通用的卫星地球站抗干扰技术及实现方法.docx

通用的卫星地球站抗干扰技术及实现方法.docx

《通用的卫星地球站抗干扰技术及实现方法.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通用的卫星地球站抗干扰技术及实现方法.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

通用的卫星地球站抗干扰技术及实现方法

通用的卫星地球站抗干扰技术及实现方法

广播电视的卫星传输系统采用开放的、无线远程、点对面的传输模式，极易受到干扰。

文章结合我国卫星地球站的实际情况，针对卫星广播电视的信号传输特点，对干扰现象进行了分析，对抗干扰技术进行了研究，提出了一种通用的卫星地球站抗干扰技术及其实现方法。

广播电视卫星传输是利用卫星作为中继站的一点对多点的无线传输，因其具有传输距离远、覆盖面大、传输质量高、容量大等特点，近20年来在我国广播电视事业中得到蓬勃发展和广泛应用。

但卫星传输也存在以下不足：

受雨衰和日凌影响，会造成传输信号的严重衰减或停传；卫星传输信道一般为开放式工作，极易受到干扰或侵害。

2002年以来，我国有关卫星广播电视节目曾多次受到非法信号的恶意干扰，造成严重后果，如何保障卫星广播电视的运行安全和信息安全问题已引起社会的普遍关注。

国内地球站尤其是对于担负多卫星传输任务的地球站，虽已投资更新了大功率上行设备，具备了抗干扰的基本条件，但由于缺乏配套的抗干扰软件和网络管理系统，致使实现抗干扰的技术手段落后。

仅靠传统的人工监测频谱仪和电视图像来发现干扰、判断干扰、处理干扰是远远不够的，这些传统的手段不能保证干扰的及时发现，不能保证每个处理人员主观综合判断的正确性，不能保证每次处理得恰当和及时。

面对以上问题，一个有效的方法就是对监视信号的主观评价客观化，对一般干扰的经验判断通过多点监测和科学的、智能化的综合判断方法，对设备或系统的操作自动化，尽量减少传输对人的依赖。

本文结合我国的实际情况，针对卫星广播电视的信号传输特点，对干扰现象进行了分析，对抗干扰技术进行了研究，提出了一种通用的卫星地球站抗干扰技术及其实现方法。

1、干扰现象分析

1.1干扰成因

现有的国内卫星广播电视系统普遍采用的是透明转发器和单波束赋形收发天线。

并且，因为地球静止轨道位置资源和无线频率资源有限，所以卫星的空间位置和工作频率必须向国际电联申报并要符合国际规定，其参数包括电视信号的编码方式都是公开的。

以上方案的特点是转发器对接收端全部服务区“敞开”。

它能接收和转发服务区内合法用户被指配的频率、带宽和调制方式形成的射频信号，同时能接收和转发服务区内非法用户所发送的具有一定带宽、功率及任何调制形式的射频干扰信号，只要它的载波频率在转发器接收频率范围内。

另外，卫星广播电视的频带利用方式通常由SCPC（单路单载波）和MCPC（多路单载波）两种方式。

采用SCPC方式，多套节目可以通过频率分配共用同一卫星转发器，节省大量的地面节目接收设施，但是由于多载波上行存在互调干扰，转发器功率回退较多，功率利用率不高，而且由于每个载波间需要足够的保护频带，频带利用率也不高，卫星转发器较易受到其他载波信号的干扰，安全性较低。

而MCPC方式下，多套节目共用一个完整的转发器经由同一上行站上行，由于单一载波上行，卫星转发器的功率资源可以得到充分利用，而且节省了多载波上行时的频率保护间隔，转发器可工作在饱和状态，安全得到了最大限度的保护，但也相应增加了地面信号引接设施。

