GEO卫星共轨干扰定位与抑制方法研究

北京卫星导航中心 李洪力 窦晓晶 张 婷 杨 华

GEO卫星共轨干扰定位与抑制方法研究

北京卫星导航中心 李洪力 窦晓晶 张 婷 杨 华

【摘要】GEO卫星通常搭载有透明转发器，当两颗发送相同频率信号GEO卫星位置相邻太近时，容易造成共轨干扰。本文首先对共轨干扰的判定步骤进行了阐述，通过对干扰现象进行梳理，对干扰数据进行处理分析，得出干扰的基本特性，初步判定了卫星共轨干扰源；然后通过设计干扰源验证试验，确定干扰来源；最后对干扰抑制的方法进行分析，最终确定该卫星系统受扰卫星的入站和出站均能正常工作的平衡点，保证了卫星系统正常工作。

【关键词】透明转发器；共轨干扰；干扰抑制

1.引言

只有一条地球静止轨道的地球，轨道位置的竞争越来越激烈，为了在静止轨道中放置更多的GEO卫星，ITU早先已将发送相同频率信号的、邻近卫星之间的最小间隔，从原先的4°减小到1.5～2°。大多数GEO卫星上搭载着透明转发器，由于透明转发器对上行信号没有识别能力，不作处理，只进行变频放大，因此位置相近的两颗GEO卫星相互间有可能造成共轨干扰。

2.GEO卫星共轨干扰判定

对于由GEO卫星组成的卫星系统，应具备实时的上下行信号频谱监测手段，从而在出现干扰时能够进行声光报警，准确直观地发现干扰，频谱监测的存盘数据能够为准确分析干扰特性提供数据支持，从而为正确判断干扰来源提供可靠依据。实时频谱监测手段分析的内容主要包括：干扰峰值电平、中心频率、干扰出现的时间规律和电平变化规律等。通过数据分析初步判断是否可能为共轨干扰，再根据查阅相关资料查找该位置上可能的GEO卫星的转发器情况，从而初步判定干扰来源。

2.1 干扰现象

多数GEO卫星上下行链路有多个转发器，通过干扰的现象首先应能确定经过哪个转发器的信号受到了干扰，其次出现干扰时的频谱图能够反映出干扰的中心频率、干扰峰值电平高出正常入站信号电平的差值，通过长期的观察，可以把握干扰出现的时间规律，共轨干扰一般具有卫星轨道运动时间特性。例如，某GEO卫星下行信号监测到入站干扰，每天两次出现，两次间隔的时间大约为12小时，干扰的中心频率为f1，起初干扰较小，对卫星系统的影响可以忽略，伴随着时间的推移，干扰逐渐变大，对系统的影响也逐渐凸显出来，干扰最大时，严重影响正常下行信号的接收。干扰出现时该下行信号频谱如图1所示，正常工作时该下行信号频谱如图2所示。

图1 干扰出现时的下行信号频谱图

图2 正常工作时的下行信号频谱图

2.2 频谱监测数据分析

对干扰监测的长期存盘数据进行统计分析，发现干扰出现的明显规律性：每天出现两次，两次相隔约12小时，每天提前3、4分钟。而这与GEO卫星的轨道运动特性极为相似。在该卫星系统中，可以提取经该GEO卫星形成闭环监测的某天的星历信息，画出对应的星下点轨迹，如图3所示。

结合当天干扰出现的时间，由图3可见，该GEO卫星经过赤道时段的时间与干扰出现的时间吻合，即干扰最大时段为卫星经过赤道时段。

对某天频谱监测存盘数据进行处理，得到干扰峰值电平的变化曲线图，如图4所示。

图3 星下点统计图

图4 干扰过程峰值电平变化曲线图

由图4可见，从左至右共有8个台阶，依次编号为1、2、3、4、5、6、7、8，分别代表了干扰功率逐渐抬高和降低的过程。并且每个台阶持续的时间相等，与地面天线步进跟踪定期调整时间吻合。同时可以看出，每个台阶高度基本保持平稳，即干扰出现时段，天线指向不变时，干扰峰值基本保持不变，每个台阶均如此。

2.3 干扰源初步判定

干扰是通过该GEO卫星所对应的地面天线进入接收系统的，GEO卫星所对应的地面天线一般为大口径收发共用桁架天线，指向相对固定。干扰源可能来自地面、空中和太空。而由于天线为桁架天线，有一定的仰角，地面干扰源对其干扰不易实现；空中的干扰源可以是飞机、升空平台等物体，但是，根据干扰特性，在一段时间内干扰源位置应相对稳定，且每天出现的时间相对固定，这对于飞机及升空平台等物体而言，长期干扰不易实现；来自太空的干扰指的是其他卫星，其他卫星可能发射与该GEO卫星相同频段的信号，而被该GEO卫星的地面接收天线所接收而造成干扰，根据卫星运动的特性，此干扰来源于其他卫星转发信号的可能性极大。

