低軌衛(wèi)星終端干擾監(jiān)測與定位解決方案

問題與挑戰(zhàn) Your challenge

低軌巨型星座作為商業(yè)航天的關鍵基礎設施，在全球范圍內(nèi)已開始激烈的產(chǎn)業(yè)競爭。已有和擬建低軌衛(wèi)星星座，無論是以通信還是遙感為核心服務能力，無線電頻譜都是其最基礎和核心的資源，也是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要條件。

對于無線電頻譜監(jiān)管、低軌星座運營商和相關系統(tǒng)制造商而言，基于低軌道巨型星座的一系列技術創(chuàng)新，對頻譜測量、終端頻譜監(jiān)管和干擾監(jiān)測定位等業(yè)務均構成了前所未有的挑戰(zhàn)。如下圖所示，基于低軌及其他軌道位置衛(wèi)星組成的非地面網(wǎng)絡將協(xié)同地面的移動通信網(wǎng)和各類終端形成前所未有的無線電通信網(wǎng)形態(tài)。在地面的任意一點開展頻譜監(jiān)測或干擾排查，都需要對深入了解低軌衛(wèi)星通信技術并具備完善的技術設備。

圖1. 非地面網(wǎng)絡連接概述 （羅德與施瓦茨，5G 非地面網(wǎng)絡技術概述）

相比擁擠的中高軌，低軌衛(wèi)星（通常認為是500-2000公里軌道范圍）具備諸如軌道資源多、距離地面近等優(yōu)勢。但考慮到其頻軌特征、運行速度、過頂時間等特點，實際通信系統(tǒng)更趨向于大規(guī)模組網(wǎng)使用。

圖2.衛(wèi)星軌道與地球大氣層關系 （羅德與施瓦茨，5G 非地面網(wǎng)絡技術概述）

圖3. 衛(wèi)星軌道典型應用與軌道位置圖 （羅德與施瓦茨，5G 非地面網(wǎng)絡技術概述）

如圖2和圖3所示，低軌衛(wèi)星的軌道位置帶來衛(wèi)星相對地球的高速運動，相比中高軌衛(wèi)星，單個衛(wèi)星的過頂時間將縮短至數(shù)分鐘或數(shù)十分鐘（根據(jù)軌道位置不同）。這一關鍵特性，影響了低軌終端技術路線特別是高通量或高速率終端，基本都以VSAT（甚小口徑終端）形態(tài)出現(xiàn)。考慮到低軌衛(wèi)星的運行速度和過頂時間，如下圖4所示，VSAT需要實時根據(jù)星歷表信息對準衛(wèi)星并修正多普勒頻移。這也引出低軌衛(wèi)星VSAT終端的一個重要技術特征，即具備動態(tài)波束賦型的相控陣天線。相控陣天線的波束賦型的技術特征會對低軌衛(wèi)星的終端監(jiān)測帶來較大挑戰(zhàn)，即可監(jiān)測信號范圍和波束情況高度相關。

圖4.衛(wèi)星軌道典型應用與軌道位置圖 （羅德與施瓦茨，5G 非地面網(wǎng)絡技術概述）

挑戰(zhàn)1：低軌衛(wèi)星VSAT相控陣天線帶來的強方向性監(jiān)測挑戰(zhàn)

具備波束賦型的相控陣天線并不是新的技術，已經(jīng)在雷達和5G通信領域有成熟應用。如下圖5所示，通過天線陣列，相控陣天線可以在3D空間內(nèi)動態(tài)產(chǎn)生波束跟蹤低軌衛(wèi)星從而實現(xiàn)通信。但隨著射頻半導體器件的快速發(fā)展，新一代低軌衛(wèi)星的相控陣天線在尺寸和成本方面均有較大進展。特別是在尺寸方面，VSAT終端相控陣天線已可以實現(xiàn)諸如300*400mm的尺寸，如圖6所示。

圖5.相控陣天線原理與波束賦型示意圖 （羅德與施瓦茨，相控陣天線OTA測試）

圖6.低軌衛(wèi)星終端相控陣天線

結合圖4和圖5所示，圖6中的VSAT天線可在地面通過相控陣天線使用波束跟蹤低軌衛(wèi)星從而實現(xiàn)通信，同時波束具備良好的指向性，不易在大范圍內(nèi)監(jiān)測到其頻譜。