因此，现有的卫星广播电视系统较易受到非法信号的干扰。

并且传输体制采取SCPC较MCPC更易受到非法信号的干扰。

1.2干扰类型及应对措施

（1）从干扰来源上说，主要分为自然现象干扰、设备故障干扰、地面电磁环境干扰、邻星干扰与人为原因造成的干扰等，有些干扰是相互交叉。

自然现象干扰主要包括日凌干扰、雨雪衰等。

日凌干扰目前尚无有效的方法来避免，一般卫星公司会把各地的日凌时间通知用户，以便用户提前做好准备，地球站可通过增大天线口径和接收灵敏度来缩短日凌干扰的持续时间。

而雨（雪）衰所导致的接收信号的恶化有一个渐变过程，可以通过补偿上行链路的雨（雪）衰损耗和留出足够的下行链路的雨衰备余量，来降低因雨（雪）衰造成的损失。

设备故障干扰主要包括卫星故障干扰和地面设备故障干扰两大类。

卫星设备故障干扰可以通过及时切换备份器件，严重时转星或者更换转发器来解决。

而地面设备故障干扰又分为中频转发干扰、地面调频广播干扰、交调干扰、杂散干扰等。

前两者都是属于中频引入的干扰，可通过卫星公司协助排查干扰源以及地球站做好相应的系统或传输线路的电磁屏蔽工作来减小受干扰的可能性。

杂散干扰可通过卫星公司改变受影响转发器的增益档设置、地球站相应提高上行功率来减少干扰影响。

交调干扰可通过地球站严格控制上行功率以及确保调制解调器、上变频器、发射机等有足够的预留回退余量来解决。

地面电磁环境干扰主要包括微波通信中继信号干扰、雷达信号干扰等，可以通过电磁检测和频率协调，以及电磁屏蔽手段来解决问题。

邻星干扰主要分为邻星上行干扰和下行干扰。

前者一般需要卫星公司协调邻星运营商予以解决，而后者则需要地球站调整天线指向、改善天线方向图性能、降低上行功率来解决。

人为原因造成的干扰主要包括人为失误、同极化干扰、反极化干扰、转发器盗用以及恶意干扰等。

人为失误是可以避免的，办法是通过建立完善的管理制度、制定全面细致的故障预案以及增强系统的智能化和自动化水平减少对人的依赖来改进。

同极化干扰可通过卫星公司对各用户的超频率范围和超功率使用及时制止和纠正来解决。

反极化干扰的解决则要求用户在天线上星前或迁移后进行极化调整并且严格控制上行功率。

转发器盗用可以通过把合法用户转移到备用频点，并对非法用户实行卫星定位来保护卫星合法用户利益。

对于恶意干扰，一定要通过降低卫星转发器增益档，加大上行功率压制非法信号、加速研制新型抗干扰卫星等办法彻底杜绝。

（2）从干扰链路上说，分为上行干扰与下行干扰两种。

上行干扰是对卫星透明转发器实施干扰，是目前对卫星广播电视系统的主要干扰方式。

干扰方利用上行地球站天线，对准选定的某颗静止卫星，发射已调制的射频信号，盗用该卫星转发器的频率/功率资源，以进行非法信号的传输；发射已调制或未调制的大功率射频信号，阻塞该卫星的转发器，以使正常的信号传输不能进行或传输质量下降；发射比正常信号功率大得多的已调制的射频信号，强行卫星转发器传输非法信号，并在破译密码基础上使用户接收机收到非授权的非法信号所含的图像等信息。

下行干扰是指干扰地面站正常信号的接收，干扰方利用大功率无线电发射设备，对某颗静止卫星的下行信号直接进行干扰，使对准该卫星的相关地面站不能收到正常信号或接收质量下降，要达到有效干扰，技术复杂，代价太大，一般不可取。

（3）从干扰手段上说，又有数字电视图像干扰和载波或窄带信号干扰之分，前者是指用非法图像干扰，采用和正常广播信号同样的参数，使正常图像出现“马赛克”或“黑屏”，当正常图像的卫星上行信号由于某种原因中断时，则出现完整的非法干扰图像；后者是指用单载波或窄带的恶意干扰，频谱表现为单载波或窄带叠加在正常信号上，造成传输质量的下降，严重时也可能导致正常图像出现“马赛克”，但不会出现非法图像和声音。

