基于軟件無線電的星鏈信號探測?

方 興 李盧笑微

（1.海軍裝備部駐武漢地區第四軍事代表室 武漢 430205）（2.武漢數字工程研究所 武漢 430205）

1 引言

星鏈（Starlink）是SpaceX 正在進行的一個大型通信衛星項目，旨在為全球提供低延遲的高速互聯網服務，尤其是偏遠地區比如說海上以及地形復雜無法建設大型地面通信設備的地域。星鏈屬于非對地靜止軌道衛星服務星座，目前衛星利用Ku、Ka波段頻譜傳輸信號。第一代星鏈計劃有4408 顆衛星部署在低地球軌道540km～570km 的軌道高度上，相比于部署在1000km 的OneWeb 和1248km 的Telesat等其他低軌道衛星星座，星鏈離地球更近且有著極大的數量規模。由于軌道較低，其對地相對速度極快，一顆星鏈衛星繞地球一圈大約只需要96min，通過任意地點海平面上空的可視時間不超過5min。截止2022 年11 月已經有三千多顆星鏈衛星被部署到太空。作為如此高密度的低軌道星群，其射頻信號覆蓋以及安全性引起了各界的關注于討論。本文將以星鏈衛星11.325GHz 頻率的下行信號為研究對象進行分析與探測。

在沒有星鏈用戶端作為信號接收媒介的前提下，本文使用了一套簡易的天接收裝置以及軟件無線電（Software Defined Radio）來接收與處理信號。軟件無線電是將傳統通信設備硬件中的濾波、調制解調、編碼、加密解密以及通信協議的功能集成在軟件平臺中。憑借其高靈活性、開放性和硬件低依賴性，一直在軍事和通信領域受著廣泛的重視。開源軟件無線電平臺比如GNU Radio，也為本文實驗提供了一個開放的不依賴于硬件的信號處理平臺。

目前國內外對于星鏈信號的研究并不多，主要是利用星鏈機會信號進行定位的研究。文獻［1］提出了一種使用盲多普勒跟蹤進行星鏈機會信號定位的方法，以及介紹了基于周期性信號的廣義似然比信號探測法；由于本文的目的是為了利用軟件無線電實現星鏈的自動探測并保存完整的信號段以供后期的信號處理，只檢測周期性信號是不太足夠。文獻［5］介紹了一套星鏈信號接收系統，但是其中包含了機會信號射頻綜合系統和采集設備，不符合實驗要求的硬件低依賴性。文獻［3］展示了使用GNU Radio 進行其他衛星信號能量檢測的流程；并且指出對于未知信號，能量檢測是可行性最高也是最有效的方法。

本文首先對星鏈信號進行接收與分析，介紹了一套信號接收轉置，并且在GNU Radio 軟件無線電平臺實現了頻域和時域內的兩種能量探測方法，并對探測捕獲到的時域信號進行分析。

2 信號接收

2.1 星鏈信號覆蓋

通常在信號接收前，第一步是定位信號。通過TLE 軌道文件可以獲取所有在運行星鏈衛星的軌道。也就是說利用TLE 可以預估在某一特定經緯度的觀測者上空的任意時間段的衛星軌跡。如圖1 分別顯示了星鏈衛星在武漢（圖（a））和德國（圖（b））5min 內的軌跡。圖中為極坐標圖可以看到一個比較清晰的網格狀部署。可見目前靠近北級的高緯度上空，衛星覆蓋明顯少于低緯度地區。由此可見在一般地域星鏈衛星覆蓋率都很高。通過特定的接收角度都有可能獲取到信號。

