一種衛星頻譜監測系統的設計與實現

張有志，丁　嶠，左　鵬，張更新

(1.海軍司令部信息化部，北京　100841；2.總參信息化部駐714廠軍代室，南京　210007；3.解放軍理工大學，南京　210007)

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一種衛星頻譜監測系統的設計與實現

張有志1，丁嶠3，左鵬2，張更新3

(1.海軍司令部信息化部，北京100841；2.總參信息化部駐714廠軍代室，南京210007；3.解放軍理工大學，南京210007)

摘要：本文研究了建設衛星頻譜監測系統的必要性，給出了衛星頻譜監測系統的設計目標和解決方案，介紹了頻譜監測管理中心和頻譜監測設備的設計方案以及頻譜監測關鍵算法，分析了系統功能、主要指標及應用前景。

關鍵詞：衛星通信；頻譜監測；載波參數自動識別；異常檢測

1　引言

隨著應用的日益廣泛，衛星通信系統電磁頻譜資源不足的問題越來越突出。但衛星轉發器資源的管理基本上采用靜態分配的方式，即轉發器上的頻譜資源往往是根據系統大致任務需求預先配置好的；同時，業務在即時性、可靠性、動態性、優先級等方面的要求各不相同，尤其對于在衛星各波束覆蓋區內所承擔的任務強度在不同時段內變化很大的應用環境，導致現有衛星通信頻率管理體制對工作效率較低。

雖然星上處理技術得到了一定程度的應用，但目前在軌的通信、數據中繼衛星中占多數的仍是衛星透明轉發器。由于各類通信、廣播、數據中繼衛星處于開放的空間，會面臨各種有意或無意干擾的影響，使得部分衛星信道無法正常通信，當用戶終端在受到干擾的信道上通信時，服務質量將明顯受損，如果控制信道受到干擾，受影響的用戶將更多。另外，系統也會遭受信道誤用、盜用、攻擊等特殊危險，影響系統的安全性。因此，針對衛星干擾信號的特點，研究衛星干擾信號的檢測和識別技術，研制專門的衛星頻譜監測系統，以發現和評估干擾狀態、避免分配使用有干擾的信道，對于提高通信和數據中繼衛星的運行管理水平和工作可靠性具有非常重要的意義。

2　總體設計

2.1設計目標

通過研制衛星頻譜監測系統，能夠為各類通信、廣播和數據中繼衛星提供一種長期運行的監測手段，提升對轉發器的監測能力、異常信號的檢測和識別能力、頻譜認知和資源調度能力，能夠保存衛星轉發器的長期運行狀態數據，在發生系統/網系/用戶間干擾或資源調配不合理造成部分系統/網系/用戶不能正常工作時，能夠提供必要的歷史數據和統計結果，以便分析原因、區分責任、排除問題。

2.2解決方案

為確保衛星頻譜監測系統的時效性和準確性，提高網絡運行管理水平，利用多臺頻譜監測設備協同工作形成一個系統，而不是每一臺頻譜監測設備獨立工作來解決衛星頻譜監測問題，是一種較好的解決方案。

衛星頻譜監測系統由一個頻譜監測管理中心和分布在各地的多臺頻譜監測設備組成，如圖1所示。其中，部分頻譜監測設備與頻譜監測管理中心共同設置在中心站，而其他頻譜監測設備配置在外地，以完成中心站不可視的衛星或點波束的頻譜監測任務。

當監測的網絡規模較小時，使用一臺頻譜監測設備及配套軟件也可組成一個小規模的監測系統。這種情況下，頻譜監測設備將提供友善的操作界面，接受操作員的監測請求，反饋監測結果，進行干擾告警。

圖1 衛星頻譜監測系統組成示意圖

頻譜監測管理中心是衛星頻譜監測系統的管理控制中心，負責管理各個頻譜監測設備，生成和管理系統的監視計劃并下發到各個頻譜監測設備，對接收到的來自各個頻譜監測設備的監視數據進行綜合分析，反饋監測結果并提供惡意干擾告警。頻譜監測管理中心采用客戶機-服務器模式，由應用服務器和管理操作終端組成，分別運行轉發器監視的數據庫、服務端程序和客戶端程序。

頻譜監測設備是實際完成衛星頻譜監測任務的設備，接受頻譜監測管理中心的監測調度，完成對指定衛星、波束、轉發器和載波頻譜的監測，識別信號參數，分析轉發器受干擾情況，向頻譜監測管理中心上報監測結果。

3　技術方案

3.1頻譜監測管理中心設計方案

頻譜監測管理中心是運行在通用計算機平臺上的軟件系統，該軟件系統采用客戶機、中間層和數據庫的三層體系構架，它是在傳統二層結構（客戶機/服務器結構）的基礎上增加了應用服務器，將應用邏輯單獨進行處理，從而使得用戶界面與應用邏輯位于不同的平臺上，兩者之間的通信協議由系統自行定義。其中，客戶機（用戶界面）提供用戶與系統的友好訪問；中間層是應用服務器，完成業務邏輯的實現；數據庫負責數據信息的存儲、訪問及其優化。通過這樣的結構設計，使得業務邏輯能被所有用戶共享，并降低了客戶機的負擔。頻譜監測管理中心功能模塊組成見圖2。