低軌衛(wèi)星通信終端常見參數(shù)如下圖7所示。

圖7.低軌衛(wèi)星終端典型參數(shù)表（羅德與施瓦茨，5G非地面網(wǎng)絡技術概述）

考慮到目前低軌星座的實際情況和手機直連的技術標準演進現(xiàn)狀，現(xiàn)階段主要以甚小口徑終端VSAT為主要監(jiān)測對象。

根據(jù)圖1. 非地面網(wǎng)絡連接概述中展示的態(tài)勢，低軌衛(wèi)星星座的終端特別是VSAT終端，當前還需與地面頻率進行區(qū)分。從全球范圍來看，已運營的低軌星座，其用戶端與衛(wèi)星直接的連接，均在Ku和Ka頻段。

表1 主要低軌星座用戶端上下行頻段

根據(jù)公開信息，我國的GW和G60星座分別使用Ka和Ku頻段。我國銀河航天的“小蜘蛛”實驗星座，也在使用Ka頻段進行科研測試。

挑戰(zhàn)2：低軌衛(wèi)星VSAT終端上行頻率范圍技術挑戰(zhàn)

對于衛(wèi)星終端的頻譜監(jiān)測和干擾定位需要關注其上行頻率，根據(jù)上述表1，頻率范圍基本在30GHz以下。在這個頻段進行監(jiān)測和干擾定位，再加入指向天空的波束及其旁瓣，這給頻譜監(jiān)測工程師和外場測試工程師帶來很多技術挑戰(zhàn)。例如樹木對Ku和Ka頻段的影響、接收機系統(tǒng)靈敏度對射頻前端的要求等。在干擾定位方面，如何結合移動監(jiān)測站和便攜式設備快速發(fā)現(xiàn)干擾源也是亟待解決的技術難題。

圖8. 地球固定跟蹤區(qū)域碼信令舉例

挑戰(zhàn)3：星上波束賦型帶來的監(jiān)測區(qū)域挑戰(zhàn)

通過圖8所示，低軌衛(wèi)星的星座組網(wǎng)形式導致其需使用和5G系統(tǒng)類似的下行波束覆蓋。這導致終端所在區(qū)域在需要連接才有覆蓋，故需求對下行信號的頻譜監(jiān)測來判斷區(qū)域內(nèi)的覆蓋情況。因此對衛(wèi)星下行波束賦型的監(jiān)測也是當前NTN非地面通信的全新技術挑戰(zhàn)。

應用場景與技術要求Your task

應用場景：

低軌衛(wèi)星終端上行信號頻譜監(jiān)測與驗證；

合規(guī)與非合規(guī)低軌衛(wèi)星終端信號監(jiān)測與定位；

低軌衛(wèi)星終端頻譜清頻率與干擾信號采集；

大型活動及重要區(qū)域低軌衛(wèi)星終端頻譜監(jiān)測及非合規(guī)終端定位；

技術需求分析：

需具備移動監(jiān)測車和便攜式監(jiān)測系統(tǒng)的快速監(jiān)測和定位能力；

移動監(jiān)測車系統(tǒng)需具備衛(wèi)星上行和行下頻譜監(jiān)測能力及特定實時帶寬；

考慮到NTN非地面網(wǎng)絡的整體規(guī)劃，移動監(jiān)測系統(tǒng)和便攜式監(jiān)測系統(tǒng)需具備覆蓋傳統(tǒng)通信頻率和低軌衛(wèi)星通信頻率能力，需求從400MHz-40GHz（移動監(jiān)測系統(tǒng)，含衛(wèi)星下行）、400MHz-30GHz（便攜式監(jiān)測系統(tǒng)，主要目標為低軌終端上行）;

要求具備可應對復雜電磁環(huán)境的接收機前端及可擴展性

要求具備信號記錄能力

羅德與施瓦茨解決方案 Our solution

方案1：基于現(xiàn)有移動監(jiān)測站的頻段擴展方案

針對衛(wèi)星終端的監(jiān)測，是移動監(jiān)測站所面臨的新任務。根據(jù)常規(guī)監(jiān)測業(yè)務需求，移動監(jiān)測站的頻段范圍無法覆蓋當前低軌衛(wèi)星終端頻率范圍。例如，羅德與施瓦茨公司的經(jīng)典數(shù)字寬帶接收機ESMD和ESME廣泛應用在各行業(yè)的移動監(jiān)測站，本機最高頻率分別為26.5 GHz和18 GHz，亟待擴展升級，以便覆蓋對Ku和Ka頻段低軌衛(wèi)星終端上行信號的頻段范圍，也可兼顧低軌星座下行信號到40GHz。

