基于頻譜感知的移動衛星干擾監測系統設計與驗證

摘要：隨著全球信息化進程的加速，衛星通信在我國國防、航空航天、海洋監測等領域的應用日益廣泛。然而，衛星通信系統在運行中會受到各類干擾的嚴重影響。針對這一問題，文章提出了一種基于頻譜感知的移動衛星干擾監測系統，對其進行了詳細的設計與驗證。該系統利用先進的頻譜感知技術，實現了對衛星通信頻段的實時監測，有效提高了干擾監測的準確性和實時性。實驗結果表明，該系統具有良好的監測性能和實用性，為我國衛星通信系統的安全運行提供了有力保障。

關鍵詞：頻譜感知；移動衛星；干擾監測

中圖分類號：TN927" 文獻標志碼：A

0 引言

隨著全球信息化進程的加速，衛星通信系統已經成為現代通信網絡的重要組成部分。在海洋通信、邊遠地區通信以及應急通信等應用場景中，移動衛星通信系統都發揮著不可替代的作用。然而，衛星通信系統由于開放性和廣播性，極易受到惡意干擾，這不僅影響了通信質量，還可能造成嚴重的通信事故。因此，文章研究了一種能夠實時監測和識別移動衛星通信干擾的系統，對于保障衛星通信系統的穩定運行具有重要的實際意義。

1 相關工作與技術分析

1.1 頻譜感知技術原理

頻譜感知技術是指在無線電頻譜范圍內，對電磁波信號進行檢測、分析、識別和定位的一種技術。其目的是有效利用頻譜資源，提高頻譜利用率，減少頻譜浪費。頻譜感知技術主要包括頻譜檢測、頻譜分析、頻譜識別和頻譜定位。頻譜檢測是指對無線電頻譜進行實時監測并發現異常信號；頻譜分析是指對檢測到的信號進行詳細分析，提取信號特征；頻譜識別是對分析結果進行判斷，識別出信號類型；頻譜定位則根據信號特征確定信號的來源位置。

1.2 干擾監測技術現狀

干擾監測技術是保障移動衛星通信系統正常運行的關鍵技術之一。當前，干擾監測技術主要分為2種：一種是基于地面的干擾監測技術；另一種是基于衛星的干擾監測技術。基于地面的干擾監測技術主要通過地面監測站對衛星通信信號進行實時監測，發現并分析干擾信號。基于衛星的干擾監測技術則是利用衛星上的設備，對無線電頻譜進行監測、發現并定位干擾源。

1.3 相關算法分析

在移動衛星通信系統中，為了實現對干擾信號的有效檢測和識別，研究人員提出了許多相關算法。其中，常用的算法包括能量檢測算法、協同檢測算法、頻域分析算法和時域分析算法等。能量檢測算法是一種基于信號能量的檢測方法，原理簡單、計算復雜度低，但抗干擾性能較差。協同檢測算法是利用多個監測站之間的協同作用，提高干擾檢測性能。頻域分析算法和時域分析算法則是通過對信號的頻域和時域特征進行分析，實現對干擾信號的檢測和識別。

2 系統總體設計

2.1 系統架構設計

基于頻譜感知的移動衛星干擾監測系統的架構設計采用了分布式網絡結構，該系統主要由國內監測站、移動衛星終端、地面數據處理中心和信關站4個部分組成。國內監測站負責收集和處理干擾信號，移動衛星終端負責在空間范圍內進行信號監測和數據傳輸，地面數據處理中心負責對收集的數據進行分析和處理，信關站則用于存儲各類頻譜信息［1］ 。

2.2 功能模塊劃分

基于頻譜感知的移動衛星干擾監測系統的功能模塊分為天基網絡、空基網絡和地基網絡3個部分。三者各司其職，相互協作，共同守護著通信的藍天。

天基網絡時刻關注著全球衛星的動向，確保其在正確的軌道上運行。天基網絡通過協調異構衛星組網，可以讓不同類型的衛星相互配合，從而發揮其最大效能。天基網絡還具備強大的衛星接入和導航能力，可以為地面用戶提供精準的定位服務。

空基網絡通過無人機形成了一個靈活多變的邊緣控制器。這些無人機在空基網絡的指揮下，不斷調整飛行軌跡，擴大覆蓋范圍，為地面用戶提供優質的網絡服務。在應急情況下，空基網絡能迅速組織無人機構成臨時網絡，為救援工作提供通信保障。

