魏曉輝，張　健，鐘旭東

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院研究生3隊(duì)，江蘇 南京 210007；2.中國(guó)電子裝備系統(tǒng)工程公司，北京100141；3.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院研究生3隊(duì)，江蘇 南京 210007)

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USAT動(dòng)中通系統(tǒng)鄰星干擾分析與對(duì)策探討

魏曉輝1，張健2，鐘旭東3

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院研究生3隊(duì)，江蘇 南京 210007；2.中國(guó)電子裝備系統(tǒng)工程公司，北京100141；3.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院研究生3隊(duì)，江蘇 南京 210007)

近年來(lái)，空間通信衛(wèi)星數(shù)量快速增長(zhǎng)，由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作頻率有限，因此當(dāng)兩個(gè)覆蓋區(qū)有重疊的通信衛(wèi)星軌道間隔較近時(shí)，區(qū)域內(nèi)同頻率的超小口徑天線終端(Ultra Small Aperture Terminal，USAT)動(dòng)中通系統(tǒng)之間將會(huì)產(chǎn)生鄰星干擾。結(jié)合USAT與靜止衛(wèi)星單鄰星干擾模型，詳細(xì)闡述了鄰星干擾成因，推導(dǎo)了衛(wèi)星軌位間隔與靜止衛(wèi)星單鄰星干擾容限的關(guān)系；同時(shí)研究了鄰星干擾下的鏈路載干噪比門限備余量設(shè)計(jì)問(wèn)題。最后基于數(shù)值仿真結(jié)果，分析了軌位間隔、干擾終端發(fā)射功率及終端天線口徑對(duì)鄰星干擾容限的影響，提出了幾種有效的鄰星干擾對(duì)策。

超小口徑天線終端；動(dòng)中通；鄰星干擾；靜止衛(wèi)星

0　引　言

USAT動(dòng)中通系統(tǒng)是一種車載(或機(jī)載、船載)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，主要是由衛(wèi)星天線，以及衛(wèi)星跟蹤與穩(wěn)定子系統(tǒng)、衛(wèi)星信道設(shè)備、應(yīng)用終端等組成。其天線口徑一般在1.2m以下，甚至0.5m以下。設(shè)備體積小，機(jī)動(dòng)靈活，通信帶寬大，與平臺(tái)共形效果好，能夠在移動(dòng)中與衛(wèi)星建立并保持通信能力，可傳輸圖像、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)，滿足軍事移動(dòng)平臺(tái)和突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)的指揮通信。由于自身優(yōu)良的實(shí)用性能，USAT動(dòng)中通系統(tǒng)在近年來(lái)得到了迅猛的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于軍用與民用的各種領(lǐng)域，數(shù)量與規(guī)模快速增長(zhǎng)。

鄰星干擾是指兩個(gè)通信衛(wèi)星軌道較近、使用頻率相同、且對(duì)地覆蓋區(qū)重疊時(shí)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間發(fā)生相互干擾而降低通信性能的現(xiàn)象，此時(shí)兩個(gè)衛(wèi)星與同一地球站的鏈接夾角較小。由于USAT系統(tǒng)衛(wèi)星天線口徑較小，其天線旁瓣增益較大，大量的用戶終端使系統(tǒng)間的鄰星干擾發(fā)生概率大大增加，干擾導(dǎo)致通信鏈路的性能惡化[1]。此外，目前在軌同步通信衛(wèi)星的數(shù)量日益增加，由于靜止軌位空間非常擁擠，頻率資源短缺，也令鄰星干擾問(wèn)題日趨嚴(yán)重和復(fù)雜，造成通信系統(tǒng)性能惡化甚至通信中斷。因此，鄰星干擾問(wèn)題一直是衛(wèi)星通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]在考慮雨衰影響下對(duì)鄰星干擾產(chǎn)生的系統(tǒng)中斷性能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。文獻(xiàn)[3]研究了TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)產(chǎn)生的鄰星干擾對(duì)動(dòng)中通移動(dòng)站通信性能的影響。文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)了鄰星干擾情況下通信鏈路的誤碼率性能與有用信號(hào)信噪比、干擾信號(hào)信噪比、鏈路夾角和系統(tǒng)中斷率的關(guān)系。

為保證空間各衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)兼容運(yùn)行，國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)針對(duì)鄰星干擾問(wèn)題提出了多個(gè)建議，我國(guó)無(wú)線電管理部門對(duì)衛(wèi)星“動(dòng)中通”地球站提出了相關(guān)要求，通信衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商也對(duì)入網(wǎng)地球站有嚴(yán)格的要求，為滿足ITU和通信衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商的要求，衛(wèi)星通信應(yīng)用系統(tǒng)研制部門從通信體制設(shè)計(jì)到地球站制造與應(yīng)用開展了技術(shù)方面的攻關(guān)。本文基于USAT衛(wèi)星通信現(xiàn)狀，首先詳細(xì)闡述了USAT靜止衛(wèi)星單鄰星干擾模型的干擾樣式與干擾成因，然后基于地球與靜止衛(wèi)星間的幾何關(guān)系得到衛(wèi)星軌位間隔與鏈路夾角的關(guān)系，推導(dǎo)得出靜止衛(wèi)星單鄰星干擾容限，同時(shí)研究了鄰星干擾對(duì)鏈路余量的影響。最后基于數(shù)值仿真分析結(jié)果，分析了軌位間隔、干擾終端發(fā)射功率及終端天線口徑對(duì)鄰星干擾容限的影響，提出了相應(yīng)的鄰星干擾對(duì)策。