圖9. 移動監(jiān)測站實例

針對此類頻段擴展需要，羅德與施瓦茨公司推出了R&SMC40，將移動監(jiān)測站的頻段范圍擴展到40 GHz。憑借2 GHz的轉(zhuǎn)換帶寬，MC40可以在不改變主要監(jiān)測設備的情況下，基于小巧的外形和開放的SCPI接口支持即插即用到移動監(jiān)測站中。MC40內(nèi)置了多組濾波器，抑制帶外信號干擾，從系統(tǒng)層面確保了接收性能。

圖10. MC40將監(jiān)測接收機頻段擴展到40 GHz

方案2：配置R&S ESMW 超寬帶監(jiān)測接收機

針對地面和衛(wèi)星頻段信號的頻譜監(jiān)測需求，羅德與施瓦茨推出了ESMW超寬帶監(jiān)測接收機。接收機單機即可覆蓋到40 GHz的頻段范圍，具備2000MHz的實時帶寬，并可以輸出2000 MHz帶寬范圍內(nèi)完整的I/Q數(shù)據(jù)供后續(xù)分析。ESMW具備豐富而開發(fā)的接口，所有的測量數(shù)據(jù)，包括頻譜數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、解調(diào)數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、I/Q數(shù)據(jù)在內(nèi)，都可以通過接口輸出，適合遠程操作或連接信號分析設備。

圖11. ESMW超寬帶監(jiān)測接收機實現(xiàn)40 GHz頻段覆蓋 / 2000 MHz實時帶寬和完整I/Q輸出

方案3：便攜式監(jiān)測設備對衛(wèi)星終端信號的查找和定位-HE400DC和 HE800-DC30 手持式天線

PR200便攜式監(jiān)測接收機在行業(yè)用戶得到了廣泛的應用，而帶有下變頻器的R&SHE400DC和HE800-DC30手持定向天線，進一步將 R&SPR200 便攜式監(jiān)測接收機的頻率范圍擴展到20 GHz和33 GHz。

在和行業(yè)用戶合作進行的低軌衛(wèi)星地面終端查找測試中，PR200配合HE800-DC30天線，可以在1公里甚至更遠的距離，可靠地對Ka頻段的衛(wèi)星地面終端實現(xiàn)監(jiān)測和定位。

圖12. HE800-DC30配合PR200實現(xiàn)Ka頻段衛(wèi)星終端信號監(jiān)測

方案4：I/Q數(shù)據(jù)的記錄和輸出

完整的I/Q數(shù)據(jù)記錄，是監(jiān)測取證、后期深入分析的必要過程。羅德與施瓦茨所有的監(jiān)測接收機，都有I/Q數(shù)據(jù)記錄功能，數(shù)據(jù)格式公開，除了高質(zhì)量的I/Q數(shù)據(jù)外，在I/Q文件中，還記錄了載頻、帶寬、采樣率、端口電壓、天線k因子、可精確到納秒級別的高精度時間戳信息，可用于后期對現(xiàn)場信號環(huán)境的高精度還原或其它二次開發(fā)應用。

各種復雜的發(fā)射和干擾情況，可以通過信號分析軟件對I/Q數(shù)據(jù)的處理得以細節(jié)呈現(xiàn)和深入分析。

圖13. 基于完整I/Q數(shù)據(jù)重現(xiàn)復雜電磁環(huán)境

針對低軌衛(wèi)星帶寬特征，ESMW接收機可以通過100 G接口，輸出完整的2000 MHz帶寬信號，覆蓋完整的下行鏈路。

圖14. 某低軌衛(wèi)星用戶端下行鏈路完整I/Q記錄

結語Summary

無線電頻譜是開展低軌衛(wèi)星巨型星座通信業(yè)務的基礎，相關的監(jiān)管、測量和干擾排查也是推動其發(fā)展的重要技術議題。從技術挑戰(zhàn)和應用場景入手，本文介紹了羅德與施瓦茨公司融合移動監(jiān)測站和便攜式監(jiān)測接收機的快速監(jiān)測與定位方案，希望可以助力工程師在外場外場完成干擾和非法終端的監(jiān)測與定位任務?？紤]到R&S監(jiān)測設備在各行業(yè)的廣泛應用，文中的升級方案也可有效保護原有投資。
文中大量的技術圖示和描述來自羅德與施瓦茨公司發(fā)布的《5G NTN啟航：5G 非地面網(wǎng)絡技術概論》，請點擊下面圖示下載，作為背景資料閱讀。

羅德與施瓦茨業(yè)務涵蓋測試測量、技術系統(tǒng)、網(wǎng)絡與網(wǎng)絡安全，致力于打造一個更加安全、互聯(lián)的世界。成立90 年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團，通過發(fā)展尖端技術，不斷突破技術界限。公司領先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術領導力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨立、長期、可持續(xù)地開展業(yè)務。