卫星信号传播范文（精选7篇）
卫星信号传播 第1篇
1 大气层概述
围绕地球的气体圈称为大气层, 大气层根据物理特性大致分为对流层、同温层和电离层三部分。
对流层是大气层中最低的一层。从地面开始, 一直到达15km左右的高度, 对流层内气体运动是十分活跃的, 故而得名。对流层内空气的密度比较大, 通常气体的密度随着高度变化, 同时又受到气候条件的影响, 故其分布规律是十分复杂的。云、雨、雪、冰雹、雷电、气体湍流等自然现象均发生在对流层内。在整个大气层中, 对流层对卫星的上行和下行信号的影响是最突出的, 这些影响包括在对电波的衰减、改变电波的极化方式等方面。
同温层位于地面上方15km至50km的区域之内, 由于该层内部的温度变化不大, 故而得名。同温层内部气体密度较小, 同时气体的运动也比较少, 因此同温层对电波传播的影响是非常小的。通常, 同温层对电波传播的影响是可以不加考虑的。
电离层分布在地面上方55km以上的区域之内, 其上限距地面的高度可达10000km以上。由于太阳光中紫外线和来自太空的宇宙射线的影响, 使得此区域内相当多的气体被电离, 形成离子和自由电子并存的局面, 因此称为电离层。在地球磁场的作用下, 电离层本身成为了一种不均匀的、各向异性的导电介质, 因此对不同频率的无线电波都产生影响。
电离层对卫星广播使用的厘米波波段的影响主要是使电波的极化方向发生变化, 即所谓的法拉第旋转效应。
2 大气层对卫星信号的影响
2.1 大气不均匀性的影响
大气的不均匀性主要是指对流层内气体的密度不均匀, 同时也可以包含气体的运动。一般来说, 气体的密度在地面附近比较大, 随着高度的增高, 气体的密度逐渐减小, 但由于受到不同气象条件的影响, 气体密度分布规律是十分复杂的。气体密度的不均匀性导致气体的折射率也不均匀, 从而使电波在传播过程中会发生折射现象, 从而导致电波的衰落和多径传输。
卫星广播的电波传输路径是斜路径, 通常天线的仰角要大于10度, 因此多径传输的现象在卫星广播中基本上是不存在的。气体不均匀性对卫星广播的影响主要体现在信号的快速衰落上。环境温度、空气的温度、气压等参数的不均匀及随时间的的变化, 使得气体的折射率发生比较小数量级的变化, 这种变化进一步使电波发生快速衰落。在厘米波波段, 电波衰落的幅度通常在0.5d B的范围以内, 衰落变化时间的数量级为数分钟到数十分钟, 快速衰落的特点是信号瞬时值发生快速的变化, 而平均值则比较稳定。长期测量和理论分析都是十分复杂的工作。
2.2 水汽微粒产生的衰减
对流层内的水汽微粒包括云、雨、雪、冰雹、冰晶等, 它们又被称为是水汽凝结体, 当电波穿过对流层中的水汽微粒时, 就会产生衰减。水汽微粒对电波产生衰减的机制是, 每个微粒在入射电波的作用之下被激发成为电偶极子、磁偶极子和四极子, 电偶极子和磁偶极子都是最基本的天线模型, 在此过程中水汽微粒从入射电波中吸收的一部分能量转化称为热量, 而另一部分能量则被辐射出去, 形成微粒对电波的散射。吸收和散射的能量与水汽微粒的形状、线度、折射率、吸收系数、微炷分布以及电波的波长、环境温度、气压等因素有关。
在卫星广播的电波传播过程中, 降雨产生的衰减为最大的, 而云雾的影响是可忽略不计的。
2.3 对流层的去极化效应
去极化效应是指线极化波穿过各向异性介质时, 极化方向发生改变的物理现象。对流层中的去极化效应是由于降雨或冰晶引起的。雨滴本身的形状很不规则, 同时雨滴的下降路线也很复杂, 因此降雨区域内的介质应该按照各向异性介质来处理。由于降雨产生的散射对不同极化方向、不同入射方向的电波是不一样的, 因此当电波穿过降雨区域后, 就会产生所谓的交叉极化分量, 从而使线极化电波的极化方向产生了改变;而对于圆极化波来说由于对流层去极化效应的存在, 当电波穿过降雨区域之后圆极化波就变成了椭圆极化波。对于卫星广播来说, 对流层的去极化现象会引起交叉极化干扰, 从而在一定程度上影响了频率复用。
2.4 水蒸汽和氧气的吸收作用
在对流层中, 水蒸汽和氧气对厘米波波段的电波有着明显的吸收作用, 这可以用分子谐振的理论来解释。理论分析表明, 水蒸汽的分子是电偶极子, 它分别在60GHz (波长为0.5cm) 和120GHz (波长为0.25cm) 时谐振。
根据国际电联676-1建议书中给出的方法, 当温度为15度, 气压为1013MPa, 水蒸汽的密度为7.5/m2水蒸汽和氧气的吸收系数曲线, 在厘米波和毫米波波段内存在着几个适合于卫星广播和卫星通信使用的频带, 通常称为“窗”, 它们分别是:15GHz以下、30~40GHz、70~100GHz, 在这些“窗”的范围之内躲开了氧气和水蒸汽的吸收现象, 因此电波的损耗比较小。
2.5 电离层的影响
由于太阳光中的紫外线和其它宇宙射线的辐射, 使得海拔高度在55~1000km范围之内的大气电离, 形成自由电子、离子和中性粒子组面的等离子体, 我们可以将电离层当作是不均匀的导电介质。电离层对长波、中波和短波来说是一个反射层, 频率在30MHz以内的电波是很难穿过电离层的, 而在卫星广播工作的厘米波波段内, 电波穿过电离层是没有困难的, 而电离层对电波的主要影响是使线极化波的极化方向发生变化的法拉第旋转效应, 另外的影响就是产生电离层闪烁现象。
电离层闪烁现象就是一种电波的快速衰落现象, 具体表现为:电波穿过电离层之后, 电场的幅度、相位和极化状态都会发生较短周期的不规则变化。电离层闪烁与纬度、季节、时间、太阳的活动等因素有关, 通常是根据实际观测数据来研究电离层的闪烁部问题。在厘米波波段内分析的结果表明, 电离层闪烁的周期约在2~15秒的范围之内, 而闪烁的幅度大概与频率的平方成反比。
总之, 通常情况下, 大气层对卫星通信影响较为明显, 电离层磁暴使电离层闪烁加剧, 从而可能导致VHF-L波段的卫星通信信号出现短时中断, 严重时会影响到C波段卫星通信信号;法拉第电磁旋转效应在此期间甚至可能会对C波段及以上频段卫星信号产生影响。由此可见, 卫星通信与大气层情况密不可分, 积极主动地掌握有关大气层的规律, 对于保护卫星通信设施, 保障卫星通信链路通畅等, 都是非常有益而且必要的。
参考文献
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[2]余英.太阳活动对卫星通信的影响[J].广播与电视技术, 2000.
