基于GEO通信衛(wèi)星干擾技術的建模與仿真

摘 要： 由于GEO軌道資源有限，GEO通信衛(wèi)星之間距離縮小，不可避免相互干擾。分析了空間信號傳輸鏈路的損耗，研究了目前GEO通信衛(wèi)星所采用的喇叭天線和拋物面天線的信號特征，建立了上行鏈路信號干擾模型，最后基于X頻段和Ka頻段的GEO通信衛(wèi)星干擾進行了建模與仿真，驗證了干擾的有效性。

關鍵詞： GEO通信衛(wèi)星； 鏈路損耗； 干擾技術； 建模與仿真

中圖分類號： TN927?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）13?0005?05

Modeling and simulation based on interference technology of

GEO communication satellites

YANG Xin， ZHANG Zhan?yue， HE Zhong?zhu， LI Jun?chao

（Academy of Equipment， Beijing 101416， China）

Abstract： The distance between different GEO communication satellites is decreasing due to the finite GEO orbit， so the mutual interference is hard to avoid. Both the link wastage of space signal and the signal characters of horn antenna and paraboloid antenna on GEO communication satellites are analyzed. The model of effective disruption to the up?link is established. Based on the frequency bands of X and Ka， modeling and simulation of effective disruption is accomplished， which proves effectiveness of the disruption.

Keywords： GEO communication satellite； link wastage； interference technology； modeling and simulation

0 引 言

地球同步軌道（Geostationary Orbit，GEO）是所有衛(wèi)星軌道中最重要的一類軌道，在該軌道上少量衛(wèi)星組網就能夠有效完成全球通信、預警等軍事任務。進入21世紀，世界主要航天國家加速推進空間力量建設，在進入空間、利用空間和控制空間領域展開激烈競爭，尤其是在有限GEO軌道的資源爭奪中更為激烈，爭相發(fā)射GEO衛(wèi)星，提前占領軌道資源。由此GEO軌道變得“擁擠不堪”[1]。GEO衛(wèi)星之間距離縮小，這就難免造成大型GEO通信衛(wèi)星之間的相互干擾，對通信質量造成影響。本文基于這樣的背景，研究分析了GEO通信衛(wèi)星之間的相互干擾技術。

衛(wèi)星通信鏈路有星地鏈路、星間鏈路兩種，星地鏈路可以分為星地上行鏈路、星地下行鏈路。GEO通信衛(wèi)星之間的干擾主要是對上行鏈路干擾。在這種干擾方式下，干擾信號空間傳輸損耗小，對目標星的接收端進行干擾具有很大的優(yōu)勢[2]。本文通過分析信號的傳輸鏈路性能和天線特征，建立了對上行鏈路實施有效干擾的模型，并分別在X頻段和Ka頻段下的干擾進行了仿真和分析。

1 信號傳輸鏈路分析

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，信號的傳輸鏈路主要在星地之間和星際之間。星地之間的傳播特性由自由空間傳播特性和近地大氣的各種影響所確定，而星際鏈路傳送可認為是自由空間傳播[3]。

電波在空間傳播的過程中，能量將隨著傳輸距離的增加而擴散，由此引起的傳播損耗稱為鏈路的自由空間傳播損耗[3]。信號在自由空間的傳播損耗為：[LS=4πdfc2] （1）

式中：[d]為傳輸距離；[f]為載波頻率；c為光速，[c=2.997 92×108]m/s。

以dB為單位，式（1）改寫為：

[LS=92.44+20lgd+20lg f]

式中：[d]的單位為km；[f]的單位為GHz。

除自由空間傳播損耗外，還有大氣吸收損耗、雨衰，以及由于折射、散射與繞射、電離層閃爍與多路徑等引起的附加損耗。

衛(wèi)星地面站與GEO通信衛(wèi)星之間信息傳輸經過大氣層，距離較遠，在仿真時假設地面站與GEO通信衛(wèi)星上行鏈路之間的鏈路附加損耗為200 dB，GEO通信衛(wèi)星之間的鏈路附加損耗為4 dB。