地基網絡是整個系統的基石，分布在廣袤的地面，負責接入、組網和轉發數據。在地基網絡的支撐下，用戶可以享受到高速、穩定的通信服務。

3 關鍵模塊設計與實現

3.1 頻譜感知算法實現

頻譜感知算法是移動衛星干擾監測系統的核心部分，主要任務是對衛星信號進行實時監測，判斷是否存在干擾。本文中的移動衛星干擾監測系統采用基于能量檢測的頻譜感知算法，該算法具有操作簡單、易于實現等優點。該算法具體實現過程如下：首先，算法對輸入的衛星信號進行濾波處理，以去除噪聲和干擾；然后，算法通過計算信號的功率譜，提取衛星信號的特征參數；最后，算法會根據特征參數判斷是否存在干擾。

3.2 干擾監測與識別算法實現

干擾監測與識別算法的主要任務是對監測到的干擾進行分類和識別。該系統采用基于支持向量機的干擾監測與識別算法，該算法具有較好的分類性能和泛化能力。該算法的具體實現過程如下：首先，算法模型對監測到的干擾信號進行預處理，包括去噪和特征提取；然后，算法模型通過支持向量機算法對干擾信號進行分類并識別出干擾信號的類型；最后，算法模型根據干擾信號的類型和強度，采取相應的措施進行干擾信號抑制［2］ 。

3.3 移動性管理模塊設計

移動性管理模塊主要負責處理移動衛星用戶的動態信息，包括用戶的地理位置、速度等。該模塊采用基于全球定位系統（Global Positioning System，GPS）和移動網絡的雙重定位技術，以提高定位的準確性和可靠性。具體設計方案如下：首先，移動性管理模塊利用GPS定位技術獲取用戶的當前位置信息；然后，模塊結合移動網絡信號強度信息，通過多傳感器數據融合算法，計算出用戶的速度和方向；最后，移動性管理模塊將定位結果實時傳輸給其他模塊，以供其他模塊使用。

3.4 系統性能評估

為了驗證移動衛星干擾監測系統的性能，本研究設計了一系列的性能評估指標，包括干擾檢測率、干擾識別準確率、系統響應時間等。設計人員通過仿真實驗和實際測試，對系統性能進行全面評估。實驗結果表明，本文所設計的系統在干擾檢測和識別方面具有較高的準確率和響應速度，能夠有效地保障移動衛星通信系統的穩定運行。同時，實驗結果也表明，該系統還存在一些不足之處，如算法復雜度較高、系統資源消耗較大等。在未來的研究中，研究人員須要對其進行優化和改進。

4 系統仿真與實驗驗證

4.1 實驗環境與數據集

為了驗證基于頻譜感知的移動衛星干擾監測系統的有效性，本實驗在一個模擬的真實環境中建立了實驗平臺。實驗環境包括一個移動衛星通信系統和一個頻譜感知系統。移動衛星通信系統由多個移動衛星終端和一個衛星基站組成，而頻譜感知系統則由多個頻譜感知器和一個中心處理單元組成。

本實驗使用了大量的衛星通信實際數據，這些數據包括不同類型的干擾信號、噪聲信號以及正常的通信信號。為了保證實驗的客觀性和可靠性，實驗人員還對數據進行了預處理，包括去噪、歸一化等操作。

4.2 仿真參數設置

在進行仿真實驗之前，實驗人員還須要設置一些仿真參數，包括干擾信號的類型、強度、分布等。本實驗通過設置仿真時間，實驗人員能夠觀察系統在不同時間內的性能表現。

4.3 實驗結果分析

通過仿真實驗，本文得到一系列的實驗結果。實驗結果表明，系統能夠有效監測和識別出移動衛星通信系統中的干擾信號，能夠根據干擾信號的特性進行相應處理，以保證通信系統的正常運行。此外，實驗人員還對實驗結果數據進行了詳細分析、統計和比較，結果表明系統在干擾監測和識別方面具有較高的準確性和可靠性。

4.4 性能對比與分析

為了進一步驗證系統的性能，文章將所提系統與其他現有干擾監測系統的性能進行對比實驗。實驗結果顯示，該系統在干擾監測和識別的準確性和可靠性方面明顯優于其他系統。此外，本研究還對該系統的實時性和穩定性進行了評估。實驗結果表明，該系統能夠實時地響應干擾信號，在長時間的運行過程中能夠保持穩定的性能。

