USAT動中通系統鄰星干擾分析與對策探討

魏曉輝，張　健，鐘旭東

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

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USAT動中通系統鄰星干擾分析與對策探討

魏曉輝1，張健2，鐘旭東3

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

近年來，空間通信衛星數量快速增長，由于衛星通信系統工作頻率有限，因此當兩個覆蓋區有重疊的通信衛星軌道間隔較近時，區域內同頻率的超小口徑天線終端(Ultra Small Aperture Terminal，USAT)動中通系統之間將會產生鄰星干擾。結合USAT與靜止衛星單鄰星干擾模型，詳細闡述了鄰星干擾成因，推導了衛星軌位間隔與靜止衛星單鄰星干擾容限的關系；同時研究了鄰星干擾下的鏈路載干噪比門限備余量設計問題。最后基于數值仿真結果，分析了軌位間隔、干擾終端發射功率及終端天線口徑對鄰星干擾容限的影響，提出了幾種有效的鄰星干擾對策。

超小口徑天線終端；動中通；鄰星干擾；靜止衛星

0　引　言

USAT動中通系統是一種車載(或機載、船載)衛星通信系統，主要是由衛星天線，以及衛星跟蹤與穩定子系統、衛星信道設備、應用終端等組成。其天線口徑一般在1.2m以下，甚至0.5m以下。設備體積小，機動靈活，通信帶寬大，與平臺共形效果好，能夠在移動中與衛星建立并保持通信能力，可傳輸圖像、語音、數據等多種業務，滿足軍事移動平臺和突發事件現場的指揮通信。由于自身優良的實用性能，USAT動中通系統在近年來得到了迅猛的發展，廣泛應用于軍用與民用的各種領域，數量與規模快速增長。

鄰星干擾是指兩個通信衛星軌道較近、使用頻率相同、且對地覆蓋區重疊時，衛星通信系統之間發生相互干擾而降低通信性能的現象，此時兩個衛星與同一地球站的鏈接夾角較小。由于USAT系統衛星天線口徑較小，其天線旁瓣增益較大，大量的用戶終端使系統間的鄰星干擾發生概率大大增加，干擾導致通信鏈路的性能惡化[1]。此外，目前在軌同步通信衛星的數量日益增加，由于靜止軌位空間非常擁擠，頻率資源短缺，也令鄰星干擾問題日趨嚴重和復雜，造成通信系統性能惡化甚至通信中斷。因此，鄰星干擾問題一直是衛星通信領域的研究熱點。文獻[2]在考慮雨衰影響下對鄰星干擾產生的系統中斷性能進行了統計分析。文獻[3]研究了TDMA衛星通信系統產生的鄰星干擾對動中通移動站通信性能的影響。文獻[4]推導了鄰星干擾情況下通信鏈路的誤碼率性能與有用信號信噪比、干擾信號信噪比、鏈路夾角和系統中斷率的關系。

為保證空間各衛星網絡兼容運行，國際電信聯盟(ITU)針對鄰星干擾問題提出了多個建議，我國無線電管理部門對衛星“動中通”地球站提出了相關要求，通信衛星運營商也對入網地球站有嚴格的要求，為滿足ITU和通信衛星運營商的要求，衛星通信應用系統研制部門從通信體制設計到地球站制造與應用開展了技術方面的攻關。本文基于USAT衛星通信現狀，首先詳細闡述了USAT靜止衛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星間的幾何關系得到衛星軌位間隔與鏈路夾角的關系，推導得出靜止衛星單鄰星干擾容限，同時研究了鄰星干擾對鏈路余量的影響。最后基于數值仿真分析結果，分析了軌位間隔、干擾終端發射功率及終端天線口徑對鄰星干擾容限的影響，提出了相應的鄰星干擾對策。

1　USAT鄰星干擾模型與成因分析

當兩顆衛星的通信鏈路夾角過小時，一個衛星系統地球站天線上行發射的主瓣或旁瓣信號將對另一個通信衛星鏈路產生干擾，引起其通信系統整體性能惡化；同樣，地球站天線波束較寬時也會收到臨星的同頻下行信號，導致地球站接收性能惡化。隨著地球空間同步軌位日益擁擠，鄰星干擾現象亦日益增長，其干擾狀況愈顯復雜。某個衛星通信系統在受到多個鄰星通信系統干擾的同時，亦可能對多個鄰星系統造成干擾。而目前在軌衛星的數量與種類繁多，包含了低軌道、中軌道及地球同步衛星通信系統等，且系統間工作頻段、衛星通信覆蓋區域重疊度高，干擾狀況極為復雜。為簡化分析，本文以USAT靜止衛星單鄰星干擾模型為基礎，對鄰星干擾的成因進行分析。