圖1 星鏈衛星軌跡（以中國和歐洲高緯度地區為例）

2.2 接收裝置

為了利用軟件無線電來接收處理星鏈信號，使模數轉化器盡可能的接近天線，實驗則使用了一套簡易的接收裝置如圖2。實驗中使用RTL-SDR 接收器將模擬信號轉化為數字信號并采樣原始的IQ（In-phase 和Quadrature）信號樣本。接收信號使用的是單獨的低訊降頻放大器LNB（Low noise block downconverter），它將微弱的衛星信號放大然后通過本地振蕩器將高頻信號降為中頻，使得輸出的信號頻率范圍在SDR 的可輸入頻率范圍內。目標信號為11.325GHz，LNB 的本地振蕩頻率為10.4GHz，因此需將SDR 調頻到925MHz 接收目標信號。使用BiasTee 連接SDR 和LNB，它為連向LNB 的射頻電路段提供直流電流以供高頻頭工作，在傳輸射頻信號的同時屏蔽電流流向SDR。

圖2 信號接收裝置

實驗使用的普通LNB適用于線性極化，而星鏈信號采用的是左、右旋圓極化（LHCP 和RHCP），理論上這種不匹配可能會造成3dB 的損失，但是由于星鏈信號屬于較窄且功率密集，所以在本文實驗中這種損失將被忽略。

2.3 信號分析

起初在尋找信號的過程中，Gqrx用來監控和渲染接收到的信號。值得注意的是實驗中傅里葉變換的大小需大于8192，否則頻率分辨率將不夠精確以至于無法顯示帶寬極其窄的星鏈信號。觀測到的信號瀑布圖見圖3，可見有9 個并行的不同頻率的子數據流，相鄰的頻率間隔44kHz。這種多載波模式支持了猜想：星鏈信號采用了正交頻分復用OFDM 類似的多載波調制方法。每一個子載波使用基本的調制技術如BPSK 和QAM 等。調制技術可參考SpaceX 為了驗證星鏈通信的設計參數進行的實驗衛星測試報告，提及到不同鏈接使用的對應調制方法：衛星指令上行鏈接使用BPSK；有關遙測和視頻格式的下行鏈路使用OQPSK；其它的下行鏈路則使用最高達64QAM的調制。

圖3 星鏈信號（11.325GHz）

圖3 中信號軌跡呈現出傾斜形態，是由于衛星相對地面運動速度較快，信號遭受較大的多普勒效應影響，導致信號不同子載波的頻率均以相同的速率減少。

3 信號探測

接收裝置采樣的信號為一個時間序列，在這里稱之為時域信號。通常在調頻監視器里的信號是頻率序列，為頻域信號。

3.1 頻域信號探測

探測頻域內的信號方法非常直觀，是模擬人眼觀測頻域信號的幅度來（如圖3）設定閾值從而判斷是否有信號。圖4表示了在GNU Radio中探測頻域信號的流程。首先對SDR 采樣的信號進行帶通濾Band Pass Filter，可以除去直流尖峰（DC Spike）以及不需要的頻段。然后需要通過快速傅里葉變化（FFT）將時域信號轉化為頻域信號。Streams to Vector 是將樣本流轉化為指定長度的向量流，這些向量則作為FFT 的輸入值，向量長度應與FFT 大小保持一制。Vector to Streams 將FFT 輸出的向量再轉化為信號流以供后續處理。

圖4 頻域信號探測法

經過上述傅里葉系列變化得到了頻域信號流，然后在此基礎上繼續進行能量探測。在閾值檢測Threshold Detector 中目標信號定義為：頻域信號的幅度（magnitude）大于一個預先設定的閾值。一個復雜樣本z 可由a+bj表示，其中j是虛數單位，振幅可以表示為。然后將每個樣本的振幅與閾值作比較，超過閾值就視為目標信號出現。然后在信號流中標記出目標信號的絕對位置并保存。

由于頻域中波動較為連續，這種方法能夠比較穩定地探測目標信號，可專用于不需要后續信號處理的純探測。由于得到的信號流是在頻域，如果要重放或者進一步處理信號，則需要將頻域信號流經過反傅里葉變化再變回為時域信號，但是這種方法比較復雜要進行時間同步重構等額外的流程，如過需要原始信號可考慮另外一種更直接的探測方法。