卫星多光谱信号的仿真研究 第2篇
目标特性合成场景的逼真度取决于目标和背景仿真软件对基本物理现象描述的能力。对于光学系统的仿真测试,需要给出一系列的时间序列图像来模拟真实的操作环境,因此,必须对目标光学特性的时间变化规律建模。地球卫星是空间目标特性研究的主要对象。对于被动方式探测的传感器,卫星的光学信号由卫星对太阳、地球等外部辐射源的反射和自身红外辐射形成,影响卫星光学信号的因素包括卫星表面的光学特性和卫星与太阳、地球以及探测器之间的位置关系。因此,按照基本的物理原理对卫星光学信号进行仿真的过程中,需要综合分析这些影响因素,建立这些影响因素的物理模型。
对于可见光和红外波段,卫星的光学信号主要受太阳辐射和地球反照影响。光学特性仿真计算模型中,首先要构建卫星的几何网格模型,根据卫星的轨道参数确定空间的位置矢量,进行坐标变换,判断卫星与太阳、地球和传感器的相对位置关系,然后确定外部辐射条件,计算卫星表面的温度场;最后,使用BRDF模型计算传感器探测波段上的辐射强度和辐射亮度分布。在生成具有时间变化特性的光学特性数据时,还需要考虑影响卫星信号时间变化特性的因素。在空间轨道上的环境中,影响卫星光学信号的时变因素包括空间特殊环境对表面材料状态的影响和卫星轨道位置和姿态的变化。满足仿真时间序列图像要求的空间目标特性仿真中,对时间变化特性的建模主要考虑卫星轨道位置和姿态的变化对卫星光学信信号的影响。
1 卫星运动和姿态模型
1.1 轨道计算
卫星光学信号的仿真首先要确定卫星的轨道位置,卫星的运动由卫星轨道运行方程描述:
其中:F0表示在将地球作为质点情况下卫星作二体椭圆运动所受到的作用力,Fε表示卫星在轨道上受到的地球非球形引力、大气阻力、日月引力、太阳光压、卫星姿控动力等各种摄动力。在几个轨道周期之内的计算中,可以忽略摄动力的影响,用开普勒行星运动定律描述卫星的运动,根据6个轨道根数确定卫星的位置和速度矢量[1,2,4]。
1.2 坐标变换关系
卫星、太阳、地球以及观测平台位置关系的判断和计算需要构建统一协调的惯性坐标系统。按照天文学中对时间系统的约定,首先将格里高利历时间转换成儒略纪年对应的时间,以计算恒星、行星和月球的平位置和岁差、章动量[1,2]。卫星信号仿真中的坐标变换包括了从J2000地心平赤道坐标系到J2000轨道坐标系的变换[1,2]和从本体坐标系到J2000轨道坐标系之间的变换。这里给出从本体坐标系到在J2000轨道坐标系的变换关系。
卫星本体坐标系原点O为卫星的质心,Z轴指向地心,X轴指向卫星的运动方向,Y轴与X、Z轴构成右手坐标系,指向卫星轨道面负法向。设某点在卫星本体坐标系中的位置矢量为r′,外法向矢量为n′;在J2000轨道坐标系中的位置矢量r,外法向矢量为n;卫星质心在J2000轨道坐标系中的位置矢量为rsat,则坐标变换关系式为[2]
其中:AsatJ2000为坐标变换矩阵,三个列向量分别为卫星本体坐标系的三个坐标轴在J2000轨道坐标系中的方向余弦,即
式中:rsat和分别为J2000轨道坐标系中卫星的位置矢量和速度矢量。
1.3 太阳位置矢量的计算
使用天年历中给出平黄赤交角εs和近地点平黄径Γs公式[1]算太阳赤经δs和太阳赤纬αs[3,4]:
根据太阳赤经和赤纬计算J2000地心平赤道坐标系上太阳位置矢量rsun的三个分量[3]
在太阳翼对日定向的数学模型中,需要将太阳方位矢量从J2000轨道坐标系变换到卫星本体坐标系中。因为变换矩阵A为正交单位阵,因此有A-1=AT,可得
1.4 卫星姿态模型
正常工作过程中,卫星姿态控制过程中卫星姿态的振荡幅度很小[5],在目标特性的仿真中可以使用姿态稳定位置建立卫星的姿态描述。对相对卫星本体转动具有特定指向功能的卫星部件,包括对日定向的太阳翼和对目标指向的各种星载仪器,其空间姿态的变化如下建模:以这些部件与卫星的铰接点为原点,三个坐标轴与卫星本体坐标系的坐标轴相平行建立这些部件几何网格的局部坐标系。轨道计算后,根据得到的太阳位置矢量或仪器指向位置确定这些部件上局部坐标系三个坐标轴在卫星本体坐标系中的方向矢量,进行坐标变换得到指向后卫星的几何网格。
以太阳翼的对日定向为例描述卫星运动部件的姿态建模方法。对于双自由度的转动系统,对日定向过程中太阳翼正面法向始终指向太阳方向,相当于将与太阳翼固连的局部坐标系对日定向旋转,其Z轴指向太阳,X轴与本体坐标系Y轴垂直,坐标变换关系为
其中:rv为局部坐标系中的坐标矢量;rg为铰接点在本体坐标系中的坐标;B为变换矩阵,其三个列向量分别为
根据计算历元时刻卫星本体坐标系中的太阳方位r′sun,将太阳翼在固连局部坐标系中的几何坐标变换到对日定向转动后的坐标系中,就得到了在本体坐标系中太阳翼几何网格的坐标。
2 卫星温度场计算
卫星在太空环境下的传热方式主要是辐射和导热,通过外热流分析给出外表面边界上的辐射热流边界;综合考虑卫星内部仪器的发热量和传热结构,给出在卫星壳体内表面上的等效热流边界。
对于包含热流源项的瞬态导热方程
其中:C为热容;(GC)dT/dt表示温度变化引起的热量变化,S为热流源项。
采用有限差分的格式得到求解卫星温度场的节点网络方程组,对其中的任何一个节点,外热流源项包括太阳辐射、地球反照太阳辐射、地球辐射、向外辐射的热量,以及其它表面节点的到达该节点的辐射、反射外部辐射源后到达该节点的热量和内部发热部件的等效辐射热源项[3,6]。通过对微分项和高次项进行适当的处理,将得到的节点传热方程组线性化[7]。这样,就推导得出考虑间接反射外表面和内表面上离散化的节点传热微分方程的具体形式:
其中:ai为节点i的吸收率;Si为外表面节点上的外热源项;bi=εi⋅σ⋅Ai,εi为节点i的发射率,σ为波尔兹曼黑体常数,Ai为节点的面积;cij=∑k≠jFkjρkFik,Fkj为从节点k到节点j角系数,ρk为节点k的反射率,Fik为从节点i到节点k角系数;Kji=Aij(Tj-Ti)(σi2ki+σj2kj),Aij为节点i和节点j之间的接触面积,σi为节点i距接触面的距离。
通过对卫星结构的合理分析和简化,适当地划分表面节点并给出合理的热物理和内热源参数,然后应用线性方程组的求解方法进行迭代求解,得到卫星表面上的温度场分布。
3 光学特性的建模
3.1 BRDF的模型选择
作为算法的验证和对卫星光学信号特征的研究,对一类带有两个太阳电池帆板的壳体结构卫星进行简化,不考虑散热面,对地面涂白漆,其余三个面上包覆镀银的聚酰亚胺薄膜多层隔热材料,太阳翼正面为太阳电池,太阳翼的背面涂白漆。这些材料表面反射特性用双向反射分布函数(BRDF)[8]计算。目前的程序中使用了目标光学信号的仿真领域常用的S-R模型计算BRDF,具体公式请参考文献[9]。
图1和图2分别给出了太阳电池板和镀银二次表面镜多层隔热材料的在0.5µm部分BRDF结果,前缀sil-表示镀银二次表面镜多层隔热材料,sol-表示太阳电池板;数字表示入射角(º)。可以看出,0.5µm波长下太阳电池板呈现出较强的漫射性,而镀银二次表面镜多层隔热材料具有很强的镜向性;10µm下两种材料都呈现了很强的镜向性,镀银二次表面镜多层隔热材料镜向更强;材料光学特性随着波长增加镜向性增加,并且随着入射角的增加镜向性增加。
3.2 可见光波段信号计算公式的推导
目标特性的研究是为了得到传感器探测的可观测量和相对比探测背景的对比度探测指标,因此,目标特性的仿真必须模拟目标的光谱强度和表面亮度的光谱和时空变化规律。
地球轨道卫星在可见光和红外波段的光学信号为对太阳、地球等外部辐射的反射叠加产生的有效辐射[10,11,12]。根据计算卫星表面直接反射和自身辐射的公式和使用BRDF计算表面间直接和间接反射的公式[9,10,11],这里进一步推导了考虑直接和间接反射的辐射强度积分公式。
卫星表面反射太阳辐照所形成的辐射强度为
地球反照太阳辐射和地球红外辐射对卫星表面节点上的半球空间中是均匀和漫照射。可见光波近红外波段只有地球反照形成的反射辐射强度可表示为
红外波段包括地球反照和地球红外辐射形成的反射辐射强度:
卫星在红外波段自身辐射形成的辐射强度为
总的可见光信号强度
总的红外信号强度
可见光和近红外波段卫星表面节点i的法向方向上所产生的有效辐射亮度为对太阳辐射和地球反照的和,可表示为
红外波段表面节点i的法向方向上所产生的有效辐射亮度为对太阳辐射、地球反照、地球红外辐射的反射和卫星本身辐射的和,可表示为
其中:S0λ为波长λ上入射的太阳光谱辐照量,在计算中假定太阳的光谱分布与6000K黑体辐射的光谱分布相同[3];E0λ为波长λ上入射的地球红外辐照量,在计算中假定地球的光谱分布与254K黑体辐射的光谱分布相同[3];Ebλi为节点i上波长λ的黑体光谱辐射力,由Planck定律计算。
Fsi,FESi,FEi,Fij分别为表面节点i上的太阳角系数、地球反照角系数、地球辐射角系数和表面节点j相对于节点i的角系数,计算公式可参考文献[3]。ri,rr,rn,rij分别为入射方位矢量,反射方位矢量,表面节点i的法线矢量和表面节点i与节点j连线的方位矢量。