1.3干扰过程

了解干扰成因和类型以后，我们再来分析干扰发生时，卫星下行信道参数变化情况。

当天气晴好、无外界干扰、上行系统正常工作时，上行功率和下行信道参数均在正常范围。

出现自然干扰、设备故障或人为失误时，下行误码率变差，载噪比下降。

干扰以单载波或窄带形式出现时，下行信道参数变化情况类似，但从频谱仪上可观察到到单载波（或窄带）尖峰。

而当干扰信号传输带宽、符号率、调制方式、频率等与正常信号传输数据相同情况下，对占用一个完整转发器的MCPC信号载波，因工作在转发器饱和区，叠加干扰信号的正常信号下行电平基本不变，下行频谱无明显变化；对占用部分转发器带宽的MCPC载波或SCPC载波，叠加干扰信号后，若正常信号上行功率不变，下行信道参数将出现一个变化过程，具体如下。

第1阶段：

干扰轻微时，信道误码率上升，接收电平不变，载噪比略有下降，图像解调正常；

第2阶段：

干扰较严重，干扰功率越来越接近正常功率，信道误码率上升，接收电平不变，载噪比变低，图像出现“马赛克”、“静帧”或“黑场”；

第3阶段：

干扰功率与正常功率电平基本相同，误码率大幅上升、载噪比变的更低但接收电平不变，将出现信号失锁，正常信号将完全不能解调，图象出现“黑屏”；

第4阶段：

干扰功率继续加大，高于正常信号功率，但是还没有强到解码器的解调门限，正常信号将淹没在干扰信号中，接收频谱电平比正常信号传输时高，误码率差，信号失锁或偶尔锁定，干扰图像将出现“静帧”或“马赛克”现象；干扰功率继续增加，将出现干扰图像，误码率较前一阶段好转，解码器将锁定干扰信号，信号强度升高，载噪比增加。

若干扰信号功率足够大，有可能直接进入第4阶段。

1.4干扰的判断依据

（1）载噪比。

广播电视信号要能够正常接收，其载噪比必须达到一定值，如果小于这个值，接收信号的误码率就会很高，载噪比小到一定程度时，信号就不能被锁定。

只要干扰发生，信号载噪比都会发生变化，干扰信号经历上述的每个阶段，在正常信号功率不变情况下，接收载噪比将经历从大到小（正常信号强于干扰信号）和从小到大过程（干扰强于正常信号）。

该参数只要变差而正常信号功率不变时，可确定受到干扰，是否属恶意干扰尚难界定。

（2）误码率。

只要发生干扰，不论干扰处于哪个阶段，该参数均会发生变化，当然上行设备故障也会引发误码率变化，但设备故障容易监测到，因此我们可以根据误码率的变化情况监测受干扰程度，并结合其它参数的监测结果，采取相应措施。

但是，单纯通过误码率无法最终为干扰信号定性。

（3）信号锁定状态。

只要干扰方要达到干扰效果，即出现干扰图像，不论干扰出现在哪个阶段，解码器总会经历信号失锁的过程，信号失锁时间长短取决于干扰功率的强度，干扰功率越大，失锁时间越短。

