衛星干擾處理技術綜述

郝才勇

（國家無線電監測中心深圳監測站，廣東 深圳 518120）

衛星干擾處理技術綜述

郝才勇

（國家無線電監測中心深圳監測站，廣東 深圳 518120）

為了應對新的衛星干擾形勢并針對衛星干擾問題提出有效的解決方法，研究了衛星干擾處理的新技術和策略，總結了衛星干擾源定位技術及其發展趨勢，提出利用無人機輔助查找地面干擾源的技術，介紹了采用載波標識（CID）標準快速確定衛星干擾源的方法，給出了采用終端設備認證和數據共享策略解決干擾的實施方法。研究表明，多方聯合、數據共享是解決衛星干擾問題的有效方法。

衛星干擾；干擾定位；無人機；載波標識；數據共享；終端認證

1 引言

隨著在軌衛星數量的不斷增多、衛星頻譜資源的愈加緊張以及自動化設備和無人值守站的迅速增加，衛星干擾問題日益突出。全球每年大約發生上百起較為嚴重的衛星干擾事件，并且干擾事件發生數量在持續上升[1]。

衛星干擾對衛星運營商和衛星資源監管部門造成了嚴重的威脅。對于衛星運營商，干擾導致有效頻譜的價值損失、頻率切換時延增加、通信服務質量下降甚至通信中斷等惡劣的影響，其代價不僅是造成公司營業額下降，更重要的是處理這些干擾需要消耗大量的資源，排除干擾往往需要幾周甚至幾個月的時間[2]。對于衛星資源監管部門，衛星干擾擾亂了通信秩序，降低了衛星軌道和頻譜資源的利用率，損害了衛星通信的經濟價值和社會效益。衛星干擾通常分為下列幾種。

·設備故障：由衛星地球站設備運行不穩定導致，如帶外雜散、信號交調、頻率漂移等。

·操作錯誤：包括不良設備安裝和在操作過程中設置了錯誤的信號發射參數，如天線指向錯誤、發射功率超出最大限值、發射頻率設置錯誤等。

· 故意干擾：主要是出于政治或軍事目的，故意發射干擾信號阻礙正常通信，如向衛星發射高功率的單載波或掃頻信號。

·盜用轉發器：由于衛星轉發器采用的是透明轉發機制[3]，某些非注冊用戶不付費而占用衛星資源進行通信。

·鄰星干擾：由地球站天線指向偏離或天線口徑尺寸過小導致。目前，衛星干擾產生的主要原因是設備故障和操作錯誤。

為了減小和消除衛星干擾造成的惡劣影響，通常需要采用衛星干擾源定位技術。目前全球大部分的衛星運營商和衛星監管部門都部署了衛星干擾源定位系統，如美國的TLS系統和SatID系統、法國的HyperLoc系統、德國的SIECAMS ILS系統以及我國的雙星定位系統等。這些定位系統需要在地面建立大型衛星監測站來接收衛星下行信號，在滿足定位條件下，得到的定位結果是一個長軸半徑約為幾千米到幾十千米的橢圓區域[4]。然后在該定位區域內，通過手持信號接收設備或移動監測車進行逼近查找。事實上，要在半徑為幾十千米的區域內找到一個直徑僅為幾米的干擾發射天線，難度非常大[2]。傳統的衛星干擾源定位系統雖然能在一定程度上解決某些干擾問題，但是在定位精度、速度和獨立性上存在一定的局限。此外，隨著衛星通信技術的發展和通信業務的迅速擴張，如擁有數百個點波束的高通量衛星的快速增加、小型化和移動化衛星天線的廣泛應用[5,6]，使得主要依靠傳統的衛星干擾源定位技術難以應對新的干擾形勢。

因此，解決干擾問題需要從衛星通信整體流程的角度重新考慮。本文綜述了衛星干擾處理的新技術和方法，首先介紹了衛星干擾源定位的3種技術并描述了定位系統的發展趨勢，針對當前地面干擾查找技術的不足提出了采用無人機輔助查找地面干擾源的方法，然后介紹了采用CID（carrier identification，載波標識）標準確定衛星干擾源的方法及其最新進展，并采用終端設備認證進行干擾事前管理，最后詳細說明了數據共享策略在解決衛星干擾問題中的必要性和實施方法。