3.2 基于滑動窗口的時域信號能量探測

相比于頻域探測的流程，時域探測省去了傅里葉變換系列操作，直接對采樣的時域信號進行處理。同時閾值檢測也不能針對單個樣本，因為時域信號相當于一段載波，幅度起伏較大，不夠連續。因此只能將一段時間內信號的能量總和作為判斷對象，這一段時間可由滑動窗口機制實現。假設一個時間序列包含N 個采樣樣本{s(n),n=0,1,...,，N-1}這個樣本序列可以構成一個測試向量以供m=[s(0),s(1),...,s(N-1)]T。基于這個向量指標以及信號構成，可以定義兩種假設情況：

H0假設表示信號僅包含噪音，H1表示信號包含載有信息的信號d和噪音n。能量監測是由窗口內能量總和與閾值相比做出判斷：

η是一個預先設定的能量閾值，能量是復雜信號樣本中載波信號的振幅；N 表示足夠大的滑動窗口大小，窗口以設定的速度向后滑動，在這個窗口內將樣本的振幅疊加，然后與預先獲得的閾值作比較。當載有信息的信號出現在窗口內，其信號的能量（即振幅）會比單一噪音高，所以窗口內的能量總和會大于噪音水平。因此可以初步判斷窗口內的信號是屬于假設H0還是H1。值得注意的是此種方法中能量閾值設定對環境變化非常敏感，所以需要提前根據實時環境情況下的噪音水平以及實驗設定參數來更新閾值。并且滑動窗口的大小需要足夠大，使得探測過程能容忍突發噪音，從而減少誤判機率。

當監測到能量水平大于閾值時，就將這段信號初始做上tag true 標記，當能量重新降到閾值之下時，在此段信號結尾標記tag false。然后存儲兩個標記之間的信號段。自動保存下來的信號就可以進行重放與分析。

3.3 結果分析

以上兩種方法都可成功的探測到信號，并保存目標信號段。由于星鏈11.325GHz 頻率是多載波調制信號，每一個子載波都有對應的調制方式，所以實驗中的帶通濾波器將目標定焦與單個子載波。重放獲取到的信號可見圖5，可見頂端有一個極窄的捕獲信號。

圖5 重放捕獲信號

然而當捕獲信號在IQ 坐標系下（如圖6）呈現出來的信號分布與噪音無異，無法分辨出其調制方式。出現這種情況很大程度上是因為多普勒效應影響導致信號失真。文獻［6］討論了頻移對OFDM多載波調制影響，當頻率偏移量達到子載波間隔的10%時，星座圖中就無法清晰的分辨調制模式；當偏移量達到50%時信號就看上去像噪音，正如圖6中的信號分布。在本次實驗設定下，一個子載波頻移到相鄰子載波的時間大約只需14s，也就意味著頻率偏移量已經超過了100%。 由此可見導致信號失真，多普勒頻移一定是很大的因素。

圖6 捕獲信號的星座圖

4 結語

本文主要研究了星鏈信號11.325GHz 頻率的接收與探測，觀測到該頻率星鏈信號利用了多載波調制方式。實現了利用TLE 軌道數據預測和估計星鏈軌跡，介紹了一套簡易的接收星鏈信號的硬件裝置，提出了分別在頻域和時域的兩種基于軟件無線電的星鏈信號探測方法。在頻域探測時信號的波動較為連續，可以進行單點閾值判斷，但是對于弱信號的檢測受噪音影響較大。基于滑動窗口的時域探測屬于多點閾值判斷，相對于頻域探測受噪音的影響較小，并且能在不改變原始信號的情況下進行探測和保存，適用于需要后續信號處理的情況。

本文遇到的問題是當對時域探測所得信號進一步分析時，發現多普勒頻移導致了信號失真。所以想要進一步探究星鏈信號的調制以及解碼的方法，需要對失真信號進行頻率同步來改善信號的質量。