式中的括号外的求和表示对所有对观测方向可见的表面节点的求和,括号内的求和表示对所有该表面节点可见的其它节点的求和,这样,在辐射特性的计算中考虑了对太阳辐射和地球反照的直接反射和间接反射作用。
4 结果和讨论
使用文献[2]给出的圆轨道MSTI3卫星的轨道参数,但仿真开始的历元时刻定为2007年5月20日00:00:00,得到了卫星在空间轨道上连续的序列时间点上卫星辐射强度和辐射亮度的仿真结果。图3和图4分别给出了00:30时刻双自由度太阳翼卫星可见光和红外法向辐射亮度分布图,两图的上半部分朝着+Y方向,下半部分朝着-Y方向。图5和图6分别给出了00:30时刻双自由度太阳翼卫星的辐射强度特性图。
根据仿真的结果,可以得出如下的结论:1)沿着+Y方向有阳光入射,卫星表面的反射亮度取决于表面材料性质,壳体上包覆镀银聚酰亚胺薄膜二次表面镜材料部位的反射亮度远大于太阳翼的表面,沿着-Y表面无太阳入射,表面反射亮度接近0,如图3所示。2)可见光波段卫星信号的强度与太阳方位矢量密切相关,太阳同步轨道卫星轨道面与阳光入射方向保持不变,因此信号强度的最大值在90°天顶角105°方位角附近,朝着+Y轴方向;在90°天顶角285°方位角附近有一个弱的峰值,朝着-Y轴方向,如图5所示。3)红外波段卫星的有效辐射取决于卫星表面的自身辐射,因此表面亮度的分布与温度的分布基本相同,在太阳翼上具有最高的温度,因此也具有最高的红外辐射亮度;壳体向着太阳的面具有较高的温度,也具有较高的红外辐射亮度,如图4所示。4)红外辐射强度的空间分布呈现两个明显的峰值,分别在天顶角90°方位角70°和天顶角90°和方位角250°位置,相对坐标原点对称,与太阳翼在本体坐标系中的投影面积最大值方向一致,如图6所示。5)可见光波段与红外波段辐射强度的空间分布呈现明显不同的规律,可见光信号强度只有一个明显的峰值,并且强度变化很剧烈;红外信号强度有两个峰值,强度变化要缓和得多;原因在于表面材料在可见光波段具有明显的镜向特性,而在红外波段表面的发射系数更接近于朗伯体。6)由于太阳同步轨道卫星的轨道面始终与太阳方位矢量呈相同的夹角,因此在各个轨道位置上卫星的可见光和红外信号在本体坐标系中具有与上面相类似的分布规律。
摘要：卫星的红外和可见光信号的特征取决于外部太阳辐射光源的状况,与卫星的运动和姿态确定方式密切相关。按照基本的物理原理对可见光波段卫星红外和光学信号的建模,根据卫星与太阳、地球和传感器的相对位置关系和材料表面光学特性来计算卫星的光学信号。在轨道计算和坐标变换过程中,建立太阳翼对日定向的数学模型来考虑卫星运动和姿态的变化。卫星表面材料的光学特性使用了S-R双向反射分布函数(BRDF)模型,并推导了考虑直接反射和间接反射红外和可见光信号的计算公式。最后,采用太阳同步轨道的轨道根数进行模拟计算,得到了模型卫星辐射强度的分布和辐射亮度序列灰度图像,并分析了卫星红外和可见光信号的特征。
关键词：信号,红外,可见光,卫星,姿态,光学特性
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相邻GEO卫星信号干扰分析 第3篇
卫星通信是国内、国际提供骨干线路的三大通信网传输基础设施之一,它可以在任何地方提供接入服务,其灵活方便性是地面通信网不可替代的。卫星转发器是整个卫星通信网络的必经通道,网中所有信号都要通过转发器转发;而且,在它覆盖波束下的地球站都能向转发器发送信号,所以它特别容易受到各种干扰尤其是人为干扰的影响。相邻轨位的卫星,转发器频段相近,一旦落入对方频段内,信号功率偏大,造成一种人为干扰,就会直接影响对方卫星通信的正常使用,给用户终端造成不必要的影响。如2010年7月上旬,印尼PALAPA PAC-C146E卫星与COMPASS系统CHINASAT-35C卫星产生了互扰。通过上述2颗相邻轨位GEO通信卫星产生的干扰现象,根据CDMA体制下的干扰信号频谱分析,采取相互降低干扰源功率减弱对邻近卫星用户信号干扰的方案。并在此基础上,主动采用自适应干扰估计抵消技术,进一步消除相邻卫星干扰影响。
1 干扰信号分析
印尼PALAPA PAC-C 146E卫星为地球静止通信卫星,提供模拟电视、数字电视和数据通信服务,采用水平和垂直线极化方式,水平极化下行的干扰信号与COMPASS系统的CHINASAT-35C扩频信号类似,且频带有约4 MHz带宽重叠,处理稍微不当,就可能对邻近卫星造成有害干扰。COMPASS系统和印尼卫星的数据分别通过144.5E和146E卫星C/C转发器进行传输。由于COMPASS系统用于数据传输的监测站采用天线口径较小(监测站采用3.7 m天线),且其旁瓣增益较大,旁瓣波束宽度约为3°,各监测站的上行旁瓣信号可能直接干扰相邻印尼146E通信卫星,而印尼卫星上行信号有可能对COMPASS系统产生有害干扰,如图1所示。
1.1多址干扰信号链路计算
假设各码分多址(CDMA)用户信号到达接收机天线口面的功率电平相等,并且系统无外来单频干扰,只存在多址干扰和高斯白噪声干扰[1]。
在CDMA系统中,设每个用户发送带宽为W,功率为C,则每个期望用户信号将受到功率为(K-1)C的高斯干扰(对于CDMA系统中的任意一个期望信号,其他多路干扰信号的合信号可以近似认为服从高斯分布)和功率为WN0的加性高斯噪声的恶化[2]。这种情况下,低噪放入口处的等效载波噪声功率比为:
因此,多用户干扰下的等效比特信噪比为:
式中,
从式(1)可以看出多址情况下的信噪比,比单用户情况下增加了一个恶化项
为了达到给定的系统性能指标,由以上公式计算得出的值至少要达到所需的门限信噪比
假设K=17,扩频码速率Rc=5.115 Mcps,扩频码频谱带宽W=10.23 MHz,接收信息速率Rb=27.5 kbps,由式(1)可得:
因此,考虑多址干扰的总载噪比C/N0=57.7 dBHz,比不考虑多址干扰的总载噪比减少了11 dB左右。
1.2下行干扰分析
CHINASAT-35C卫星C/C转发器下行有效全向辐射功率(EIRP)为24 dBW,而双方卫星网络完成协调时限制EIRP为17.1 dBW(带宽为10.23 MHz)高于完成协调的限制条件。
目前COMPASS系统有多个监测站(假设K=17),存在多址干扰情况下,COMPASS中心站接收各外站下行信号总载噪比范围约为52～57 dBHz,根据多址干扰信号链路计算方法,多址信号对单站有用信号的影响约为11 dB,也就是在不考虑多址干扰的情况下,单站下行信号总载噪比范围约为63～68 dBHz,根据公式计算:
式中,
根据式(2)计算单站EIRPS1=2.4～7.4 dBW,则17路下行信号EIRPS总=14.7～19.7 dBW,按照国际电联有关规定,双方协调好最大下行EIRPS小于17.1 dBW基本一致[6]。因此,正常情况下CHINASAT-35C卫星C/C转发器的下行信号不会对印尼146E通信卫星下行产生干扰,或者影响很小。
1.3上行干扰分析
以COMPASS系统的某个监测站为例,假设其卫通天线为3.7 m,第一旁瓣增益可达31.6 dBi,波束宽度为3°,为了保证主控站接收所有监测站入站数据,许多外站发射功率均为饱和输出。通过提取某个监测站天线跟踪数据分析,其方位角变化约4°,俯仰角变化约2°。根据计算,CHINASAT-35C卫星和印尼卫星146E的方位角之差与俯仰角之差分别为2°和1°。这样导致的结果是:监测站旁瓣信号大部分进入印尼卫星146E的C/C通信转发器中,有时其主瓣信号对印尼卫星产生了干扰,印尼为保证其信号不受影响而上调出站功率,这样也会对COMPASS系统造成有害干扰。
2 用例与算法仿真
通过对COMPASS系统CHINASAT-35C卫星与相邻的印尼146E卫星信号干扰分析,解决相邻卫星信号干扰从以下2个方面进行:首先,互相微调C频段上行出站功率,在卫星C/C转发器工作条件不变时,操作者双方都应工作在协调限制范围内,即在保证COMPASS系统各监测站正常工作情况下,平衡各站入站载噪比C/N0,使之均衡、合理,减弱对印尼卫星的干扰;而印尼卫星也相应调整,以期不对COMPASS系统造成不利影响;其次,在卫星接收终端中采用自适应抗干扰技术消除相邻卫星干扰信号的影响。
根据解决方案,首先通过人工调整并平衡地面站的出站功率,利用13 m天线接收印尼146E卫星下行信号,比较功率调整前后带内某点频(3 850 Hz)信号功率变化,可以看出,带内干扰信号消除较为明显,如图2所示,其中图(a)为功率调整前频谱图,图(b)为功率调整后频谱图,中心频率为3.850 00 GHz,频率跨度为20.00 GHz。