因此信号锁定状态（锁定或失锁）可作为判断干扰的一个参数。

（4）接收信号强度。

干扰处于第1、2和3阶段时，接收信号强度基本不变；当干扰处于第4阶段时，接收信号强度将明显增加，同时节目标识也会发生变化。

（5）节目标识。

每个转发器上有多套广播电视节目，每套广播电视节目都有自己的节目标识，也就是节目身份识别。

信号正常时，节目标识也正常，广播电视节目正常；信号异常时，接收到的节目标识也出现错误，广播电视接收出现异常。

（6）上行功率。

当接收图像出现“黑屏”或“马赛克”时，其原因可根据上行功率值的大小来判别。

若上行功率下降或者无功率输出，则可以判断为上行设备自身故障而非干扰引起；若上行功率不变，则可以判断为干扰引起。

（7）接收信号频谱。

可以通过监测频谱来判断干扰类型，出现单载波和窄带干扰时，频谱波形表现明显。

当出现与正常信号相同参数、相同帧结构的干扰时，虽不能从频谱上明显地观测到干扰信号波形，但仍可以作为判断干扰类型的辅助依据，有利于采取相关的后续措施。

2、卫星地球站的抗干扰系统实现

2.1卫星地球站的抗干扰措施

通过以上对干扰现象的分析，目前，各地球站可以采取以下抗干扰措施。

（1）上行地球站应使用大功率发射机和大口径高增益发射天线：

一旦卫星受干扰时，减小星上接收机增益，加大上行功率，以增强转发器输入载噪比，减小干扰影响。

（2）上行地球站应使用大功率MCPC上行信号推至转发器饱和点：

传送电视节目少用或不用SCPC信号，从而利用转发器饱和点强信号对弱信号的抑制作用特性，进一步减小非法干扰影响。

（3）上行地球站应配备相应的抗干扰系统，通过对地球站所有设备的实时监控，对各类干扰及时发现、判断和处理。

2.2卫星地球站抗干扰系统的实现

该系统使用大功率发射机和大口径高增益发射天线，采集下行信道误码率、信号强度、载噪比、锁定状态、节目标识等参数，与设定的门限实时比对，结合上行设备状态参数和下行载波频谱来判断节目是否受到干扰，若受到干扰则控制相关设备加大上行功率，从而达到对干扰的自动监测、应急处理和使干扰得到有效遏制的目的。

为提高参数判断的准确性，增强抗干扰系统工作的可靠性，避免因单路接收系统故障引起误操作，我们在信道参数接收、参数比对、综合判断、应急处理等各环节采用备份措施。

2.2.1抗干扰的算法流程

其中，根据误码率、载噪比、信号强度等参数的变化情况和信号锁定状态，提升功率进程主要分成3种情况。

（1）如果下行信道误码率超过门限值，载噪比/信号强度下降，但未超过解码器解调门限值，此时解码器虽能解出正常图像，但图像质量会有所下降，那么抗干扰系统自动控制上行设备，小幅度提升上行功率。

（2）如果干扰功率大于正常功率，但不超过门限值，信号将处于失锁状态，此时信号强度要超过正常值，载噪比超出解码器解调门限，解码器无法解出正常图像，也不会解调干扰图象，但会出现黑屏现象，那么抗干扰系统自动控制上行设备，大幅度提升上行功率。

（3）如果干扰功率大于正常功率，且超过门限值，解码器将锁定在干扰载波上，并解调出干扰图像，但此时节目名称发生改变，下行信号强度明显高于正常值；误码率也较正常值高，此时抗干扰系统自动控制上行设备，大幅度提升上行功率。

如果干扰信号突然以大功率发射，解码器要从接收正常信号转为接收干扰信号，必定经过失锁、搜索和锁定这个过程，只要抗干扰系统捕捉到失锁信号，将立即按照情况

（2）来处理，达到有效遏制干扰的目的。

2.2.2系统的模拟试验环境

该系统的模拟试验环境主要包括两套上行系统，一套系统传送正常节目信号，另一个系统模拟干扰信号，通过试验设定各信道参数门限，并检验系统的抗干扰能力。

该模拟环境主要用于进行两种试验：

自环试验和星地大系统试验。

通过站内自环试验设定各信道门限值后，再通过租用卫星转发器，模拟真实的干扰情况，检验所设定的门限值的合理性及抗干扰系统的各项参数。

2.2.3系统结构

具体工作流程为下行工作站从两台接收解码器采集下行信道参数和状态信息，上行工作站从发射机和上变频器采集上行功率数据；抗干扰监控服务器将这些数据与事先设定的各参数门限比对后，进行综合判断，当判断出干扰后，将控制指令发送给上行工作站，并通过监控主机以声光报警提醒值班人员；上行工作站收到指令将所要控制设备的地址翻译出来后，选择控制对象；上行设备收到控制指令后，根据指令内容，确定提升功率的大小并立即动作。

下行信道数据和上行功率数据以及干扰日志储存在数据库中，方便以后的数据查询和分析。

此外，该系统还为站长及其他办公人员提供了浏览和查询功能。

3、结束语

本文所设计的卫星地球站抗干扰系统，采用“电脑”代替“人脑”判断，用“自动”代替“手动”控制，提高判断的准确性和处理的实时性，满足卫星广播电视地球站抗干扰的要求，提高卫星地球站的自动化和智能化水平，并为最终实现地球站的无人值班、有人留守奠定基础，对在全国广播电视地球站和卫星通信地球站的普及推广有重要意义。

文/杨宪敏中国航天科技集团公司中国空间技术研究院航天科技信息研究所

文/郭文军余玉材中国航天科技集团公司中国空间技术研究院卫星应用系统部