3.2頻譜監測設備設計方案

頻譜監測設備基于CPCI體系構架，由前面板組件、后面板組件、箱體和CPCI板卡組件（各功能板卡、背板以及電源模塊）組成。設備采用模塊化設計，分為控制單元、監測單元和通道單元三大部分，分別完成設備的控制管理、信號的實時處理分析及變頻濾波放大等功能。頻譜監測設備模塊組成見圖3。

一臺完整的頻譜監測設備包含一個控制單元和最多兩個監測單元和通道單元（監測單元與通道單元成對配置）。其中，控制單元通過主控板來實現，采用6U CPCI標準X86體系構架；監測單元通過信號板來實現，完成鏈路信號的接收與處理，采用FPGA+DSP的硬件體系架構，其實現框圖如圖4所示；通道單元完成對接收信號的下變頻、濾波和放大。

3.3頻譜監測關鍵算法

3.3.1 數據平滑算法

圖2 頻譜監測管理中心功能模塊組成圖

圖3 頻譜監測設備模塊組成圖

圖4 信號板硬件實現框圖

數據平滑的目的是消除測量噪聲，以得到精確的模型和較好的特征提取效果。常用的平滑算法有最小二乘法，N點平滑濾波法，自適應N點平滑濾波法等。這里選用自適應N點平滑濾波法來消除測量噪聲，該方法考慮了相鄰各點相對于當前位置的作用大小，采用加權的方法求各點處的平均值，權值由加權函數h(n)決定。自適應N點加權平滑濾波公式為

3.3.2 寬帶自適應掃描法

由于監測帶寬比較大（最大可達數百MHz），大小信號并存，并且對信號分析的實時性要求較高，為解決分辨率與分析時間之間的矛盾，提出了一種寬帶自適應掃描算法。其基本思想是，首先使用一個較大分辨率帶寬對信號頻譜進行粗掃，獲取信號的總體“輪廓”特征，根據其總體“輪廓”特征，將整個需要掃描的頻帶分割成幾個相對獨立的“群”。對于每個“群”，分析其特征，采用適當的分辨率帶寬與視頻帶寬對其進行細掃，將當前群劃分為更小的“群”，依此類推，最終分析清楚每一個信號。對于每一個信號，根據其信號特征，分析其是否被干擾。使用這種方法，可以在不損失被監測信號分析精度的條件下，較為快速地完成寬頻帶范圍內（一個轉發器內）的信號分析。

3.3.3 逐層遍歷算法

使用寬帶自適應掃頻算法，需對信號進行分群。首先對整個掃描帶寬內的信號進行初始分群，然后對每一個子群再進行細分，直到分出每一個單路信號。對每一個子群的遍歷可以采用逐層遍歷法。在逐層遍歷過程中，按從頂層到底層的次序訪問樹中元素，在同一層中，從左到右進行訪問，直到遍歷完每一個子群。

3.3.4 異常信號檢測

異常信號是指干擾信號和不按規定使用的用戶信號。干擾主要包括無意干擾和惡意干擾。無意干擾是指衛星終端用戶因為操作不正確或設備故障而對衛星造成的干擾，這種干擾的限度往往非常有限，但因為干擾效果并不是非常明顯，往往比較難于發現。惡意干擾是指敵方為中斷衛星通信而進行的干擾，這種干擾的特點是干擾強度大，影響的頻帶范圍較寬，干擾效果非常明顯。這里給出幾種基于頻域分析的異常檢測方法。

（1）異常強信號檢測。這類信號的特點是頻帶寬、強度強，如寬帶阻塞式干擾、寬帶脈沖干擾和掃頻干擾等。通過設定轉發器信號的判決電平上限和帶寬上限，當超過上限時，結合該轉發器歷史信息，就可判定是否存在異常強信號。

（2）包絡對稱性檢測。衛星通信信號一般是以中心載頻為對稱軸的“對稱”信號。通過計算“左半譜”和“右半譜”的相關度，就可準確描述信號的對稱程度。當合法信號與非法信號疊加后（合法信號與非法信號中心頻率不重疊，且分辨率帶寬足夠?。?，頻譜信號的對稱性將被打破，突出表現為“左半譜”和“右半譜”的相關度明顯降低。

（3）電平變化檢測。電平變化檢測主要針對當干擾信號與原始信號譜形完全相同時的干擾檢測。這種情況下信號譜形不會發生太大變化，但信號電平將明顯升高，通過檢測信號電平并結合歷史數據庫的統計信息，可以判定是否發生異常。當信號電平受外界因素影響較大時，這種分析方法不夠準確。

（4）統計檢測。利用歷史頻帶統計信息對非法信號進行檢測，這種方法主要適用于已知信號的情況，或假定轉發器上的業務固定。統計檢測主要用于配合其他檢測手段檢測異常信號。