其次,在卫星接收终端采用盲自适应干扰估计抵消技术[3,4]。自适应干扰估计抵消技术基于干扰的广义平稳模型,假定干扰是循环平稳过程,采用频移(FRESH)滤波器取代传统的线性时不变滤波器作为白化滤波器,FRESH滤波器将输入信号及其共扼进行一系列频移操作,再通过一组线性时不变滤波器进行滤波,最后将输出相加,预测出干扰,再从接收信号中减去干扰的估计值,从而抵消掉绝大部分干扰能量,提高输出信号与干扰加噪声比(SINR),使残余干扰接近为白噪声。这种“谱分集”能增加对干扰估计的准确性,从而得到更优的干扰抑制性能。针对直扩通信系统中盲自适应抗干扰研究,梅阳等提出一种改进稳健的递归最小二乘(RRLS)算法正交稳健的递归最小二乘(ORRLS)算法[5],改进后的算法在强干扰情况下仍能稳健地收敛,仿真如图3所示。从图3可以看出,经过滤波算法处理之后的合成信号频谱变得平坦,而且被大大减低,干扰信号对系统的压制影响得到了有效遏制。
3 结束语
对相邻卫星干扰信号进行了分析,通过相互调整信号出站功率解决相邻卫星干扰问题,从而有效地降低干扰信号功率,但无法从根本上解决卫星干扰问题;不过,可以通过在卫星信号接收终端主动采用盲自适应干扰估计抵消技术,实现干扰信号的分离、抵消,最终达到消除干扰信号的目的。
摘要：针对卫星通信中相邻卫星可能产生干扰信号影响到双方用户通信质量的问题,通过对CDMA体制下多信号干扰的分析,结合国际电联关于卫星信号间互操作性和兼容性问题的有关规定,提出了在实际应用中采取降低平衡出站信号功率的方法。先解决相邻卫星信号间的兼容性问题,并在此基础上采用盲自适应干扰估计抵消技术,进一步减弱邻近卫星有害干扰,达到双方通信互不影响的目的,最后实验结果表明了该方案的有效性和可行性。
关键词：卫星通信,相互干扰,平衡功率
参考文献
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卫星电视信号的安全防范 第4篇
自20世纪80年代开始, 中央和各省区广播电视节目陆续上星, 全国有线电视网内播出的多数节目信号都要途经卫星传输, 担负地面开路覆盖的转播台有相当多的信号源来自卫星传输信号。有线网或转播台按目前广播系统的工作模式没有判断信号来源的能力, 目前危害较大的不安全因素主要有:
1) 敌对宣传活动猖獗。利用卫星上行设备, 将其宣传内容使用与卫星节目信号相同频率、相同符码率甚至相同码流结构的同格式信号, 发送到本该传输正常节目的卫星转发器上, 覆盖节目信号, 使其节目被卫星转发, 只要覆盖了CCTV或各省区的某一路卫视信号, 即可在全国范围内出现其宣传内容。这种盗取国际卫星转发资源的做法具有很大的欺骗性和危害性。
例如, 2002年6月23-30日期间, 鑫诺卫星遭到恶意攻击导致无法服务, 中央电视台9套节目出现黑屏;2005-2006年间“法轮功”在公海的轮船上装设卫星上行设备, 采用上述偷梁换柱的手法, 国内大面积出现其宣传内容, 中央电视台和各地省台深受其害。而由于当时并无有效的防范措施, 只得停用卫星转播信号, 节目的正常收视受到影响, 个别省的节目中断达一两个月之久。
2) 频谱紧缺导致同频干扰。随着社会的发展, 各种无线电通信方式、种类和数量急剧增加, 使早已拥挤不堪的频谱资源更加不敷应用, 频率重叠使用, 有线、无线使用同一频段的现象日趋严重。同时发射点增多、发射功率加大, 带外泄漏、辐射严重, 电磁环境日愈恶化。开路广播电视转播信号受到影响, 尤其是同频干扰的机率大大增加, 严重影响开路广播电视节目的安全播出和播出质量。这个问题还将随着通信需求量的持续增加而日趋严重。
例如, 目前在111～167 MHz、223～463 MHz这2个频段, 有线电视有36个增补频道 (8 MHz/频道) 可能与别的通信业务共同使用 (为此规定有线电视必须闭路使用) 。全国有不少地方开路播出的电视节目遭受到邻近城市同频道大功率电视发射机的干扰, 而一些有线电视网也受到当地各种开路信号的影响。
2 播出信号的安全防范技术
现行广播电视系统的工作模式对无线接收的信号尚不具有鉴别、判断的功能, 因此对上述不安全因素还没有彻底有效的防范技术。
1) 传统的“死看硬守”式防范。目前, 很多基层网、台仍采用沿袭已久的“死看硬守”式防范方式:值班人员监视正在播出的节目, 若发现问题 (由值班者主观判断) 马上人工切换到备份节目。这不仅增加了值班人员的工作强度, 而且切换不及时或误切换在所难免。
2) 卫星安全监控系统。近年来市场上开发出的几种卫星安全监控系统已有不少网、台使用。这类系统工作的基本原理是:工作中实时检测卫星信号的码流、载噪比等物理参量, 看是否达到预先规定的某一正常值, 若达不到, 则认为转播的卫星信号受到了攻击, 此时自行切换至备份节目。
现行我国卫星电视传输的信号都采用MPEG压缩技术, 图像经过前后帧预测的数字压缩, 当作为基准的B帧丢失时就用前一帧替代。原来不少有线电视网的节目在播放时, 画面中偶尔会出现马赛克、静帧、瞬间黑屏等现象, 其原因很复杂, 但大多是由于误码率高或信号传输中出现了不明原因的干扰, 并非受到了非法攻击。另外, 星蚀、日凌等自然现象也会造成信号短时衰落、码流异常。这些在现行系统中不会对节目播出造成很大影响, 甚至不易察觉, 在实际中视为正常情况。为保证观众欣赏的连贯性和发射机工作的连续性, 各台站值班人员对这些异常不会采取措施, 但监控系统常会切换、中断节目, 强行转换到备份节目上。
另外, 如果非法信号足够强, 采用FM调制的卫星信号将出现“俘获效应”。当非法信号场强与正常信号的比值超过FM俘获比时, 会很快覆盖正常信号。若非法信号的格式、符码率、码流等物理参量都与正常信号相同时, 这类监控系统会认为该节目“正常”而让其通过。
因此, 以检查信号物理量是否正常作为工作基础的这类安全监控系统, 由于本身并不具备对接收信号的识别判断能力, 只能检测接收信号质量是否正常, 不能有效防范“格式正常”的非法信号。
3) ID、数字水印等识别技术。加密和身份识别技术使用普通线路或设备, 目前在ATM机、网上银行、股票交易等成功应用。因此在广播电视播出信号的安全防范方面会借鉴类似技术, 曾提出目前最常用的ID技术和独特的数字水印技术, 但由于广播电视的行业特点, 未能在现实中应用。
4) 我国卫星信号转星。鉴于以上情况, 尽管有些国际卫星的租用期未满, 国家仍花费巨资, 2007年8月1-31日将原利用C波段传输中央和各地广播电视节目的亚洲3S、亚洲4号、亚太6号、亚太2R、中卫1号、鑫诺1号 (中央40路广播) 等卫星信号, 全部转移到只能转发我国境内信号的鑫诺3号 (东经125°) 和中星6B (东经115.5°) 2颗专用卫星上。原鑫诺1号KU转发器转播的信号全部转移到亚太6号 (东经134°) KU转发器工作。鑫诺3号卫星和中星6B通信卫星都是新一代抗干扰广播卫星, 转换后卫星上转发中央和各地方广播电视信号的转发器只能收转位于我国境内上行站所发的信号, 位于境外非法台站的信号都被排除在其通信视角之外。
目前在我国境外和周边沿海地区所发的上行信号, 在传输广播电视节目的卫星上都已不能转发了。转星的实施有效抑制了海外非法信号的攻击, 尤其是2008年北京奥运会期间, 国际上反华舆论空前活跃, 但卫星节目转播这个重要环节没有出现问题, 安全度过了敏感期。
从实践和效果看, 转星工作是防范非法信号在我大陆境内传播的有效手段, 但仍存在以下问题:
(1) 转发我国广播电视信号的卫星转发器的通信视角在地面投影为一椭圆形, 与我国大陆“鸡形”国土面积不完全重合, 有用信号覆盖和非法信号防范存在矛盾, 周边境外一些地方不能完全覆盖, 南海区域覆盖困难更大, 不能完全排除不法分子钻空子捣乱的可能性;
(2) 通信卫星的使用与国际市场脱轨。转星后的卫星转发器因其局限于转发中国大陆境内的信号, 富余信道无法租借给其他国际客户, 其他通信卫星也不能租用, 选择较少, 不利于我国通信广播卫星国际市场的开拓以及同其他卫星发射国或组织的商业竞争;
(3) 当我国要实况转播境外或周边地区的现场节目时, 需租借其他通信视角可达的卫星;
(4) 跨洋数据通信和广播电视不便使用同一颗通信卫星, 这与电信网、广播电视网、计算机数据网等多网融合的趋势相背离;
(5) 按照目前的技术水平, 中外卫星运行的故障率较高。从转星两年多的运行情况看, 中央和各地广播电视节目都集中于鑫诺3号和中星6B两颗卫星传输, 卫星故障率是不容忽视的问题。
2009年2月9日10时59分, 中星6B卫星发生故障, 导致在该卫星上传输的中央电视台、中国教育电视台及23省卫视等150套电视节目全部中断, 卫星故障时间共47 min, 全国多家媒体和通讯公司受到影响。卫星公司有关人士表示:“关于具体故障原因可以肯定不是人为因素”。7月13日21时50分, 鑫诺3号卫星转发器发生故障, 国内部分区域的有线电视用户出现黑屏与错误讯息。其承担的部分国内电视节目传输信号中断。技术人员透露故障原因是鑫诺3号卫星7月13日晚出现姿态异常, 卫星自动进入安全模式, 关闭了全部10个36 MHz带宽的C频段转发器, 导致信号中断。
