利用極軌衛星接收天線定位電磁干擾源

張 寶

（國家衛星氣象中心北京氣象衛星地面站，北京 100094）

0 引言

通信技術的飛速發展和廣泛應用，在給人們的工作生活帶來巨大便利的同時，也使得地面電磁環境越來越復雜。對于衛星數據接收站來說，電磁環境的好壞直接影響衛星資料接收的成功與否。

北京地面站[1]（簡稱地面站）近年來一直受到周邊電磁環境的影響。地面站接收的數據資料以L、X 波段的數據為主[2]，由于周邊電磁環境的影響，常常造成衛星云圖誤碼率高等問題。

解決電磁干擾問題首先需要定位干擾源。通常的做法是向當地無線電管理委員會提交申訴[3]，并由其對周邊的電磁干擾源進行分析、排查[4]。地面站只能憑借對周邊環境的了解以及多年的工作經驗，猜測干擾源的位置。由于缺少周邊電磁環境的準確資料，結果的準確性可想而知。

該文主要討論利用地面站風云三號數據接收系統中現有的天線、信道以及測量設備對干擾信號進行捕獲、分析，采用多站測向原理對干擾源進行定位。

1 風云三號數據接收系統概述

風云三號地面數據接收系統十分復雜，其主要分系統組成如圖1 所示。

圖1 風云三號數據接收系統主要分系統組成

其核心部分站運行管理分系統中記錄并存儲了大量數據接收期間天線的測角數據、信道系統性能指標和數據接收質量報告等文件，并采用安捷倫N9020A 頻譜分析儀實時記錄帶寬內信號的頻譜信息。

天線伺服及饋源分系統使用標準型卡氏雙反射面天線，天線口徑12 m，采用方位、俯仰和傾斜轉臺三軸式天線座。運動范圍方位±350°，俯仰0°～180°，傾斜轉臺±170°，從而實現全方位俯仰5°以上信號全覆蓋接收。由饋源、饋線、低噪聲放大器（LNA）、跟蹤下變頻器和跟蹤接收機等主要設備組成射頻信號接收系統，接收衛星下發的X 波段和L 波段信號，對其進行低噪聲放大后，傳輸給跟蹤設備和信道系統。L 波段接收頻率范圍1 698 MHz～1 710 MHz，X 波段接收頻率范圍7 500 MHz～8 500 MHz。跟蹤精度0.1 倍的半功率波束寬度，多普勒品議±250 KHz 內，捕獲時間小于1 s。

2 電磁干擾分類

空間電磁環境是由在空間中電磁波、電磁場之間的電磁感應、干擾等現象共同構成的。按照不同的來源可以大致分為自然環境因素和人為環境因素[5]。地面站在選址時已經對自然環境進行了充分的考慮，但是隨著周邊的建設發展，人為環境因素成為影響電磁環境的主導因素[6]。

人為環境因素主要包括4 個方面。1）來自雷達系統的干擾信號。2）來自調頻廣播、電視、導航、無線電臺站等電磁發射系統的中波和短波信號。3）來自移動通信的諧波發射干擾信號。4）來自工業、科學、醫療、商業領域的電磁輻射信號等。

3 測向定位技術原理

測向定位技術主要檢測干擾源到達測試點的方位角度，通過多個測試點檢測的數據，利用干擾源和測試點之間的幾何關系，通過數學運算確定干擾源的位置。主要采用多站測向定位的方式來獲取干擾源的位置。

在平面直角坐標系中，假設干擾源所在位置坐標為T（x，y），測試點的坐標C1（x1，y1）和C2（x2，y2）。測試點與干擾源所在位置夾角分別為θ1和θ2。沿這2 個方位角分別做射線，其交點即為干擾源所在位置。其示意圖如圖2 所示。

根據測試站與干擾源位置之間的幾何關系，利用解析幾何的計算方法，可以得出干擾源位置坐標D（x，y）：

在實際的交匯定位計算中，由于測向誤差，兩站交匯定位的方式往往受到很大影響，因此，在實際中經常采用三站甚至三站以上的測試站進行交匯定位。多站交匯定位示意圖如圖3 所示。

圖2 干擾源位置示意圖

圖3 三站交匯定位示意圖

根據示向線與干擾源的位置關系，計算可以的到干擾源位置坐標。

4 測試條件及方法

主要測試設備包括天線、電纜、低噪聲放大器、頻譜儀等，所有設備性能指標滿足測試需求。測向天線所在位置地勢平坦，周邊無遮擋。使用差分GPS 進行尋北，標記為天線0°方位。所有設備開機預熱，設置頻譜分析儀參數。將天線方位、俯仰角度置于0°位置，根據運行管理系統提供的數據，大致劃分出干擾信號所在區間，在此區間范圍內順時針緩慢勻速改變方位角度，搜索干擾信號。當出現干擾信號時，停止轉動，結合業務運行中記錄的干擾頻譜特性判斷信號的真實性。對于微小信號可以采用在低噪聲放大器前端加10 dB 衰減器。當頻譜儀記錄的干擾達到最大值時，記錄天線方位角度。根據測試數據，在地圖中畫出測試點到干擾源之間的線段。另選2 處測試點進行測量，根據多站交匯定位原理，假設不存在測向誤差，那么3 條線段將會交匯于1 點，該位置即為干擾源所在位置。

5 誤差分析

在測向過程中，示向線與實際干擾位置方位角度之差稱為測向誤差。在不同的測試設備、不同的測試時間和測試地點條件下，得到的測向結果也有可能不同，其準確度涉及電離層變化等外部因素及測向設備本身的因素。

在誤差數據的干擾下，實際測量結果所指示的干擾源方向并不是一條射線，而是以測向站為頂點輻射的扇形區域。因此，在三站交匯測向的情況下，3 個測向扇形區域相交形成一個交匯區域，即為干擾源所在的目標區間。

在測試設備性能一致、測試時間及測試站周邊電磁環境大致相同的情況下，通過多次測量取得平均值的方式，可以近似的認為三站測向的誤差一致，則將干擾源目標區間的內心（該點到各邊的距離相等）作為目標干擾源坐標位置的估計值是合理的。

6 結論

在電磁環境越來越惡劣的情況下，快速排除干擾，定位干擾源，能夠為后續改善電磁環境打下良好的基礎。北京站極軌衛星系統天線指向精度高，架設高度滿足測向要求，系統測試靈敏度高，覆蓋范圍大，配合調度系統在實際運行中積攢的大量數據，能夠快速有效捕獲干擾信號，確定干擾源所在方位值，利用多站交匯測向原理，在地圖中準確標定干擾源的可能位置。該方法在實際干擾源查找工作中效果顯著，在減少人員的工作量和人為誤差的同時，增加了測試的準確性和可靠性。