2 天線特征分析

對目標星進行通信干擾要求干擾設備位于通信衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域內，這除了與目標星天線的指向有關之外，還與天線的自身特性有關。

天線是通信衛(wèi)星有效載荷的重要組成部分。根據IEEE標準，天線定義為“輻射或接收無線電波的裝置”，天線具有阻抗特性、方向特性、極化特性和帶寬特性四個基本特性[3]。目前國內外的GEO通信衛(wèi)星天線可分為喇叭天線、拋物面天線和相控陣天線三種。本節(jié)將對天線的特性進行分析。

2.1 喇叭天線及其方向圖[4]

喇叭天線是終端開路的標準波導逐漸擴展而成的。它是最常用的微波天線，一般是作標準天線或作饋源。本節(jié)主要研究矩形口徑天線輻射場的特性，對圓錐喇叭不進行討論。由矩形波導張開的喇叭天線有H?面扇形喇叭，E?面扇形喇叭和角錐形喇叭三種基本組成。如圖1所示。角錐喇叭天線中各參數的具體定義如圖2所示。

圖1 各種喇叭天線

圖2 角錐喇叭天線中各參數的定義

角錐形喇叭口徑面上的場分量，可以用下列分量方程來表示：

[Ey=E0cosπ?xae-jx2λx2RH+y2REHx≈-Ey120πEz≈Ex=0Hz≈Hy=0] （2）

式中：[a]為波導的寬邊；[RH]和[RE]分別為H?面截面和E?面截面所對應的喇叭高度。

其H?平面內的方向函數為：

[FH（θ）=cosπDHλsinθ1-2DHλsinθ2] （3）

式中：[DH]為角錐喇叭的H?面寬度；[λ]為工作波長。

H?平面方向圖的主瓣波束寬度（單位：rad）為：

[2θ0.707=1.18λDH] （4）

E?平面內的方向函數為：

[FE（θ）=sinπbEλsinθπbEλsinθ] （5）

式中：[bE]為角錐喇叭的E?面寬度。

E?平面方向圖的主瓣波束寬度（單位：rad）為：

[2θ0.707=0.89λbE] （6）

假設GEO通信衛(wèi)星X頻段寬波束喇叭天線的波束寬度為17.4°，當[f=]8 GHz時，[DHλ=]3.885 6，[bEλ=]2.930 6，畫出角錐喇叭天線歸一化方向圖，如圖3所示。

圖3中，角錐喇叭天線的H平面方向圖第一旁瓣的歸一化峰值為0.029 3，即比主瓣低30.7 dB；E平面方向圖第一旁瓣的歸一化峰值為0.128 4，即比主瓣低17.8 dB。

2.2 拋物面天線及其方向圖[4]

拋物面天線是反射面天線中最常見的一種。反射面天線通常由饋源和反射面兩部分組成。拋物面天線根據外形的不同又可分為圓口徑面拋物面、部分拋物面、柱形拋物面等拋物面天線。

對于圓口徑拋物面天線所輻射的場波瓣圖，可以應用惠更斯原理，按照對矩形口徑的類似處理方法進行計算。得出歸一化場波瓣圖[E（φ）]作為[φ]和直徑[D]的函數如下：

[E（φ）=2λπDJ1[（πDλ）sinφ]sinφ] （7）

式中：[D]為圓口徑拋物面天線口徑的直徑，單位：m；[λ]為電波波長，單位：m；[φ]為相對于口徑法線的角度；[J1]為一階貝塞爾函數。

圖3 角錐喇叭天線歸一化方向圖

大圓口徑拋物面天線的半功率波束寬度（單位：deg）為：

[2θ0.707=58Dλ] （8）

式中：[Dλ=Dλ]為口徑直徑的波長數。

假設GEO通信衛(wèi)星的拋物面天線為Ka頻段天線，設信號頻率為30 GHz，半功率波束寬度為1.5°，則[λ=0.01]m，[D=0.39]m。其歸一化電場方向圖如圖4所示。