3 研制开发新的安全防范技术
目前着手研制开发适合我国广播电视系统特性和工作模式的卫星播出信号安全防范技术非常必要。数字加密、防伪, 射频识别等新技术的发展, 超大规模智能集成电路和DSP芯片的大量出现, 智能识别软件开发日渐成熟, 这些为RF或基带广播电视信号的判断识别提供了可行条件和技术基础。
拟开发的广播电视播出信号安全防范系统, 应具有如下特点:
1) 适应广播电视系统点对面的工作模式, 对现行广播电视信号的传输设备和播出方式不作过大改动, 信号的检测、识别宜在地面接收端单方面进行。这对安全防范系统的推广使用非常重要, 例如识别密钥、数字水印等加密技术要求发、收两端在信号前端串接专用设备, 这将使信号传播链路增加一个环节, 播出数字流一般要求重新编码打包, 还将使潜在的收转台站不便再转播自己的节目, 这是上述防范技术无法得到应用的重要原因之一。
2) 不但能对卫星信号进行安全防护, 同时也适用于地面开路无线信号的安全防护。
3) 信号识别准确, 安全可靠性高, 成本合理, 适于基层台站使用。
由于每个台的播出信号都有其独特的特征, 如果能利用各广播电视台播出节目的信号特征生成数据库作为该信号识别的基础, 则只需存储器、信号处理等很少的硬件即可实现准确可靠的低成本信号识别判断, 如图1所示。
这种信号识别功能模块可以内嵌在接收机中, 与接收机本身的功能模块融为一体, 既保密又不大幅增加成本, 使原接收转播信号的接收机具有信号识别功能。这样, 工作时不需发送端作任何改动 (只需提供其特征素材) , 就能在接收端单方面进行信号的识别判断, 既免除了专用设备, 对欲接收信号还具有防干扰的过滤作用。
不使用专用识别设备是安全防范技术能否在我国广电系统得到推广应用的重要条件之一。笔者提出的仅根据播出信号特征进行判别的防范思路, 不需要在现行播出端作改动, 也不需要在接收端使用专用设备, 接收机在接收信号的同时完成信号的判别, 识别、防范可以在信号发送方和接收方都无察觉的情况下进行, 不存在接收门槛提高或额外费用等方面的问题, 其防范技术被破解、仿制的可能性最大限度地减小了。
摘要：初步探讨了广播电视信号安全防范的技术问题, 分析了当前广播电视信号播出的安全问题, 提出可能制约广播电视事业发展的不利因素以及需要采取的技术防范措施。
卫星导航系统民用信号设计需求分析 第5篇
在GPS和GLONASS现代化升级建设成果显著、Galileo系统建设稳步发展的国际背景下,作为世界四大卫星导航系统之一,我国卫星导航系统的建设和发展面临着国际化的机遇与挑战。导航信号体制是卫星导航系统体制最重要的组成部分之一,关系到精度、连续性、可用性、实时性、抗干扰以及兼容和互操作性等系统关键性能指标的实现,是开展卫星系统、地面系统以及用户设备研制的基础。
从卫星导航系统各类民用用户需求和系统现代化升级建设为出发点,在对国外卫星导航系统民用信号设计进行分析、研究的基础上,从用户功能和性能需求、与国际GNSS系统兼容和互操作需求等方面,全面分析我国卫星导航系统民用导航信号设计需求,给出现代化卫星导航系统民用导航信号设计建议。
1国外卫星导航系统民用信号设计分析
近年来,世界各GNSS系统面向系统现代化建设需求,纷纷对民用信号体制进行了现代化设计和升级。GPS面向民用的服务信号增加到3个频点,且各民用频点的设计尽可能满足不同民用场合的需求;Galileo面向民用的服务信号设计了3个频点,包括用于公开服务的1个频点和用于生命安全服务的2个频点;作为GLONASS现代化的重要内容,俄罗斯正在研制的新一代GLONASS-K卫星将增发L3/L5民用信号,使民用信号达到3个。
1.1GPS民用信号设计
GPS面向广大民用用户最初配置了L1C/A码一种信号。现代化GPS II对民用服务性能进行了扩展和提升,增配了L2C和L5信号。GPS III进一步增配L1C信号,以在未来取代L1C/A码。L2C信号的载频和数据跟踪门限得到明显改善,相关性能十分优越;L2C码率较低(1.023 Mcps),使接收机功耗更小[1]。由于L2频段附近在美国和欧洲有大功率对空监视雷达在工作,可能对L2信号造成干扰影响从而其连续性,所以应航空用户的需求设立了有最强的信号且处于ARNS频段内的L5信号[2]。另外,L5还能够与L1和L2配合工作,实现快速解算载波相位的整周模糊度。L1C信号在与L1C/A信号兼容和互操作的基础上,考虑了数字信号处理技术发展的前瞻性设计,采用了译码更为复杂但编码增益更高的LDPC信道编码方式[3]。可见,对单一信号或多信号的接收机用户来说,不同频率的GPS民用信号设计所表现出的不同性能可以满足不同用户群需求。
1.2Galileo民用信号设计
Galileo设计了3个民用信号,其中E5a提供公开服务,E5b和E1提供生命安全服务[4]。Galileo系统的设计目标是一个开放的、能与GPS兼容互操作又完全独立于GPS的全球系统。为了实现与GPS互操作的目标,Galileo系统信号尽量采用和GPS信号相同的中心频率,以使接收机成本最低。Galileo民用信号倾向于采用较长的码长,自相关和互相关性能均较好,有较强的抗干扰能力。各频点信号设计满足相应服务类型功能和性能需求。
1.3GLONASS民用信号设计
早期GLONASS系统面向广大民用用户,配置了L1信号[5]。从2003年起,GLONASS系统开始增发GLONASS-M卫星,并对服务模式和性能进行了扩展和提升。GLONASS-M卫星增发了L2民用信号,L2上未调制电文,但能够配合L1信号作双频电离层延迟改正。作为GLONASS现代化的重要内容,俄罗斯正在研制新一代的GLONASS-K卫星。GLONASS-K卫星将增发L3/L5民用信号,使民用信号达到3个。GLONASS现代化的另外一个方面是积极开展国际合作,考虑在FDMA信号中添加CDMA信号,以保证GLONASS与GPS以及Galileo系统的兼容与互操作性。
2现代化卫星导航系统民用信号需求分析
民用信号设计需求分析的基本思路是以现代化卫星导航系统需求为立足点,基于不同用户群对系统服务功能和性能指标的需求,分析各项指标对信号元素设计的需求和约束。将不同指标对信号元素的需求进行综合评定,从而确定民用信号设计需求。下面着重从测距精度、电离层延迟改正、整周模糊度解算、定位实时性、抗干扰以及兼容与互操作性等方面对民用信号设计需求进行分析。
2.1测距精度需求
与测距精度相关的信号设计要素主要是信号功率和信号带宽。
对于一个最优设计的非相干超前减滞后功率型码跟踪环,根据文献[6]中环路噪声引起的码跟踪颤动和载波跟踪颤动对其测距性能的影响公式可以看到,信号功率越高,接收载噪比越高,越有利于提高伪码和载波相位伪距测量精度。但信号功率大小还需要遵守国际电联相关规则,并考虑兼容性要求。
信号带宽主要由调制方式和伪码速率决定的。码率越高,信号带宽越宽,自相关函数峰值越尖,信号到达时间的估计就越精确。因此,从测距精度角度来说,码率越高测距精度越高。但信号带宽越宽,数据处理所需要的采样率越高,对器件水平要求也越高,接收机功耗及实现难度越大。
2.2电离层延迟改正需求
参考目前国内外GNSS系统的定位精度指标,以水平10 m、高程10 m(PDOP<6)的定位精度为例计算,要求伪距误差小于2.33 m。鉴于模型法电离层延迟改正误差较大(按75%的改正精度计算,电离层延迟超过10 m时,净电离层改正误差就达到2.5 m),该精度要求通过双频电离层延迟改正实现。
多频电离层改正中,传统算法是双频改正,即采用2个频点的数据,改正电离层效应的一阶项,且频率间隔越大改正精度越高;或者三频二阶改正算法,即采用3个频点的数据,改正电离层效应的一阶项和二阶项;另外还可以采用三频一阶改正算法,即采用3个频点的数据但只改正到电离层效应的一阶项[7,8]。3种算法中,伪距误差对三频一阶改正算法的影响最小,但改正效果与双频改正算法接近。三频二阶改正虽然改正了电离层延迟的二阶项,但受伪距误差的影响较大。相比于双频电离层延迟改正,三频电离层延迟改正对改正精度贡献不大[7,8]。
因此电离层延迟改正对导航信号的需求是:配置2个频点值相差较大的频点,以满足电离层延迟改正精度需求。
2.3整周模糊度解算需求
海洋测绘、航空航天测量和陆地测量等作业对测量精度要求非常高,需要借助载波相位进行精密定位才能满足其使用要求,其关键是首先要完成载波相位整周模糊度的快速、准确解算。
理论上,使用单频、双频或三频观测数据都可以求解载波相位整周模糊度,但解算时间和应用范围、解算成功率有较大差异。一般来说,对于10 km以内的短距离应用,单频解模糊度时间一般在15 min左右,双频解模糊度时间一般在3 min左右,三频能实现准实时解算。但是,对于上百千米的中长距离应用,单频和双频解模糊均要依赖长时间的数据累积,无法在短时间内实现模糊度解算,而三频应用可以在短时间内收集足够的累积数据,几分钟以内成功解算模糊度。另外,根据GPS的数据分析,三频超宽巷组合的模糊度单历元估计成功率几乎达到100%[9,11]。