4　系統功能及技術指標

目前，衛星頻譜監測系統已經實現了如下主要功能：

⊙ 指定監視頻段內信號的接收及轉發器頻譜圖的自動獲取。

⊙ 指定監視頻段內載波譜形參數（包括中心頻率、帶寬、信噪比等）的自動識別。

⊙ 指定監視頻段內轉發器中的干擾檢測和告警。

⊙ 接受上級網管系統的管理，上報頻譜監測結果。

實現的主要技術指標如下：

⊙ 輸入信號頻率范圍：70MHz±18MHz、140MHz±36 MHz、L波段（950MHz-1450MHz）或S波段（2.2-3.8GHz）。

⊙ 最大監測帶寬不小于300MHz，頻率分辨能力優于10kHz（54MHz分析帶寬）。

⊙ 轉發器監測帶寬不大于54MHz時，頻譜刷新時間小于1秒；當大于54MHz時，刷新時間不大于n×1秒，n為指定帶寬/54MHz的上取整。

⊙ 能夠自動接收指定轉發器或指定頻段內的信號，實時獲取轉發器頻譜圖。

⊙ 能夠自動識別指定轉發器或指定頻段內各載波的中心頻率、帶寬和載噪比等參數，自動識別時間≤1s。

⊙ 能夠自動獲取指定轉發器或指定頻段內各載波的時頻圖，給出時間、頻率和載噪比分析結果。

⊙ 具備檢測突發載波載噪比能力，給出其在監測時間內的分布，自動識別同一載波內各突發的最高載噪比，載噪比分析精度優于0.5dB。

⊙ 支持手動監視和根據監視計劃自動監視兩種工作模式。

⊙ 網管接口：以太網接口，標準TCP/IP協議，自定義應用層協議。

5　應用前景

通過衛星頻譜監測系統的研制，完成了對衛星轉發器信號的實時監測和自動分析，實現了頻譜監測的智能化、自動化和網絡化，在通信衛星的資源管理和衛星通信系統的運行控制中具有廣泛的應用前景，其應用價值主要有：

⊙ 通過監視衛星轉發器的功率和頻率使用情況，評估轉發器的工作狀態和應用效能，為運行管理決策提供依據。

⊙ 自動監測業務載波的關鍵參數（如頻譜、中心頻率、帶寬、載噪比等），判別它們是否工作在指定范圍內。

⊙ 實現各轉發器內異常信號的實時檢測和自動識別，評估信號的合法性，自動發現異常信號并及時告警，為干擾定位和故障排查提供支持。

⊙ 探測可用的頻譜空洞，形成可用的功率/頻率資源庫，提高衛星轉發器資源的利用率。

⊙ 通過對衛星通信系統實施監測，能夠及時發現故障和干擾，避免使用有干擾的信道，提高呼叫成功率。

參考文獻

[1]李勇，張艷娥，孫謙．一種衛星頻譜監測系統設計方案及實現，空間電子技術，2006

[2]胡洪坡．衛星通信干擾檢測技術研究．碩士學位論文，解放軍理工大學，2007.06

[3]王瀧．衛星通信信號認知技術研究．碩士學位論文，解放軍理工大學，2011.06

[4]馬兆宇．衛星通信信號調制識別技術研究與實現．碩士學位論文，解放軍理工大學，2014.06

凌華推出新款ATX工業母板

近日，凌華科技推出最新ATX工業母板IMB-M43，它搭載英特爾第六代Intel Core i7/i5/i3（代號Skylake）系列處理器及Q170芯片組，具備極佳的運算及繪圖能力，最多支持五組PCIe插槽，PCIe接口可靈活配置，堅固穩定的I/O接口設計，可滿足工業自動化客戶各種不同的應用需求，為機器視覺及運動控制整合的應用提供大幅降低成本的解決方案。

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Design and Implementation of the Satellite Spectrum Monitoring System

Zhang Youzhi1,Ding Qiao3,Zuo Peng2,Zhang Gengxin3
(1.PLA Navy Ministry of Information,Beijing,100841;2.Military Representative Office at Factory 714,the General Staff of the Ministry of Information,Nanjing,210007;3.PLA University of Science and Technology,Nanjing,210007)

Abstract:On the basis of analyzing the necessity of building satellite spectrum monitoring system(SSMS),the designing purpose and solution of the SSMS was introduced,the main spectrum monitoring algorithms and the designing schemes of the spectrum monitoring management center and the spectrum monitoring equipment was given,and the function,qualification and application of SSMS was analyzed finally.

Keywords:Satellite Communication;Spectrum Monitoring;Automatic Recognition of Carrier parameters;Anomaly Detection

作者簡介：張有志，海軍司令部信息化部科研辦工程師，主要從事衛星通信方面的工作。丁嶠，解放軍理工大學通信工程學院學生。左鵬，總參信息化部駐714廠軍代室高級工程師，主要從事衛星通信、短波通信方面的工作。張更新，解放軍理工大學通信工程學院教授，主要從事衛星通信、深空通信和衛星導航方面的工作。

中圖分類號：TN927+.2，TN97文獻標示碼：A文章編碼：1672-7274（2016）03-0001-05

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.03.001