5 未來發展方向與展望

5.1 技術層面的發展方向

隨著人工智能和機器學習技術的不斷進步，將更多的智能算法應用于頻譜感知和干擾監測中，可以提高系統的自動化程度和準確性。例如：工程師可以使用深度學習算法來識別和分類干擾信號，從而實現更精確的干擾監測。

本文將移動衛星干擾監測系統與物聯網相結合，可以實現遠程監控和實時數據傳輸。通過物聯網技術，研究人員可以將監測數據實時傳輸到云端或其他相關設備，方便用戶隨時隨地了解干擾情況，采取相應的措施。

研究人員還可以進一步研究和開發新的頻譜感知技術和干擾監測技術，以應對未來衛星通信系統中可能出現的新的干擾源和干擾手段。例如：研究人員可以研究基于多重信號處理和大數據分析的干擾監測技術，以提高系統的抗干擾能力和魯棒性。

5.2 應用層面的發展前景

基于頻譜感知的移動衛星干擾監測系統在應用層面具有廣闊的發展前景。首先，該系統可以應用于衛星通信網絡的運行和維護中，幫助運營商及時發現和解決干擾問題，提高通信網絡的穩定性和可靠性。其次，該系統還可以應用于軍事領域，用于監測和防御敵方的衛星通信干擾。在軍事衛星通信中，干擾監測系統的準確性和實時性至關重要，因此基于頻譜感知的移動衛星干擾監測系統可以為軍事通信提供有效的保護措施［3］ 。此外，該系統還可以應用于航空航天領域，用于監測和預警太空垃圾和太空碎片對衛星的威脅。該系統通過實時監測太空中的干擾源，及時采取相應的避障措施，以確保衛星的安全運行。

5.3 潛在挑戰與應對策略

盡管基于頻譜感知的移動衛星干擾監測系統具有廣泛的應用前景，但該系統也面臨著一些潛在的挑戰。首先，干擾信號的復雜性和多樣性使得干擾監測和識別變得困難，這就須要開發更先進的數據處理和分析算法以應對以上問題。其次，衛星通信系統的動態性和變化性也給干擾監測帶來了挑戰。衛星的運動和環境的變化可能會導致干擾信號的特性發生變化，這就須要實時自適應的干擾監測技術來適應這些變化。

6 結語

本文提出了一種基于頻譜感知的移動衛星干擾監測系統。該系統具有實時性、準確性、機動性和實用性等特點，為我國衛星通信系統的安全運行提供了有力保障。未來，研發人員還須繼續優化該系統的性能，提高干擾檢測的準確性和實時性，為衛星通信干擾監測領域的發展做出更大貢獻。

參考文獻

［1］方浩軍，齊麗娜.基于協作頻譜預測和頻譜分割的認知無線電網絡吞吐量優化［J］.南京郵電大學學報（自然科學版），2020（2）：89-94.

［2］李興海，肖連.認知無線電網絡中的參數優化問題［J］.沈陽工業大學學報，2018（5）：558-563.

［3］姚涉.衛星移動通信系統關鍵技術探究［J］.數字技術與應用，2023（3）：126-128.

（編輯 王永超）

Design and verification of mobile satellite interference monitoring system

based on spectrum sensing

ZHANG" Yi1， WANG" Baobao2， JIANG" Chenjiao3

（1.The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China; 2.Military Representative Office of Military Representative Bureau of Equipment Department of Aerospace Systems Ministry in Shijiazhuang，

Shijiazhuang 050081， China; 3.Unicom Xiongan Industrial Internet Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050000， China）

Abstract： With the acceleration of the global information process， satellite communication is increasingly widely used in national defense， aerospace， ocean monitoring and other fields. However， the satellite communication system will be seriously affected by various kinds of interference in its operation. To solve this problem， this paper proposes a mobile satellite interference monitoring system based on spectrum sensing， and it is designed and verified in detail. The system uses advanced spectrum sensing technology to realize real-time monitoring of satellite communication frequency band， and effectively improves the accuracy and real-time monitoring of interference. The experimental results show that the system has good monitoring performance and practicability， which provides a strong guarantee for the safe operation of China’s satellite communication system.

Key words： spectrum sensing; mobile satellite; interference monitoring

作者簡介：張毅（1990— ），男，工程師，碩士；研究方向：通信對抗。