如圖1所示，本星A與USAT動中通終端Ua為被干擾對象，干擾鄰星B與USAT動中通終端Ub為干擾信號源，Ua、Ub終端位置處于本星A與干擾鄰星B的波束重疊覆蓋區內。本星A的正常通信過程受到了來自干擾終端Ub的上行干擾信號，且本星USAT動中通終端Ua受到了來自鄰星B的下行干擾信號，θ為進入終端Ua的兩條衛星鏈路的夾角(單位為度)。考慮簡單的情況，即當天線直徑大于電波波長的100倍時，且θ值位1至7度時，鄰星下行干擾對本星USAT終端的干擾增益[5]為：

G=29-25logθ(dBi)

(1)

可以看出，當夾角θ值較小時，干擾增益較大，將對重疊覆蓋區內的其他通信系統造成嚴重干擾。

圖1　USAT靜止衛星單鄰星干擾模型

此外，由面天線理論易知，USAT動中通系統終端天線口徑較小，導致輻射能量嚴重分散，其主波瓣寬度大，且旁瓣較高。工程計算上常用主波瓣增益下降一半的角度φ3dB來表示天線的波束寬度，即：

(2)

式中，λ為通信信號波長，D為天線口徑。

下面以USAT系統常用的C、Ku及Ka波段頻率，對天線波束寬度與天線口徑的關系進行仿真分析。圖2為波束寬度隨天線口徑變化仿真結果，圖中仿真的各波段頻率分別為5 GHz、13 GHz、25 GHz。結果表明，波束寬度隨著天線口徑的減小迅速增加，進而導致鄰星干擾信號容易進入USAT終端主波瓣形成下行干擾，同時USAT終端天線偏軸增益變大，當天線跟蹤誤差較大時易對其他系統造成較為嚴重的上行干擾。

2　鄰星干擾分析

2.1靜止衛星單鄰星干擾容限

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；由地球與靜止衛星之間的幾何關系容易推導出如下方程：

(3)

可以解得：

(4)

實際工程上估算時，常取θ≈1.1δ[6]。

為了有效限制系統間干擾，國際電聯等組織對地面天線口徑與輻射方向實施了嚴格的限制規則。FCC、OSTR83.2具有較為苛刻的要求，相對峰值歸一化(1或0 dB)的旁瓣包絡電平(單位dBi)應該不超過下式規定：

(5)

由圖1所示干擾模型，干擾終端Ub對本星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方向的衛星天線增益。

(8)

綜上可得上行鏈路的載干比為(以分貝計算)：

(9)

(10)

因此，可以得到干擾鄰星B的通信系統引起的總載干比為：

(11)

在實際的鄰星干擾分析中，若已知衛星軌位間隔、干擾終端的天線增益等諸多參數時，可用式(10)作簡要估計，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)

聯合式(12)與式(13)可得出鄰星干擾項與門限備余量關系式如下：

(14)

若鏈路載干噪比門限備余量ML較小，則通信系統性能將不夠穩定；反之過高時，則將增加系統額外的工程設備成本，造成資源浪費。因此，考慮鄰星干擾項對門限備余量的影響，對于實際工程設計具有重要意義。

3　數值仿真與鄰星干擾對策

圖3　總載干比受軸向EIRP的影響結果

圖4為總載干比隨系統終端天線口徑變化的結果，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)。由結果可以看出，當軌位間隔2度時，0.9 m、0.5 m天線分別達到的系統總載干比為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，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動中通系統亦應限制用戶終端天線的最小口徑，避免口徑過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果

圖5　鏈路載干噪比門限備余量仿真曲線

4　結　語

結合USAT系統通信實際，本文從靜止衛星單鄰星干擾模型的角度分析了鄰星干擾對系統性能的影響，并分析了能夠有效對抗鄰星干擾的對策，對于USAT動中通系統通信鏈路的合理設計，保證系統良好的通信性能具有重要的實用意義。但隨著衛星通信技術的發展與USAT動中通系統的廣泛應用，系統通信所處的電磁環境將更趨復雜化，干擾源種類與樣式更趨多樣化。例如，USAT通信系統可能面臨靜止衛星多鄰星干擾、運動衛星鄰星干擾、多軌道衛星復合干擾等諸多干擾狀況。下一步，我們將對這些情況進行深入的研究。

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魏曉輝(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向為天基信息系統；

張健(1964—)，男，研究員，博士，主要研究方向為衛星通信；

鐘旭東(1991—) ，男，碩士研究生，主要研究方向為衛星通信。

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