2 干擾源定位技術

衛星干擾源定位技術通過處理接收的干擾信號中與干擾源位置相關的參數，如傳輸時延、多普勒頻移或信號衰落等參數，計算或估計干擾源在地面的具體位置。衛星干擾源定位系統中常用的3種定位技術是雙星定位、三星定位和單星定位。

2.1 雙星定位

基于TDOA/FDOA（到達時間差/到達頻率差）的雙星定位是目前最普遍采用的衛星干擾源定位技術，其定位原理為[7,8]：位于地面的干擾源將干擾信號發射到被干擾衛星（主星）時，由于衛星天線的輻射特性，干擾信號的旁瓣泄露到與主星相鄰的衛星（鄰星）；位于地面的接收站分別接收干擾信號經過主星和鄰星轉發的兩路信號。由于這兩路信號的傳輸路徑不同，導致了不同的到達時間，形成TDOA；由于主星和鄰星相對于地球運動的速度不同，導致了接收信號產生多普勒頻移的差異，形成FDOA。然后對接收的信號進行參數估計得到TDOA和FDOA值，從而確定出一對位于地球表面的定位位置線 （TDOA線和FDOA線），它們的交點即干擾源的定位位置。定位原理如圖1所示。

圖1 雙星定位原理

雙星定位要完成定位或得到有效的定位精度，需要滿足一系列定位條件[9,10]。

·嚴格的鄰星選擇條件：除了要求鄰星與主星的軌道位置間隔較近外 （通常為C頻段間隔在10°范圍之內，Ku頻段間隔在7°范圍之內），還要滿足兩顆衛星的工作頻段相似、干擾信號對應主星的頻段上沒有信號、上行覆蓋范圍相似且下行都覆蓋地面衛星監測站、雙星組合有足夠多的參考源信號等條件。

·需要精度較高的衛星星歷：星歷的精度是影響雙星定位精度的最主要因素。

·需要至少4個已知參考站：參考站能在一定程度上修正衛星星歷誤差，參考站在地面上距離目標干擾源越近，誤差修正效果越好[11]。

·較好的定位時段：FDOA線在地面的分布隨著時間的變化發生偏轉，FDOA線與TDOA線之間的夾角越小其定位誤差越大，在某些時段當這兩條線接近平行時，定位結果無效[12]。

當這些條件都滿足時，雙星定位能在地面上將衛星干擾源確定到長軸半徑為幾十千米的橢圓區域，定位條件較好時誤差半徑能達到幾千米。

2.2 三星定位

為了提高雙星定位的精度，尤其是解決在參考站數量較少時定位誤差較大的問題，參考文獻[13-15]提出了三星定位技術。三星定位與雙星定位的原理相似，但是額外引入了一顆鄰星，利用信號分別經過兩顆鄰星和主星的到達時間差得到兩條TDOA線，其交點為干擾定位結果。定位原理如圖2所示。

圖2 三星定位原理

三星定位去除了對定位精度影響較大的FDOA而保留了穩定性較強的TDOA，在滿足定位條件時，能夠將定位精度提高到幾千米[2]。但是為了實現高精度，三星定位要求兩條時差線的夾角較大，對鄰星的選擇條件更加苛刻[16]，通常將三星定位作為雙星定位的輔助。近年來，隨著高增益信號處理技術的發展，鄰星的選擇條件較容易滿足，從而使三星定位技術的應用越來越普遍。

2.3 單星定位

雙星定位和三星定位的限制條件較多，要完成定位需要至少兩顆軌道位置相隔較近的衛星，同時還必須知道這些衛星準確的星歷數據。對于某些衛星特定頻段上的干擾，很難找到可用鄰星，尤其是點波束衛星，信號覆蓋限制在特定的地面區域，基本沒有鄰星可用，導致定位失敗。為了擺脫鄰星和衛星星歷等限制條件，提出了單星定位技術。