圖4 拋物面天線電場歸一化方向圖

除了喇叭天線和拋物面天線外，相控陣天線也是GEO通信衛(wèi)星的重要選擇，但對于相控陣天線無法建立嚴格的解析模型，在此不做分析。

綜上分析，假設當小型空間平臺的干擾設備處于目標星的主波束邊界之內時，就認為對目標星干擾有效，否則，認為干擾無效。

3 目標星上行鏈路干信比分析

對通信衛(wèi)星的上行鏈路進行干擾，需要考慮多方面的因素。首先，要對通信衛(wèi)星接收的上行信號進行分析；其次，要分析干擾衛(wèi)星對目標衛(wèi)星的干擾信號；最后，通過分析接收信號的干信比以確定干擾的有效性。通過以上分析，對通信衛(wèi)星的上行鏈路實施有效干擾，必須滿足以下三個條件[5]：

（1）通信衛(wèi)星上行信號工作頻率在干擾設備的可干擾頻率范圍之內；

（2）干擾設備位于通信衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域內；

（3）通信衛(wèi)星接收到的干擾功率和信號功率之比大于等于衛(wèi)星能有效工作的最大干信比。

3.1 衛(wèi)星接收的地面信號功率

衛(wèi)星地面站發(fā)射的信號經自由空間傳播后到達接收天線的信號功率[4]為：

[S=EIRPS?G4πRSfc2LAS] （9）

用dB來表示為：

[S=EIRPS+G-LS-LAS]

式中：[S]為衛(wèi)星接收機輸入端的信號功率；[EIRPS]為地面終端發(fā)射機的有效全向輻射功率；[G]為衛(wèi)星接收天線在地面發(fā)射機方向的增益；[RS]為地面站與衛(wèi)星接收天線之間的距離；[f]為地面站發(fā)射的載波頻率；[c]為光速；[LAS]為信號功率的大氣、極化等其他鏈路附加損耗；[LS=20lg4πRSfc]為傳輸損耗。

其中，地面終端發(fā)射機的有效全向輻射功率可表示為：[EIRPS=PSGS]，式中，[PS]為電波發(fā)射功率；[GS]為發(fā)射天線增益。

3.2 衛(wèi)星接收的干擾信號功率

干擾功率到達衛(wèi)星接收天線的干擾信號功率[4]為：

[J=EIRPJ?G（θ）4πRJfc2LAJ] （10）

用dB來表示，則：

[J=EIRPJ+G（θ）-LJ-LAJ]

式中：[J]為衛(wèi)星接收機輸入端的干擾功率；[EIRPJ]為干擾衛(wèi)星有效全向輻射功率；[G（θ）]為衛(wèi)星接收天線在干擾功率方向上的增益；[RJ]為干擾衛(wèi)星與衛(wèi)星接收天線之間的距離；[f]為干擾載波頻率；[LAJ]為信號功率的鏈路附加損耗；[LJ=20lg4πRJfc]為傳輸損耗。其中，干擾衛(wèi)星的有效全向輻射功率可表示為：

[EIRPJ=PJGJ]

式中：[PJ]為干擾電波發(fā)射功率；[GJ]為干擾發(fā)射天線增益。

3.3 衛(wèi)星上行鏈路干信比

綜上分析，衛(wèi)星上行鏈路的干信比[JS]為：

[JS=EIRPJ-EIRPS+G（θ）-G-LJ+LS-LAJ+LAS] （11）

從式（11）給出的衛(wèi)星上行鏈路的干信比很容易確定是否進行了干擾。如果干信比為正，則能有效干擾；若干信比為負，則干擾失效，衛(wèi)星正常工作。

由以上分析可知，對衛(wèi)星的天線進行干擾，若不能進入主瓣，通過副瓣也能有效干擾，假設此時的平均副瓣電平比主瓣低30 dB，并且要求干擾衛(wèi)星位于衛(wèi)星天線輻射方向120°范圍之內。