因此整周模糊度解算对导航信号设计的需求是:需要配置3个频点,且3个频点的距离能够产生足够的巷宽。
2.4定位实时性需求
定位实时性(即首次定位时间)主要取决于信号捕获时间、基本导航信息收集时间以及接收机处理能力等。与信号设计相关的主要指标要素是与信息速率有关的基本导航信息收集时间。参考国内外卫星导航系统的性能指标,以冷启动和温启动1 min、热启动2 s的首次定位时间指标要求为例分析。
热启动状态下,接收机可以快速恢复卫星信号且接收机中存有有效的基本导航信息,不需要重新接收和解调基本导航信息。冷启动和温启动条件下,信号捕获时间主要是在时域对整个周期内的码片和频域对多普勒频移范围的搜索时间。按照目前的接收机硬件水平估计,信号的捕获时间约1 s;接收机导航数据处理的时间在几十ms量级。基本导航信息的收集时间主要取决于信息速率和信息播发周期。初步评估,基本导航信息数据量约为665 bit,加上周内秒、同步头等辅助信息,预计数据量为900 bit。如果信息速率分别为50 bps和25 bps,基本导航信息的播发时间分别约为18 s和36 s。考虑播发其他类导航电文信息的占用时间,基本导航信息的收集时间约分别为25 s和50 s。
因此,50 bps和25 bps的基本导航信息播发速率均能满足冷启动和温启动条件下定位实时性需求。
2.5抗电磁干扰需求
影响系统抗干扰能力的因素有多种,下面主要从导频信号、频谱结构、码长和信息速率等几个方面的设计进行分析。
① 导频信号:
现代化GPS、Galileo系统均设计了导频信号。导频通道的载波不需要处理由数据调制引起的载波相位翻转。载波跟踪可由载波环完成,比数据通道载波跟踪用Costas环的门限优越6 dB,使地面接收机能够快速捕获卫星导航信号。地面接收机只要捕获并跟踪导频信号,即建立了载波跟踪环路。因此增加导频信号,有助于弱信号条件下信号的捕获和跟踪。
② 频谱结构:
一方面,为了确保采取功率增强等手段来提高军用信号的抗干扰能力时,能够不影响民用信号的正常使用,另一方面,为了避免战时敌方对军用信号实施干扰时会同时干扰民用信号,要求军民信号频谱分离,以确保导航战环境下民用信号的正常、连续使用。正如GPS将M码与C/A码和P码的频谱分开,就是要解决增加M码功率对C/A和P(Y)码的干扰问题,提高与C/A码和P(Y)码的兼容性。
③ 码长:
测距码越长,自相关和互相关性能就越好,同一卫星信号或不同卫星信号之间的相互干扰就越小。因此,选择较长的测距码,可以提高抗干扰能力,但同时会增加信号捕获时间和实现复杂度,需要综合考虑。
④ 信息速率:
对于脉冲干扰,如果脉冲干扰的脉冲周期小于导航数据比特持续时间,就可以忽略对系统的影响,即低信息速率有利于抗脉冲干扰;对于窄带干扰,速率越低,解扩带宽就越小,扩频增益也越高,落在解扩带宽内的干扰功率就越低,即低信息速率有助于提高抗窄带干扰能力。因此,信息速率越低抗干扰性能越高,同时有利于信号的捕获、跟踪和解调,但低信息速率会限制信息的更新周期,需要综合考虑。
2.6兼容性需求
兼容性(Compatibility)是指使用单一系统或多系统组合为用户提供定位、导航和定时服务时,各系统间互不干扰。目前国际上普遍将兼容性定义为:多个GNSS系统对单个GNSS系统干扰引起的性能下降在可接受的范围内。在ITU-R M.1831建议书中采用等效载噪比作为系统间干扰评估参量。全球系统民用信号的兼容性主要考察落在相应带宽内的GPS、Galileo和GLONASS所有导航信号、全球系统其他导航信号(如授权信号)以及其他系统信号与民用导航信号的分离特性,分析各导航信号的干扰所导致的载噪比损失。由于干扰的存在使得载噪比下降,可以用等效载噪比的下降来评估干扰对接收机的影响。
信号兼容性需求标准是:所有干扰所引起的载噪比损失不能使到达地面的信号载噪比低于载噪比门限,同时保证其他卫星导航系统的载噪比。
2.7互操作需求
互操作性(Interoperability)是指使用多系统组合进行定位、导航和定时,将比单一系统提供更好的服务性能且所获得精度、完好性、可用性、连续性的好处大于接收机增加的代价。GNSS的兼容性使得多系统互操作成为新的发展趋势,全球卫星导航系统也必然要与其他GNSS系统实现互操作。
纵观导航频率分配和其他卫星导航系统的信号规划,Galileo的E5a(1 176.45 MHz)和E1(1 575.42 MHz)将分别与GPS在L5和L1频段上实现互操作。GLONASS也已在现代化计划中提出要在L5和L1频段上添加CDMA信号,与GPS实现互操作。日本QZSS发布的频率计划中,也将在L1、L2和L5上实现与GPS的完全兼容与互操作。可见,L1和L5已成为国际上卫星导航系统的主要互操作频段。
根据互操作要求,GNSS频率配置和空间信号的互操作主要是通过共用中心频率和频谱重叠来实现的,一方面解决了卫星导航频率资源的紧缺问题,另一方面可以减少接收机内为不同中心频率提供基准频率而产生的负担,简化多系统联合GNSS接收机设计和制造,降低功耗、成本和重量。
结合国外GNSS系统互操作情况,为适应卫星导航系统发展大趋势、提高市场竞争力,我国卫星导航系统要与国际卫星导航系统接轨,也应该在L1和L5频段上设计民用导航信号,实现与GPS、Galileo和GLONASS三大导航系统的互操作,且中心频点、调制方式和信号结构要与其他GNSS系统趋于一致。
2.8国际市场竞争需求
GPS面向民用的服务信号有3个频点(包括用于生命安全服务的2个频点),且各个民用频点的设计能够满足不同民用场合的需求;Galileo面向民用的服务信号有3个频点(包括用于公开服务的1个频点和用于生命安全服务的2个频点);作为GLONASS现代化的重要内容,俄罗斯正在研制新一代的GLONASS-K卫星,GLONASS-K卫星将增发L3/L5民用信号,使民用信号达到3个。
从国际民用市场竞争需求的角度分析,我国卫星导航系统民用信号的设计应不少于3个频点,在考虑数字处理技术发展的同时能够满足不同民用场合的需求。
3结论和应用
导航信号是空间卫星星座、地面系统以及终端设备之间协调工作的纽带和基础,这里采用定量与定性相结合的方法,探讨了民用信号设计需求、设计原则及分析思路。综合以上各方面的分析结论,给出现代化卫星导航系统民用导航信号设计主要需求建议如下:
① 民用信号至少设计3个频点:其中2个频点值相差较大以满足双频电离层延迟改正精度需求,3个频点值能够产生足够的宽巷以满足载波相位整周模糊度快速解算需求;在国际规定的不易受干扰的航空无线电导航频段(ARNS)设计2个民用信号L1和L5,以满足生命安全服务和与国际GNSS系统互操作需求。
② 各个频点信号独立设计、互为备份:在确保服务功能和性能的前提下,尽可能考虑各频点信号的多样化设计,使用户能够权衡服务性能、实现成本、设备结构等需求来选择合适的信号,以满足各种民用场合的应用。如为车辆、手机等大宗用户市场设立的公开服务,要求信号设计尽量低码率、低数据速率等,以满足接收机体积小、耗电省、价格低的需求;为民用航空以及陆地、铁路、海运等载体设立的生命安全服务,对服务的完好性、连续性和可用性要求较高,要求码序列较长,能产生较强的抗干扰能力等。
③ 增加导频信号,尽可能与军用信号频谱分离:导频信号有助于弱信号条件下信号的捕获和跟踪;民用信号尽可能与军用信号频谱分离,以确保导航战环境下民用信号的正常、连续使用。
④ 对系统多个性能指标有影响且相互矛盾的信号元素,采取以下设计原则综合考虑:关键指标优先考虑、对系统指标影响大的信号元素优先考虑、合理平衡信号性能与系统和用户端的实现代价。如码长的设计要综合考虑抗干扰能力和捕获时间、实现复杂度等需求,信息速率的设计要综合考虑抗干扰性能和信息的更新速率等需求。
除以上总结的几点外,在现代化卫星导航系统信号体制设计中,还应考虑频率资源约束条件、星上和接收机可实现性等对频点、信号功率、调制方式、频谱结构等的设计约束。
4结束语
上述立足于现代化卫星导航系统的顶层设计,在对国外GPS、Galileo以及GLONASS等系统民用信号设计进行充分分析的基础上,从全球卫星导航系统用户需求和现代化升级建设等方面,分析了卫星导航系统民用信号设计需求。研究结论为卫星导航系统信号体制的现代化设计提供分析思路和设计依据。
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雷达干扰卫星电视信号的对策 第6篇
卫星通信是广播电视信号传输的重要手段,卫星电视的应用有力地推动了广播电视事业的发展。2015年年底,台州枫山电视发射台两套1kW无线数字化发射系统投入运行,15套中央、省、市台的电视节目试播出;伴随而来的是一个令人头痛的问题,中星6A卫星上接收的12套中央台电视节目信号受附近幅射源的严重干扰,播出的电视节目无法正常收看。
1 干扰的现象