單星定位最初采用的方法是多普勒頻率跟蹤匹配法[17-19]，定位過程需要長時間信號測量（長達12 h），并且載波頻率的提取非常困難。新的單星定位技術[20]則通過大量信號的對比發現匹配趨勢來定位。定位原理為：信號傳輸過程中受到大氣層、電離層和天氣變化等因素的影響產生信號衰落，由于不同位置的地球站對應信號的傳輸距離和角度不同，導致信號接收電平抖動的差異，因此可通過同時測量多個信號的電平值，比較干擾信號與這些已知信號電平值抖動的變化趨勢，其相似度反映出干擾源與已知信號源地理位置的距離，從而估計出未知干擾源的位置。圖3顯示了干擾信號與不同載波信號的匹配情況，第一個信號發射位置距離干擾源較遠，第二個信號與干擾源處于同一位置。

單星定位能擺脫鄰星和衛星星歷條件的限制，但是需要引入大量的參考站。并且單星定位的精度依賴于干擾源與參考站的距離，已知參考站的分布范圍足夠廣、數量足夠多，則定位精度越高。在雙星定位和三星定位都無法滿足定位條件的情況下，單星定位可作為相對有效的輔助技術。

2.4 定位技術比較與發展趨勢

3種定位技術的定位條件和定位能力各有優勢和局限，比較情況見表1，對于不同的干擾情況選擇適合的定位技術可提高定位成功率和定位精度。

隨著定位技術的不斷創新，衛星干擾源定位系統的定位能力越來越強，但目前仍有一些問題有待解決，如難以對特殊類型的干擾信號（調頻信號、掃頻信號、單載波信號、擴頻信號、移動目標信號等）進行定位、定位限制條件過于嚴格等。

未來衛星干擾源定位系統將向如下4個方面發展。

·定位速度更快：定位系統通過預置定位參數，實現自動化和智能化控制，并在不同衛星運營商之間共享數據（如衛星信息、干擾信息等）來加快定位速度。

·定位更準確：引入更多的定位相關信息，消除定位的不確定性，如天氣預報信息、高精度地圖、路網信息、高精度星歷數據、地球站信息等。

·獨立性更強：完成定位或達到一定的定位精度所需的定位限制條件將越來越少，如鄰星選擇、定位時段、定位地點、參考站條件等；定位系統的數據采集和信號定位兩部分將分離，定位系統不受限于干擾出現的時間。

圖3 干擾信號與不同載波信號的匹配情況

表1 定位技術比較

· 智能化程度高：定位系統根據歷史監測數據和定位案例進行干擾檢測、定位參數預置、定位模式學習、定位結果修正等。

3 干擾源地面查找技術

目前通過衛星干擾源定位系統得到的定位結果是一個長軸半徑為幾千米到幾十千米的橢圓區域，為了進一步排除干擾源，需要在該定位區域內對干擾源進行地面逼近查找。通常使用車載或手持便攜式信號監測設備在定位區域地面上搜索查找干擾信號，通過接收信號的強度和來波方向逐步逼近干擾源發射天線，最終排除干擾，如圖4所示。

圖4 干擾源地面逼近查找

該方法在空曠區域或者地勢較高的監測點，能夠相對容易地檢測到干擾信號，但是在建筑物密集的市區卻很難成功檢測。由天線輻射方向圖理論可知[21]，干擾源天線指向衛星發射信號，信號旁瓣則通過地面開場傳播，因此地面監測設備能收到的信號非常弱。此外，衛星通信的射頻信號傳播受到周圍建筑物遮擋產生的衰減非常大，干擾信號旁瓣常常位于噪聲之下，難以被地面監測設備捕獲到。因此，要在該區域中找到一個直徑僅為幾米的發射天線難度非常大。

為了解決干擾源查找的“最后一公里”問題，提出了采用無人機輔助干擾源查找的方法，其原理如圖5所示。在使用雙星定位得到的初始定位區域上，將攜帶便攜式監測設備的無人機升空，無人機的高度優勢使得監測信號的覆蓋范圍更廣；同時無人機避開了干擾源附近的障礙物對信號的遮擋，并且更靠近信號主瓣，相對于位于地面的監測設備顯著地提高了接收信號信噪比，更容易檢測到干擾信號，從而得到一條測向線（DF線）。同時，利用雙星定位中TDOA線具有穩定性的特點[13,22]，保留定位系統得到的TDOA線。DF線與TDOA線的交點即干擾源在地面的位置。該方法有效地降低了衛星干擾源地面查找的難度，減少了排查時間。

