些原因产生不当的无线电射频参数，影响或干扰了另一方的正常工作，针对这些产生干扰的无线电射频参数进行分析研究和追踪，应该能快速而又准确地识别并定位出干扰源。

三、识别原理

卫星站发射的上行信号中，详细测量分解卫星站射频信号，因为信号中含有每个卫星站设备性能参数的数据，这些数据会因为每个卫星站设备性能的离散性而有细微的差别，我们将每个卫星站的这些细微差别数据识别出来，作为这个卫星站的特征模本，此特征模本可代表本卫星站的特点，我们称此特征模本为卫星站的“设备指纹”或“射频指纹”。

假设有这样一个机构或部门，例如“无线电管理委员会”，组织相关单位，逐个检测国内所有已知入网工作卫星站的上行信号，测量纪录，找出每个卫星站的特征模本，将这些特征模本制成识别模本库，此模本库定期补充并测试修改保鲜。

当发现有不明卫星站发射的上行信号时，可对信号进行检测，将所测结果与卫星站模本库中卫星模本进行对比，如有相同即可快速确定是哪个站发的违规信号。

1. 模本库建立

国内入网卫星站数量为n，每个卫星站可供作为识别用的设备性能参数为m个，卫星站的性能参数以C表示，则可以下数列表示国内入网卫星站：

C11，C12，C13，…，C1m C21，C22，C23，…，C2m C31，C32，C33，…，C3m…

Cn1，Cn2，Cn3，…，Cnm

每一行表示了一个卫星站的测量所得数据，对应列为不同卫星站同类测量数据。

2. 卫星站特征模本的提取

（1）基准值C0m

应当首先确定数据的基准值C0m，每个卫星的每类数据需要确定一个基准值，基准值的选取原则是，如果此数据有标准值的以标准值作为数据基准值，没有标准值的以所有已知卫星站同类数据的算术平均值作为基准值。

例如：

Cn1有标准值，则C01＝C标准值

Cn2无标准值，则

C02＝（C12＋C22＋C32＋…＋Cn2)/n

以此类推，可确定标准值列：

C01，C02，C03，…，C0m

（2）特征模本的确定

将事先测得每个入网卫星站所得数据，与对应的标准值相减，所得差值Dnm，作为卫星站特征模本。

Dnm＝C0m－Cnm

所得特征模本为

D11，D12，D13，…，D1m

D21，D22，D23，…，D2m

D31，D32，D33，…，D3m

…

Dn1，Dn2，Dn3，…，Dnm

每一行为一个卫星站的所有特征模本数据，以所有特征模本数列作为卫星站模本库。

（3）干扰卫星站判别

当发现有不明违规上行信号时，即可对其信号进行检测，将所测结果数据记为Zm列，与基准值C0m之差记为Km，（Km＝Zm－C0m）将此Km与卫星站模本库中每行数列对应同类数据逐个相减，如果某项差为0，即Km－Dnm＝0，此时可确定为此干扰数据列中有一项与模本匹配，即检出一项，如果某行所有对应项相减后全为“0”，即特征数据全部匹配，那此行所代表的卫星站就是发射干扰信号的卫星站。

（4）特征数据权重

在所有卫星站特征数据中，某些数据基本不随转发器变化而有变化，可较准确地代表卫星站的特征，此类数据可确定为重要参数，在确定是否匹配时权重可取较大值。

对于国内其他非入网的卫星站、无线电台或国外卫星站的特征模本，可通过日常工作及应用中已追踪到的干扰源，进行特征积累并补充到特征模本数据库中，当再次出现干扰时，可运用上述原理快速识别和定位出干扰源。

四、关键技术及难点

如何识别卫星站，关键是“设备指纹”或“射频参数”等特征指标的选取，卫星射频信号中的参数有很多，但我们所需要的只是能够代表卫星设备固有性能的指标，且此类指标在经卫星转发器下行后基本不变化。可用指标有下面几类：

⊙ 信号中代表卫星站天线性能特征的指标，如卫星天线旁瓣指标、无源互调、天线交叉极化隔离度、波束成型等。

⊙ 代表卫量设备的指标，如功放互调指标，频率准确度、谐波含量、调制品质、信号失真、带外噪音、带内噪音等。

⊙ 代表卫星站终端设备的指标，如数据码流编码方式、码占空比等。

射频指纹识别在国内开展研究时间不长，但已有研究院（所）成功开发出了实用的短波、超短波频段的识别系统，在卫星通信和卫星导航定位中尚未见有成功的报道，可想此课题研究难度不小。关键在于卫星通信和卫星导航定位中在卫星发射站和接收机之间存在一个卫星转发器，信号一经过转发器多少都会有所变化，给识别带来了一定的难度，但只要找到变化规律和较少变化的参数，识别还是可以实现的。

五、结束语

随着基于甚小口径天线VSAT和超小口径天线USAT卫星站的广泛应用，以及空间卫星数量的增多，我们周边空间电磁环境越来越差，无论是卫星通信和卫星导航随时都可能收到不明干扰，针对不同干扰各家都进行了一定程度的分析、研究，建立了干扰分析计算模型，并采取了相应协调解决措施。本文没有针对各类干扰进行深入研究，更没有建立相应计算模型，只是提出分析研究的思路和方法，旨在起到抛砖引玉的作用，并希望能得到专家和朋友们的指导、帮助。

见www.dcw.org.cn