1　USAT鄰星干擾模型與成因分析

當(dāng)兩顆衛(wèi)星的通信鏈路夾角過(guò)小時(shí)，一個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)地球站天線上行發(fā)射的主瓣或旁瓣信號(hào)將對(duì)另一個(gè)通信衛(wèi)星鏈路產(chǎn)生干擾，引起其通信系統(tǒng)整體性能惡化；同樣，地球站天線波束較寬時(shí)也會(huì)收到臨星的同頻下行信號(hào)，導(dǎo)致地球站接收性能惡化。隨著地球空間同步軌位日益擁擠，鄰星干擾現(xiàn)象亦日益增長(zhǎng)，其干擾狀況愈顯復(fù)雜。某個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)在受到多個(gè)鄰星通信系統(tǒng)干擾的同時(shí)，亦可能對(duì)多個(gè)鄰星系統(tǒng)造成干擾。而目前在軌衛(wèi)星的數(shù)量與種類繁多，包含了低軌道、中軌道及地球同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)等，且系統(tǒng)間工作頻段、衛(wèi)星通信覆蓋區(qū)域重疊度高，干擾狀況極為復(fù)雜。為簡(jiǎn)化分析，本文以USAT靜止衛(wèi)星單鄰星干擾模型為基礎(chǔ)，對(duì)鄰星干擾的成因進(jìn)行分析。

如圖1所示，本星A與USAT動(dòng)中通終端Ua為被干擾對(duì)象，干擾鄰星B與USAT動(dòng)中通終端Ub為干擾信號(hào)源，Ua、Ub終端位置處于本星A與干擾鄰星B的波束重疊覆蓋區(qū)內(nèi)。本星A的正常通信過(guò)程受到了來(lái)自干擾終端Ub的上行干擾信號(hào)，且本星USAT動(dòng)中通終端Ua受到了來(lái)自鄰星B的下行干擾信號(hào)，θ為進(jìn)入終端Ua的兩條衛(wèi)星鏈路的夾角(單位為度)?？紤]簡(jiǎn)單的情況，即當(dāng)天線直徑大于電波波長(zhǎng)的100倍時(shí)，且θ值位1至7度時(shí)，鄰星下行干擾對(duì)本星USAT終端的干擾增益[5]為：

G=29-25logθ(dBi)

(1)

可以看出，當(dāng)夾角θ值較小時(shí)，干擾增益較大，將對(duì)重疊覆蓋區(qū)內(nèi)的其他通信系統(tǒng)造成嚴(yán)重干擾。

圖1　USAT靜止衛(wèi)星單鄰星干擾模型

此外，由面天線理論易知，USAT動(dòng)中通系統(tǒng)終端天線口徑較小，導(dǎo)致輻射能量嚴(yán)重分散，其主波瓣寬度大，且旁瓣較高。工程計(jì)算上常用主波瓣增益下降一半的角度φ3dB來(lái)表示天線的波束寬度，即：

(2)

式中，λ為通信信號(hào)波長(zhǎng)，D為天線口徑。

下面以USAT系統(tǒng)常用的C、Ku及Ka波段頻率，對(duì)天線波束寬度與天線口徑的關(guān)系進(jìn)行仿真分析。圖2為波束寬度隨天線口徑變化仿真結(jié)果，圖中仿真的各波段頻率分別為5 GHz、13 GHz、25 GHz。結(jié)果表明，波束寬度隨著天線口徑的減小迅速增加，進(jìn)而導(dǎo)致鄰星干擾信號(hào)容易進(jìn)入U(xiǎn)SAT終端主波瓣形成下行干擾，同時(shí)USAT終端天線偏軸增益變大，當(dāng)天線跟蹤誤差較大時(shí)易對(duì)其他系統(tǒng)造成較為嚴(yán)重的上行干擾。

2　鄰星干擾分析

2.1靜止衛(wèi)星單鄰星干擾容限

若令圖1所示干擾模型中的本星A與干擾鄰星B相距距離為d,USAT動(dòng)中通終端Ua到本星A的距離為dA,到干擾鄰星的距離為dB；本星A與干擾鄰星B到地心的距離為r,二者與地心連線的夾角，也即軌位間隔為δ；由地球與靜止衛(wèi)星之間的幾何關(guān)系容易推導(dǎo)出如下方程：

(3)

可以解得：

(4)

實(shí)際工程上估算時(shí)，常取θ≈1.1δ[6]。

為了有效限制系統(tǒng)間干擾，國(guó)際電聯(lián)等組織對(duì)地面天線口徑與輻射方向?qū)嵤┝藝?yán)格的限制規(guī)則。FCC、OSTR83.2具有較為苛刻的要求，相對(duì)峰值歸一化(1或0 dB)的旁瓣包絡(luò)電平(單位dBi)應(yīng)該不超過(guò)下式規(guī)定：