4 采用CID確定干擾

解決衛星干擾問題的傳統方法依賴于干擾源定位系統和地面干擾源排查技術，這個過程常常需要消耗大量的時間和人力成本。為了快速識別并及時終止不可接受的干擾，SiRG（衛星干擾消除研究組）和SDA（空間數據聯盟）提出了CID（carrier identification）標準[23]。CID是嵌入衛星上行發射載波信號中的標識碼，用來識別該載波信號的身份信息，如地理位置、運營商和用戶的聯系方式等[24,25]。

圖5 無人機輔助地面干擾源查找

CID采用擴頻信號與實際通信信號獨立，信號位于噪底之下（DVB-CID載波典型值位于主信號的27 dB之下），能被衛星運營商解碼和識別。在使用CID之前，需要建立衛星CID數據庫記錄載波信號與對應地球站的信息，每個衛星運營商擁有自己的CID數據庫，同時通過空間數據聯盟或國家衛星管理機構來共享其他衛星運營商的CID數據。基于CID的衛星干擾處理流程如圖6所示，包含以下4個步驟。

步驟1 衛星運營商檢測到干擾載波信號。

步驟2 解碼干擾信號的CID信息。

步驟3 查詢該干擾信號的CID：如果在該衛星運營商的CID數據庫中，直接成功查到；否則通過衛星數據共享組織查詢其他衛星運營商的CID數據庫，直到成功查到。

步驟4 使用查到的載波CID確定干擾信息，聯系操作者排除干擾。

CID標準促進了衛星干擾源的快速識別并顯著減少了干擾排查時間，是一種高效和低成本的干擾處理工具。目前發展的難點在于在不同的衛星運營商、國家衛星監管機構之間建立和共享CID數據庫，并促進設備制造商將其作為強制性標準。近年來CID標準發展迅速，國際電信聯盟 （ITU）已于 2013年 2月份發布了衛星廣播業務的CID-DVB標準[26]；美國聯邦通信委員會（FCC）已要求美國所有的新聞采集 （SNG）傳輸在2016年6月1日前采用CID標準，并將在2017年12月31日前對所有SCPC和MCPC視頻以及數據傳輸采用CID標準[27]；歐洲電信標準協會（ETSI）已將CID定為正式標準，用在數字視頻廣播（DVB）。目前國際主要衛星運營商都具有CID檢測能力，約95%的調制器和越來越多的數字新聞采集編碼器（超過總市場的50%）采用了DVB-CID標準[28]。

圖6 基于CID的衛星干擾處理流程

5 設備認證

衛星信號傳輸需要對衛星地球站的天線指向、發射頻率、發射功率、極化方式、載波帶寬和調制技術等參數進行正確控制，任何一個環節出現故障或操作問題都可能會導致干擾。當前絕大多數衛星終端采用的是低成本的甚小孔徑終端（VSAT），現場安裝技術人員的技術能力參差不齊，這將會以多種方式導致衛星干擾的發生，主要包括：天線指向偏離造成的鄰星干擾、交叉極化干擾和轉發式干擾等，全球約39%的衛星干擾來自于VSAT干擾[29]。

減少干擾的最好方法是預防干擾發生，特別是對于很難識別和定位的干擾，設計良好的設備終端能夠比各種定位技術更快地終止干擾。地球站設備認證是保證地球站設備性能和預防干擾最有效的方式，強制要求設備在進入市場和安裝之前必須進行技術指標核準和認證非常有必要。地球站設備認證要求的測試參數主要包括以下3個方面：范圍測試，天線增益和天線方向圖的有效范圍；指向測試，測量天線在不同環境下的指向偏差，Eutelsat要求在任何環境下指向偏差小于0.4°；穩定性測試，天線抗風能力測試。

除了采取嚴格的地球站設備認證，制定和實施嚴格的培訓計劃，幫助技術人員熟練掌握終端設備各項設置和通信接入流程，也是預防干擾發生的有效手段。

6 數據共享

衛星干擾源定位需要提供精確的衛星星歷數據、可靠的參考源信息、準確的衛星覆蓋范圍圖、衛星轉發器頻譜分配數據以及CID數據。然而，這些衛星數據往往掌握在衛星運營商內部，不利于快速、準確地解決衛星干擾問題。