经仔细观察发现,此干扰信号每天发生的时间不固定,一般出现在8:00～22:00时,干扰周期为11秒左右,严重时6秒左右一周期,晴朗天气干扰尤为密集。
干扰现象反应为:通过中星6A卫星链路传输的中央台2个节目码流受附近幅射源的干扰,接收到的图像存在严重的马赛克或停顿现象,干扰严重时还会引起接收系统放大器饱和而出现信号中断并黑屏。由于干扰周期较为密集,2套lkW无线数字化发射系统播出的12套中央电视台节目基本上无法正常收看;与此同时,通过中星6B卫星接收的浙江卫视亦有轻微干扰,但对收看影响不大;通过光纤传输和有线电视解调的本地电视节目则信号正常。
2 干扰源的查找
经反复核查,在确定信号链路、参数设置、设备供电等均无误后,基本可排除卫星信号本身及传输链路是造成卫星信号干扰的因素,干扰卫星信号的幅射源来自外部,而且是一个功率不小的幅射源。
台州枫山电视发射台位于海拔高度162m的台州主城区椒江枫山顶上。其前方10多公里的西侧是军民合用的台州机场,东侧有一个警戒雷达站,发射台上方刚好又是民航的航路。
根据以上情况分析,由于发射台地处市中心,附近存在大功率幅射源的可能性不大,干扰源可能来自以下三个方面:①机场的导航雷达,②飞机起飞降落时的测高雷达,③东面的警戒雷达。由于警戒雷达主要是向东警戒,民航航班不多,两者对本台的干扰有限,所以我们基本确定干扰源主要来自相距13公里的机场导航雷达。
3 雷达对卫星信号的干扰
由于我们无法了解机场导航雷达实际运作的种类及相关参数,所以只能查阅相关资料去了解雷达的原理、频谱等大致情况。
雷达的种类繁多,分类的方法非常复杂,其用途和结构也不尽相同,但其基本架构是一致的,均是由发射机、发射天线、接收天线、接收机以及显示器等五个部分构成。
雷达是利用微波波段电磁波探测目标的电子设备,雷达使用的微波频谱非常广泛,在1GHz～80GHz的波段内均有分布。随着技术的发展、雷达使用的频段越来越向两端延伸,其中有的频段与卫星通信使用频段较接近,发射功率也越来越大,其脉冲峰值功率可高达数兆瓦。
通常情况下,雷达和卫星通信使用的是国际统一分配的频段,它们是有间隔的,但由于雷达采用脉冲调制且使用磁控管来放大信号,发射功率较大,雷达发射机除产生高功率的基波信号外,还产生谐波、差频、倍频等寄生幅射,而卫星与地球之间的距离在4万公里左右,其距离远、传输损耗大、输入电平低,如果雷达信号与卫星信号的频率相近,则产生相互叠加,引起接收系统的低噪声放大器饱和,从而阻塞正常的电视信号,致使无法达到正常的接收载噪比,造成系统无法正常接收卫星电视信号。
4 应对措施
在基本弄清干扰源和雷达对卫星电视接收信号的干扰机理后,我们欲从网上和相关资料中获取解决干扰的方法,并向有关的业内人士咨询,都未能找到全面解决的现成技术方案。无奈,我们只能参照有限的零碎资料及经验,结合本台的实际情况,通过现场试验的方式来寻求解决方案。
4.1 用遮挡法削减干扰信号
雷达一般是架设在地面上的设备,它的信号也只能是从地面而来,而卫星是在高空中,它的信号来自天空。只要把地面的雷达信号遮挡住,不使它直接进入到卫星接收天线的反射面,对减少干扰是显而易见的。
常用的遮挡法有二种:
1.用铁皮或者铁丝网给卫星天线做个屏蔽围栏,使其能屏蔽住从地面来的干扰信号,但不挡住从空中来的卫星电视信号,从而达到避免干扰的目的。这种屏蔽干扰信号的方法虽然有效,但在台风平凡的沿海地区,其架设和固定的要求较高,日后的维护也较麻烦,所以并不切合实际。
2.寻找能屏蔽干扰源的位置,即在四周寻找能遮挡住干扰源电波行进方向的自然物体的位置,作为卫星接收天线的架设地点,如房前屋后等。降低卫星接收天线高度是寻找屏蔽位置的最简单方法。根据我台的现有条件,我们把一副已弃用的3m旧天线移至机房的屋后,利用建筑物来遮挡来自前方的干扰源进行试验,试验结果表明:此方法能有效削减雷达微波对卫星电视信号的干扰,但不能完全消除干扰。
4.2 用窄带高频头抑制干扰信号
由于条件限制,我们无法知道干扰源的频率,卫星接收的c波段频率为3400～4200MHz,c波段卫星接收机有二种本振频率可供选择,即5150MHz和5750MHz,我们用5750MHz的高频头去替代5150MHz高频头进行试验,结果发现干扰反而更加严重。这表明干扰信号的强度与高频头的带宽是有关联的,且在c波段卫星信号的低频段干扰强度更大。根据此次数字化无线覆盖中星6A上2路中央台码流的传输参数,并参考以往的经验,我们委托高斯贝尔数码科技股份有限公司定制了2只频率为3700～4200MHz的窄带高频头进行试验,试验结果表明:此方法对抑制雷达微波对卫星电视信号的干扰效果显著,接收到的电视画面除了偶尔的几点马赛克现象外,播出的电视节目已无明显的干扰感觉。
4.3 用卡塞格伦天线及滤波器消除干扰信号
常用的卫星电视接收天线有前馈抛物面卫星天线和卡塞格伦(后馈式抛物面)天线两种,其原理都是利用电波的反射原理,将电波能量集焦后,辐射到连接在馈源上的高频头,经变频放大后送到卫星接收机解码出电视节目。
4.3.1 前馈抛物面卫星天线
前馈抛物面卫星接收天线由抛物面反射面和馈源组成,其增益与天线口径成正比。由于具有制造工艺简单、调试方便且成本低的优点,所以在卫星电视接收系统中应用较为广泛。
前馈抛物面卫星天线的缺点是:①噪声温度相对较高;②天线口径效率相对较低;③反射面聚焦的信号反射到馈源直接进入高频头,干扰信号和其它杂波容易对接收的电视信号产生干扰。
4.3.2 卡塞格伦(后馈式抛物面)天线
卡塞格伦天线又称后馈式抛物面天线,是微波通信中常用的一种天线,它由抛物面主反射面、双曲面副反射面、和馈源喇叭构成,其馈源系统安装在主反射面的中心位置。如图1所示。
卡塞格伦天线具有设计灵活、纵向尺寸短、噪声温度低、馈源漏溢和旁瓣辐射少的优点。其缺点是结构相对复杂,安装难度较大,其主副反射面的同心度、焦距、交角以及相位中心至副反射面的距离等的调试要求较高。
卡塞格伦天线是一个双反射面天线,其旋转双曲面结构的副反射面汇聚主反射抛物面反射的电波能量,再幅射到馈源系统,并为连接在馈源末端的高频头所吸收。这是由于副反射面的双曲面虚焦点与主反射抛物面的焦点重合,而副反射面双曲面的实焦点与馈源的相位一致,它们都处于焦轴的对称位置上,这样,当平行于焦轴的卫星信号从空中射入卫星接收天线时,经主副反射面“二次”反射到达馈源高频头,且为同相波而相加。反之,雷达等地面的干扰信号幅射到抛物面时,难以与天线主副面及馈源的焦轴位置对称而不易进入馈源,从而有效地消除雷达电波对卫星电视信号的干扰,如图2所示。
4.3.3 C波段卫星接收信号滤波器
为确保雷达干扰信号的完全消除,我们在购入Φ3.0m卡塞格伦天线的同时,根据厂方的建议在馈源与高频头之间加装了一个3700～4200MHz的带通滤波器;卫星天线增加带通滤波器,能起到抑制干扰信号的作用,从而有效减轻干扰信号对系统正常接收卫星电视信号产生的影响。
5 结束语
综上所述,寻找对干扰信号具有屏蔽作用的卫星接收天线安装位置、使用窄带高频头、采用卡塞格伦天线及带通滤波器,对消除雷达对卫星电视信号的干扰都是行之有效的办法。但由于各地的地理环境和干扰源的差异,解决干扰的技术手段也不具有普遍性,本文仅供广电同行参考。
参考文献
佛山电视台卫星中频信号调度系统 第7篇
一系统概述
在新闻中心,佛山电视台楼顶卫星单收站用于接收中央及各省市电视节目,新华社、国际广播电台、亚太东方等新闻、节目素材,以及佛山电视台卫星车传送的节目。单收站18座。其中Φ4.5m C,Ku波段天线7座;Φ6.2m C,Ku波段天线5座;Φ3.0m C,Ku天线6座。天线布局如图1所示。
上述18座天线,其中4面3米天线单极化高频头引线,其余每座天线双极化高频头引双卫星接收射频电缆,楼面天线入线槽,经防雷处理、集中供电器、线放(考虑到楼顶部分天线距离楼顶小机房较远,该部分射频电缆需经线放进行补偿),每条射频电缆经无源功分(1分2),一路进12楼的321矩阵,作检测用,另一路通过射频光机从顶层下送5楼播控机房。
5楼播控机房配3232射频调度矩阵,从矩阵送12路进入5楼播出机房卫星接收(采用4分支有源功分);下送20路至2楼新闻总控卫星接收(采用4分支有源功分)。
系统配备17台广播级卫星接收机,15台卫星接收工程机及必要的接头连线;系统需保证信源的安全传输,同时可实现各路信源的在线监测和测量。
系统设计方案如图2所示。
二系统技术规范
1.主要技术要求
●卫星接收系统设计必须依据DVB-S标准;
●卫星避雷接地电阻应小于4欧姆,本身的接地与避雷针的接地不能共用一个地线;
●高频头供电采用集中供电器提供;
●系统设计务求系统技术先进,功能齐全,配置灵活,稳定可靠;
●卫星接收系统设计应留有链路余量,并可满足未来节目扩展需求;
●系统设备要求功能完善、安全可靠、工作稳定、操作界面简洁清晰;
●每个高频头输出到机房的L波段信号,独立分配给IRD及安全监控模块所需的功分器;