(5)

由圖1所示干擾模型，干擾終端Ub對(duì)本星A的上行干擾功率Iu可表示為：

(6)

(7)

式中，EIRPUa即為終端Ua對(duì)本星A的有效全向輻射功率，GUa為本星A在終端Ua方向的衛(wèi)星天線增益。

(8)

綜上可得上行鏈路的載干比為(以分貝計(jì)算)：

(9)

(10)

因此，可以得到干擾鄰星B的通信系統(tǒng)引起的總載干比為：

(11)

在實(shí)際的鄰星干擾分析中，若已知衛(wèi)星軌位間隔、干擾終端的天線增益等諸多參數(shù)時(shí)，可用式(10)作簡(jiǎn)要估計(jì)，以量化載干比惡化程度，確定鄰星干擾容限，保證鏈路通信質(zhì)量。

2.2鄰星干擾下的鏈路載干噪比門限備余量選擇

(12)

(13)

聯(lián)合式(12)與式(13)可得出鄰星干擾項(xiàng)與門限備余量關(guān)系式如下：

(14)

若鏈路載干噪比門限備余量ML較小，則通信系統(tǒng)性能將不夠穩(wěn)定；反之過(guò)高時(shí)，則將增加系統(tǒng)額外的工程設(shè)備成本，造成資源浪費(fèi)。因此，考慮鄰星干擾項(xiàng)對(duì)門限備余量的影響，對(duì)于實(shí)際工程設(shè)計(jì)具有重要意義。

3　數(shù)值仿真與鄰星干擾對(duì)策

圖3　總載干比受軸向EIRP的影響結(jié)果

圖4為總載干比隨系統(tǒng)終端天線口徑變化的結(jié)果，其中終端Ua在本星A方向的接收天線增益GAa選擇42 dB(天線口徑0.9 m)、30 dB(天線口徑0.5 m)。由結(jié)果可以看出，當(dāng)軌位間隔2度時(shí)，0.9 m、0.5 m天線分別達(dá)到的系統(tǒng)總載干比為14.5 dB、12 dB，大天線終端的載干比提高了約2.5 dB。因此在考慮固定鄰星干擾時(shí)，USAT可以合理采用更大的天線口徑以降低鄰星干擾造成的不良影響。而且在一定意義上，USAT動(dòng)中通系統(tǒng)亦應(yīng)限制用戶終端天線的最小口徑，避免口徑過(guò)小造成的通信干擾或中斷。

圖4　總載干比隨終端天線口徑變化的結(jié)果

圖5　鏈路載干噪比門限備余量仿真曲線

4　結(jié)　語(yǔ)

結(jié)合USAT系統(tǒng)通信實(shí)際，本文從靜止衛(wèi)星單鄰星干擾模型的角度分析了鄰星干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并分析了能夠有效對(duì)抗鄰星干擾的對(duì)策，對(duì)于USAT動(dòng)中通系統(tǒng)通信鏈路的合理設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)良好的通信性能具有重要的實(shí)用意義。但隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展與USAT動(dòng)中通系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)通信所處的電磁環(huán)境將更趨復(fù)雜化，干擾源種類與樣式更趨多樣化。例如，USAT通信系統(tǒng)可能面臨靜止衛(wèi)星多鄰星干擾、運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星鄰星干擾、多軌道衛(wèi)星復(fù)合干擾等諸多干擾狀況。下一步，我們將對(duì)這些情況進(jìn)行深入的研究。

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魏曉輝(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘旎畔⑾到y(tǒng)；

張健(1964—)，男，研究員，博士，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信；

鐘旭東(1991—) ，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信。

Analysis and Countermeasures ofAdjacent Satellite Interference in USAT Satcom on Move

WEI Xiao-hui1, ZHANG Jian2, ZHONG Xu-dong1

(1.Postgraduate Team 3,ICE,PLA University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu 210007,China;2.Electronics Technology Group Equipment System Engineering Company, Beijing 100141,China)

In recent years, the number of space communication satellites increases rapidly, and however, due to the limited working frequency of satellite communication system, USAT (Ultra Small Aperture Terminal) in the same domain with the same frequency would generate adjacent-satellite interference when there exists a close interval of between the satellite orbits in two coverage areas . The cause of adjacent satellite interference is described in combination of USAT with single satellite adjacent satellite interference model, and the relation of satellite orbit interval and geostationary single satellite adjacent satellite interference tolerance also deduced. Meanwhile, the design of the link load interference noise ratio threshold in the condition of the adjacent satellite interference is studied. Finally, based on the results of numerical simulation, the influence of orbit space, transmission power and terminal antenna aperture on the interference tolerance is discussed,and several effective countermeasures of adjacent satellite interference also presented.

USAT; satcom on move; adjacent satellite interference; geostationary satellite

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.03.010

2015-10-01；

2016-01-18Received date:2015-10-01；Revised date：2016-01-18

TN927.23

A

1002-0802(2016)03-0301-05