顯然，不同衛星運營商之間進行數據共享能提高衛星干擾的處理效率。數據共享的目的是聯合國際上的各個衛星運營商和衛星監管機構，創建一個共享的衛星數據中心，用于處理衛星干擾。數據中心主要包含以下內容。

（1）衛星參數和載波信號數據

包括：準確的衛星星歷數據，波束覆蓋范圍（尤其是點波束），衛星轉發器頻譜分配信息，各個載波信號的頻率、帶寬，信號對應的地球站數據 （包括天線注冊信息），CID數據庫等。這些數據可為干擾定位提供最佳的定位條件，為CID干擾識別提供廣泛的數據支持。

（2）聯系人信息

包括地球站設備操作人員信息，如姓名、電子郵件、電話、職務等，以便確定干擾后能及時聯系到操作人員終止干擾。

（3）干擾告警信息

描述干擾事件的具體信息或處理該干擾所需的信息：受影響的衛星，被干擾的業務，干擾影響程度，干擾信號頻率、帶寬、極化方式、調制方式、持續時間、頻譜圖等。數據中心將干擾告警信息發送到所有成員，對干擾信息進行集中分配、尋求幫助并提供及時反饋。

（4）干擾數據庫

建立干擾事件的記錄和歷史統計數據庫，用于案例研究。主要包括描述干擾事件的信息（干擾的業務、干擾信號特性、干擾活動日志），執行干擾處理的方法（干擾定位、CID識別、干擾地面查找），產生干擾的原因（設備故障、操作失誤、惡意干擾等）。在干擾出現時可先搜索與之相關的歷史記錄，找到有價值的信息。同時，從發生的干擾事件中收集信息轉交給國際電信聯盟和受干擾方的政府部門，以支持談判。此外，可將干擾數據匿名處理后提供給干擾處理研究機構，使用這些數據來設計干擾過濾器和其他方法，提高衛星系統的抗干擾能力。

數據共享不僅可以用來直接為干擾處理提供必要和輔助的信息，而且可作為不同成員之間交流和分享干擾事件處理經驗的平臺。目前，空間數據聯盟正在全球范圍內建立和推動衛星數據共享機制。同時，在建立數據共享機制時必須保證數據的安全性，各個衛星監管機構、衛星運營商和商業定位系統公司之間應建立數據使用的法律規則和約束條件。

7 結束語

解決衛星干擾問題沒有一個簡單或容易的方法，不僅是一個技術問題，不是依靠某項干擾源定位技術或衛星公司、衛星監管機構采取的某項措施能夠完成的，需要進行多方面的合作和數據共享，也需要從衛星通信的整體流程來考慮。這包括研究衛星通信和信號處理新技術對衛星系統抗干擾能力的影響（如星上定位技術、波束成形技術）；對用戶終端質量認證和對設備安裝人員及操作人員組織必要的技術培訓，從而預防干擾發生；衛星運營商和衛星監管機構如何監測通信質量，檢測有害干擾和實施干擾源定位和查找的措施；建立和促進數據共享機制，聯合衛星運營商、設備制造商、衛星監管機構、國際組織、學術研究機構在內的多個衛星相關部門展開衛星干擾處理方面的合作和經驗交流；制定標準和法律來規范干擾預防和處理的流程，并通過行政和政治手段提高人們對衛星干擾、衛星資源監管和相關法律條款的認識。

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A survey of mitigating satellite interference technology

HAO Caiyong
Shenzhen Station of State Radio Monitoring Center,Shenzhen 518120,China

To deal with the new situation of satellite interference and solve the problem of satellite interference effectively,new techniques and methods of mitigating satellite interference were studied.The technology and development trend of satellite interference geolocation were summarized.The method of applying unmanned aerial vehicle assisted to find the ground interfering source was proposed,and it was introduced that using carrier identification(CID)standard to determine the satellite interference source.The implementation method of satellite terminal authentication and data sharing strategy to combat interference was given.It shows that multi-party cooperation and data sharing may be the most effective way to solve the problem of satellite interference.

satellite interference,interference geolocation,unmanned aerial vehicle,carrier identification,data sharing,terminal authentication

TN927

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017018

2016-12-01；

2017-01-01

郝才勇（1985-），男，國家無線電監測中心深圳監測站工程師，英國倫敦帝國理工學院訪問學者，主要研究方向為無線電頻譜監測與衛星通信。