●到达2楼和5楼的L波段信号强度,应达到卫星接收机的门限电平Eb/n0以内,接收到的视音频信号要求达到广播级播出要求,无马赛克现象。
2.核心设备详细性能指标要求
(1) QUINTECHXRM2250/3232卫星中频矩阵
中频信号到5楼总控机房后,通过一台昆泰的XRM-2250 3232可热插拔中频矩阵,可随意调配任何一路输入的讯号到任何一路或一组(多个)输出。由于信号的接收分别在5楼和2楼机房,考虑到实际的使用需要,2楼主要负责信号的收录和新闻直播,5楼负责转播和直播,因此对32路的信号分配是2楼20路,5楼12路。同时2楼和5楼控制室都安装有遥控面板,实现远程遥控和监控矩阵的工作状态。面板上有液晶LCD屏幕,能实现中频矩阵的系统设置、工作状态显示、输入信号强度显示、按键式链路状态显示及锁定等功能。随机附送的控制软件可通过以太网连接上中频矩阵,实现远程控制信号调度功能。其主要指标:
●32输入,32输出,全扇入全扇出;
●插入损耗<3dB;
●反射损耗10dB;
●额定增益0±2dB;
●频率响应±3dB;
●输入端口隔离度≥45dB;
●输出端口隔离度≥45dB;
●输入输出端口隔离度≥40dB。
(2) QUINTECH LNB集中供电器
高频头、有源功分器都采用集中供电的方式进行供电。采用美国Quintech (昆泰) RPS-24/5.5F LNB双电源备份集中供电器为高频头供电,有源功分器采用美国Quintech (昆泰) RPS-24/4.8B进行供电。采用集中供电后,不需要卫星接收机单独供电了,而且还能避免因卫星接收机故障造成高频头不供电而停止工作。集中供电在一个机箱中包括两个独立的供电单元,每个单元均配有保险丝,当其中一个电源故障时,另一个瞬时完成备份。集中供电器内置非常可靠的高质量缓冲放大器,作为插入补偿,每一输入信号及输出信号的电平皆一致,达到“零”损耗的目的。具体指标:
●每个供电器对不少于16路卫星中频线路放大器进行供电,输出电压13V～18V;
●最大电流:5.5A;
●每路供电具有独立的保险管和供电指示灯,带报警输出;
●支持卫星中频频率范围950MHz～2150MHz;
●机箱高度不超过3RU,带热备份电源;
●插入损耗:1±0.5dB;
●频率响应±1.0dB;
●集中供电器输出具高可靠的稳定性、独立性,对卫星接收系统不产生干扰。
(3) L波段信号光纤传输设备
由于从12楼到5楼机房的电缆最长的超过100米,考虑到信号损耗,为确保信号质量,我们采用FOXCOM7410F-T/R 1310nm的单模L-波段光端机传输,射频信号传输到5楼总控机房。该光端机具有OPT与RF信号指示灯:透明且高质量保证的传输方式,一致性好,光机间可互换,可靠性高。发送端采用自动增益控制技术(AGC),而接收端增益为手动调整,可根据不同天线信号,从-20dB调整到-40dB,光端机还采用直接光调制技术,有效降低相位噪声,使信号的BER (误码率)达到优异水平。
主要指标:
●频率范围:950MHz～2150MHz;
●平坦度:±1.5dB@950MHz～2150MHz,±0.25dB@any 36MHz;
●载噪比:35dB@36MHz:
●输入信号(最大)-20dBm;
●输出信号(最大)-15dBm;
●增益稳定性24小时内±0.25dB;
●输出光功率≥ldBm;
●传输距离≥2km;
●主备电源。
(4) QUINTECH无源功分
主要指标:
●工作频率:950MHz～2150MHz;
●1分2;
●插入损耗:3±0.5 dB;
●频率响应:±0.5dB;
●隔离度:18dB;
●输入反射损耗:12dB;
●输出反射损耗:16dB。
(5) QUINTECH有源功分
要求:
●工作频率:950MHz～2150MHz;
●1分4;
●插入损耗:0±2dB;
●频率响应:±2dB;
●隔离度:18dB;
●输入反射损耗:12dB;
●输出反射损耗:16dB;
●匹配阻抗75Ω。
(6)防雷措施
楼顶上安装了三根避雷针,覆盖了所有的天线,同时,每根从高频头下来的电缆在12楼的微波机房都安装了德国“盾牌“DEHN卫星同轴避雷器,一起保护系统设备。而微波机房到播控机房由于通过光纤连接,可以屏蔽五楼设备被雷击的危险。具体指标:
●接地电阻10Ω;
●频宽为0～2000MHz;
●通流量为20KA。
(7)安装线材及接头
用途:用于机房内设备连接
要求:
●楼顶至微波机房,微波机房至五楼播控机房,五楼播控机房至二楼新闻总控机房均采用Belden 7731A同轴射频电缆;
●机房内布线为4屏蔽RG6同轴射频电缆。
(8)卫星接收机
由于对信号的用途不同,我们采用三种卫星接收机:TANBEGER1260、TANBEGER T1222以及同洲卫星接收机。T1260主要接收4:2:2编码的信号以及部分带加扰信号,T1222主要是直播、转播信号的接收,同洲接收机负责收录信号的接收。
a.TANBEGER1260广播级卫星接收机(4:2:2)
主要指标:
●2路QPSK输入和2路ASI输入;
●MPEG-2 4:2:2@ML全部分辨率解码;
●带有CI (公共接口)、支持全球主要CA系统
●S/PDIF数字音频供Dolby Digital AC-3直通;
●2路ASI,2路复合,2路SDI嵌伴音输出;
●包含RAS-1解扰功能。
b.TANBEGER T1222广播级卫星接收机(4:2:0)
主要指标:
●MPEG-2 4:2:0@ML全部分辨率解码;
●1路ASI,1路复合,1路SDI嵌伴音输出。
c.同洲数字卫星接收机
主要指标:
●完全符合DVB-S/MPEG-2标准;
●全兼容SCPC&MCPC;
●具有断电、断信号卫星参数记忆功能;
●具有电平强度指示和信号质量指示功能。
三系统特点
1.灵活、简便
和视频矩阵工作原理一样,通过阵列切换的方法将x路视频信号任意输出至y路,实现多路信号的不同路由,方便了多路信号的调度。同样,中频信号通过中频矩阵调度后,可以让多台卫星接收机同时接收不同的卫星信号,允许任何一个输入信号可同时被路由到任何一个或多个输出端口。
2.安全、稳定
安全播出是广电的生命线,系统设备的主备备份功能显得尤为重要。我们在集中供电、光端机、中频矩阵等主要关键点设备上都充分考虑备份措施:
●中频矩阵在设计时已充分考虑热备份功能,三层式结构,增强信号完整性,内置容错功能,路径失效时自动再寻路由;冗余备份的RF通道,在XRM模块内部发生通道故障的情况下,可提供多余的信号通道;热拔插元件板卡不必使用工具或断开连接,可在30秒之内,方便快速带电拔插更换元件板卡;所有含有带电元件的PCB板卡均位于可热拔插的板卡上,可从前面板方便快速进行维修;长寿命、可更换的冷却风扇可提供放心的300000小时的安全运行。
●为确保信号安全,我们还配备了跳线板作为应急的备份手段,防止中频矩阵出现故障,无法工作。在系统设计时,我们在中频矩阵输入端之前加入跳线版,中频矩阵输出端也连接跳线板。这样在预防灾难性的故障出现时,可用最传统的方式应急跳线给卫星接收机。
●集中供电箱、光端机箱都有瞬时完成备份的主备电源,而且32台光端机的两端各自型号一样,若一台发生故障,可以马上换另外一台来顶替。
●在5楼至12楼、2楼至12楼铺设了7731A同轴电缆为光端机的备份手段,百通7731A同轴电缆参数如图3所示。
从图3中可以看到,百通7731A同轴电缆百米的高频衰减量是比较低的,较适合长距离传输。我们做了检测,7731A电缆还是能保证2楼至12楼的信号质量的。
四日常使用维护经验
中频矩阵调度系统在实际使用过程中,极大方便了日常调度工作,对各类中频信号的维护管理提供了安全的技术保障。下面谈谈几点实际使用经验:
●由于部分卫星接收机放置于2楼新闻总控机房,而值班人员都在5楼播出总控值班,涉及卫星中频调度,参数的设置,来回奔跑于2楼和5楼也不现实。经过研究在用的Tenberg T1221卫星接收机,发现其带有网络接口,具有网管功能。通过2楼与5楼交换机相连,完成联网。而中频矩阵也带有网络接口,也接入交换机,通过自带网管软件,可以通过网络控制,大大节省了人力,而且不管是卫星接收机还是中频矩阵,软件都直观明了,误操作率也大为降低,保证了安全播出,图4为矩阵调度软件,可以定义各卫星的名称,方便管理;图5为卫星解码器的操作界面,通过IE连接,界面简洁,友好;
●日常巡视机房,控制好机房的温度,保证中频光端机的正常工作温度;
●光机发送端表面有RF信号指示灯,灯亮表示接收到卫星信号,这个可以直观判断中频信号的有无,从而进一步判断是高频头损坏,还是其他故障,对故障的快速排查提供依据;
●中频矩阵的系统设置选项,可以检测每一路输入/输出的强度,信号正常基本都在-19dBm至-25dBm,如果超过-40dBm,可以判断为无射频信号,可进一步进行故障排除;
●操作人员可设置不同权限,方便管理;
●采用专业工具定期清洁光纤接头,保持接头干净;
●定期对中频矩阵的每一路卫星信号进行检测,确保通道畅通。
五结束语