4 目標星上行鏈路干擾分析

假定Ka鏈路和X鏈路的地面站上行主要參數見表1。

表1 假設衛(wèi)星地面站主要上行參數

[地 面 站＼X鏈路上行參數＼Ka鏈路上行參數＼地面天線最大天線

口徑及功率＼8 m，10～1 000 W＼16 m，250 W＼機載和艦載用戶

天線口徑及功率＼1.1 m，400 W＼1.5 m，50 W＼普通地面用戶

天線口徑及功率＼2～3 m，300 W＼3 m，50 W＼]

4.1 上行X鏈路干擾仿真分析

由上分析， X頻段的信號頻率為8 GHz，GEO通信衛(wèi)星與地面站的距離約為36 000 km。假設接收天線增益為34.3 dB，地面站的發(fā)射功率分別取10 W，300 W，400 W，1 000 W，鏈路附加損耗為4 dB，可以得到該衛(wèi)星在X頻段接收的地面站信號功率，見表2。

表2 X頻段衛(wèi)星接收地面站信號分析

[地面

發(fā)射

功率 /W＼地面

天線口徑 /m＼星地

距離

/km＼地面

發(fā)射EIRP /dB＼自由空間

傳播

損耗 /dB＼鏈路附

加損耗

/dB＼信號

功率

/dB＼10＼8＼36 000＼63.5＼201.6＼4＼-107.8＼1 000＼8＼36 000＼83.5＼201.6＼4＼-87.8＼300＼3＼36 000＼69.8＼201.6＼4＼-101.5＼300＼2＼36 000＼66.3＼201.6＼4＼-105＼400＼1.1＼36 000＼62.3＼201.6＼4＼-109＼]

如表2所示，該衛(wèi)星喇叭天線接收的信號功率最大值為-87.8 dB，最小功率為-109 dB，則當衛(wèi)星喇叭天線接收到的干擾信號功率超過-87.8 dB時，就能實現對衛(wèi)星喇叭天線的干擾。以下仿真將以衛(wèi)星接收的信號功率為-87.8 dB的情況進行分析。

（1）仿真條件一

假設干擾衛(wèi)星天線口徑為0.5 m，發(fā)射功率分別取50 W，30 W，10 W，5 W，1 W，信號頻率為8 GHz，與目標衛(wèi)星距離變化范圍為5～400 km，鏈路損耗為1 dB，衛(wèi)星在干擾方向的增益為34.3 dB，得到仿真結果如圖5所示。

圖5 X頻段干擾功率與干擾距離的關系曲線

以表2給出的該衛(wèi)星接收最大地面站信號-87.8 dB為基準線，如圖5所示，當曲線處于基準線以下時，干擾衛(wèi)星將不能對目標衛(wèi)星進行有效干擾。在同一信號發(fā)射功率下，隨著距離的增大，到達目標衛(wèi)星的干擾功率將減小。

（2）仿真條件二

假設星干擾衛(wèi)星與目標衛(wèi)星的距離分別為50 km，100 km，200 km，300 km，400 km，衛(wèi)星接收的地面站信號為-87.8 dB，其他條件不變，得到不同距離情況下干擾衛(wèi)星的最小發(fā)射功率，見表3。

表3 X頻段干擾衛(wèi)星的最小發(fā)射功率

[干擾

功率 /dB＼干擾天線口徑 /m＼干擾衛(wèi)星

與衛(wèi)星

距離 /km＼自由空間

傳播

損耗 /dB＼鏈路附

加損

耗 /dB＼干擾衛(wèi)星

發(fā)射

功率 /W＼-87.8＼0.5＼50＼144.5＼1＼0.25＼-87.8＼0.5＼100＼150.5＼1＼0.99＼-87.8＼0.5＼200＼156.5＼1＼3.95＼-87.8＼0.5＼300＼160.0＼1＼8.84＼-87.8＼0.5＼400＼162.5＼1＼15.71＼]