图3中该星星下点统计，进一步印证了干扰来源于空间其他卫星的猜想，故初步判定为与其他卫星共轨造成的干扰。图4干扰过程中峰值电平变化曲线图亦说明，对该GEO卫星造成干扰的相邻卫星倾角较小，相对于地球基本保持位置不变。因此可以认为，该GEO卫星受到的干扰过程实际为：其地面天线逐渐指向相邻卫星，达到干扰最大，之后又逐渐偏离相邻卫星的过程。

因为搭载透明转发器的卫星在发射前需要事先向国际电联申报资料，转发器情况和轨道位置均已知，所以各国的GEO卫星基本处于透明状态。因此通过联系相关部门，查阅相关资料，确认该轨位上确实有某邻国卫星X，卫星X申报的上下行转发频差为△f，而该GEO卫星对应的地面接收天线接收到的干扰信号中心频率约为f1，计算可得转发前的频率应为f1+△f=f干，这个频率与地面天线发射的某上行信号频率fu1和fu2接近，再考虑到仪器读数精度等多方面问题，怀疑为该卫星系统的该上行信号经邻国卫星转发器后进入到了下行信号接收带宽而造成的干扰。是否由此原因造成，可以通过设计试验进行验证。

2.4 设计试验，确定干扰来源

通过增减怀疑干扰来源的上行信号发射功率，观察受扰下行信号的变化情况，以此判定干扰来源，确定共轨干扰。

试验数据：见表1。

表1 GEO卫星干扰试验数据

上行信号u2变化的数值与干扰信号的峰值电平变化的数值基本是一致的；而增减上行信号u1的功率，干扰情况无变化，可以判断该GEO卫星下行信号干扰是其上行信号u2经过邻国卫星转发，进入到了下行信号接收带宽而造成的。干扰示意图如图5所示。

图5 干扰示意图

3.GEO卫星共轨干扰抑制

当确定是共轨干扰后，就需要采取措施对干扰进行抑制，以达到降低或消除干扰对系统正常工作造成影响的目的。对抗干扰的方式有两种：一是进行轨位协调，从根本上解决干扰问题；二是采取缓解措施，即采取干扰抑制手段使干扰对系统的影响降至最低。

3.1 轨位协调

共轨干扰是由空间两颗位置相近的卫星没有采取共轨策略或共轨策略不合理造成的，所以要从根本上解决共轨干扰问题，需要研究两颗星合理的共轨策略，以实现轨位协调。

3.2 干扰抑制

实现干扰抑制可以通过采取两方面的内容来实现，一是降低干扰信号电平，二是尽量提高工作信号的电平，以此来提高信噪比，保证系统的正常工作。

3.2.1 降低干扰信号电平

确定干扰来源之后，首先要看能否降低干扰的功率。若为卫星系统自身发射的上行信号对系统造成了影响，可以通过降低卫星系统该上行信号的发射功率来降低干扰的功率，从而降低干扰对系统的影响；若干扰源来自其它系统，可以通过协商的办法达成一致，使其它系统降低对应信号的发射功率。

3.2.2 提高工作信号电平

在无法降低干扰信号电平或降低干扰信号电平之后入站效果仍不理想的情况下，可以采取提高正常工作信号电平的方法来降低干扰对系统的影响。提高正常工作信号电平的方法有两种：一是可以提高与该下行信号对应的上行信号发射功率，二是可以通过上调该信号所经由的卫星转发器增益档。当用户数量较多时，要提高所有用户的发射功率有一定难度，而通过上调卫星转发器的增益档相对容易一些，上调卫星转发器的增益档，将提高所有经过该转发器的信号电平，而对不经过该转发器的信号不起作用。

3.2.3 风险分析及平衡点选择

对于由卫星系统自身发射的上行信号所造成的干扰，不能无限制的降低该信号的发射功率，否则会导致出站螺流不断降低，甚至为零，这样就使该出站波束覆盖区内的用户无法锁定和响应该波束出站信号，从而对系统服务造成影响。因此在下调该发射信号时需要同时调整对应出站转发器的增益档，从而保证系统正常的出站功率。

对于提高系统正常的入站信号，由于卫星上搭载的入站转发器增益档也是有限的，因此不能无限的增大，并且当增益档达到最大档位时，转发器没有了调整余量，入站受干扰的风险也将同时增大。

因此，在干扰抑制过程中，需要找到一个能够保证出站和入站信号都能正常工作的平衡点，既能有效抑制干扰，改善入站信号的受扰程度，同时又不至于影响出站信号，最终确保该卫星系统的正常工作。

4.结论

论文对于GEO卫星共轨干扰的分析判断及干扰抑制具有一定的指导意义，可根据实际情况应用于其他卫星系统中。

参考文献

［1］谭述森.卫星导航定位工程［M］.国防工业出版社，2010（7）.

［2］陈振国，杨鸿文，郭文彬.卫星通信系统与技术［M］.北京邮电大学出版社，2003（8）.

［3］窦长江.浅析卫星导航透明转发器的空间安全防护和发展战略［J］.空间电子技术，2003（2）∶14-17.

［4］窦长江，白英广.导航卫星有效载荷自适应滤波研究［J］.空间电子技术，2007（1）∶19-23.