如表3所示，在給定條件下，當干擾衛(wèi)星發(fā)射功率大于15.71 W時，干擾距離在400 km以內，都能實現對目標衛(wèi)星的有效干擾。

4.2 上行Ka鏈路干擾仿真分析

Ka頻段的信號頻率為30 GHz，GEO衛(wèi)星與地面站的距離為36 000 km。假設接收天線增益為55.2 dB，地面站的發(fā)射功率分別取50 W，250 W，鏈路附加損耗為4 dB，可以得到該衛(wèi)星在Ka頻段接收的地面站信號，如表4所示。

表4 Ka頻段衛(wèi)星地面站信號分析

[地面發(fā)

射功

率 /W＼地面

天線口徑 /m＼星地

距離

/km＼地面

發(fā)射

EIRP /dB＼自由空間

傳播

損耗 /dB＼鏈路附

加損

耗 /dB＼信號

功率

/dB＼250＼16＼36 000＼95.0＼213.1＼4＼-66.9＼50＼3＼36 000＼73.5＼213.1＼4＼-88.4＼50＼1.5＼36 000＼67.5＼213.1＼4＼-94.4＼]

如表4所示，選擇衛(wèi)星接收的地面站最大信號-66.9 dB為干擾對象進行分析。

（1）仿真條件一

假設干擾衛(wèi)星天線口徑為0.5 m，發(fā)射功率分別取50 W，30 W，10 W，5 W，1 W，信號頻率為30 GHz，與衛(wèi)星距離變化范圍為5～400 km，鏈路損耗為1 dB，該衛(wèi)星在干擾衛(wèi)星發(fā)射功率方向的增益為55.2 dB，得到仿真結果如圖6所示。

圖6 Ka頻段干擾功率與干擾距離的關系曲線

如圖6所示，以衛(wèi)星接收地面站信號的最大值-66.9 dB為基準線，當曲線處于基準線以下時，干擾衛(wèi)星將不能對衛(wèi)星進行有效干擾。

（2）仿真條件二

當GEO通信衛(wèi)星Ka頻段拋物面天線主瓣的波束角較小，干擾衛(wèi)星對目標衛(wèi)星拋物面天線主瓣進行干擾相對困難。因此，考慮對目標衛(wèi)星的拋物面天線副瓣進行干擾，則目標衛(wèi)星在干擾衛(wèi)星方向的增益將比主瓣低30 dB，即到達該衛(wèi)星拋物面天線的干擾信號要大于-36.9 dB才能有效干擾。通過計算仿真，得到干擾信號為-36.9 dB時干擾衛(wèi)星的最小發(fā)射功率，如表5所示。

表5 Ka頻段副瓣干擾時干擾衛(wèi)星的最小發(fā)射功率

[干擾功率/dB＼干擾天線口徑/m＼干擾衛(wèi)星

與目標衛(wèi)星距離 /km＼自由空間

傳播

損耗 /dB＼鏈路附

加損

耗 /dB＼干擾衛(wèi)星

發(fā)射

功率 /W＼-36.9＼0.5＼10＼142.0＼1＼10＼-36.9＼0.5＼20＼148.0＼1＼39.7＼-36.9＼0.5＼30＼151.5＼1＼88.8＼-36.9＼0.5＼50＼156.0＼1＼250.1＼]

如表5所示，在Ka頻段從副瓣對目標衛(wèi)星拋物面天線進行干擾時對信號發(fā)射功率要求較高，可選擇干擾衛(wèi)星發(fā)射功率為10 W，干擾距離在10 km以內，干擾天線口徑為0.5 m。

5 結 語

本文從對通信衛(wèi)星的上行鏈路實施有效干擾必須滿足的三個條件出發(fā)，分析了信號傳輸路徑的損耗，研究了GEO通信衛(wèi)星所攜帶的喇叭天線和拋物面天線信號特征。通過分析干信比，確定干擾的有效性，針對衛(wèi)星使用的上行X頻段和Ka頻段鏈路的干擾分別進行了仿真，并對仿真結果進行了分析。這為己方GEO通信衛(wèi)星的防護設計提供了參考。

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