基于大数据量的卫星频谱监测应用系统设计探讨.pdf

69CHINARADIO2023.6Monitoring&Testing监测检测基于大数据量的卫星频谱监测应用系统设计探讨文丨国家无线电监测中心吉日格乐庞京摘要：随着卫星业务的蓬勃发展，卫星频谱监测逐步朝着自动化、数字化方向发展。本文探讨了卫星频谱监测系统数据量增大、数据应用多样化趋势下的系统设计思路，以典型监测系统搭建思路阐述了系统服务端和终端设计思想，以便监测资源得到高效使用。关键词：卫星频谱监测自动化资源管理0引信随着近几十年无线电业务的快速发展，无线电频谱监测在维护空中电波秩序中作用明显。得益于电子设备的飞速进步，无线电频谱监测设备性能大幅提升，各类监测测向定位应用逐步成熟。在网络宽带化、应用软件开发效率提升的帮助下，无线电频谱监测逐步从单兵操作单机方式朝着系统级的自动化、智能化、数据化方向发展。在无线电管理一体化平台助力下，各区域的数据共享、设备互操作成为可能。类似于网格化监测方式产生大量数据需要更优化的处理方法提取有效信息。无人值守监测站是系统自动化、智能化的重要组成部分，是连续监测数据的重要来源。卫星无线电应用的蓬勃发展，卫星频谱监测提出了更多的需求和思路，如何通过系统设计的不断优化，高效发挥监测资源能力，广泛获取数据进而提供多维的支撑是未来卫星频谱监测面临的挑战。基于大数据量的卫星频谱监测在系统设计上必须考虑系统的实现目标、数据容量、承载能力的协调统一，实现有效数据提取目标的最佳性能。1数据量不断增大的卫星监测应用系统设计的考虑一些卫星频谱监测应用场景的特点包括一些卫星频谱监测应用场景的特点包括（1）2 4小时无人值守监测站实现监测目标的日常数据采集，具备特定监测模板下的异常发现和触发动作；（2）在网络化下实现监测多点位、多终端的系统结构；（3）多个监测对象的特点需要预设各类模板任务，以任务排列自动执行的方式实现多目标监测数据采集；上述应用场景决定了卫星监测系统在设计上应考虑的方面包括（1）多终端的组网设计；（2）监测数据量大带来的存储压力和网络带宽压力的解决；（3）监测应用的同质化要求将设备设施的通信控制进行服务化设计；（4）数据中心、计算中心、管理中心的部署。综上，基于大数据量的卫星频谱监测应用的系统必然是多监测终端加数据中心的物理结构；系统逻辑结构可以采用一体化平台架构下的监测终端调用服务化+数据中心管理+各类监测应用设计，如下图1所示。数据中心、管理中心担负全系统资源管理、用户管理、任务管理、数据支持。线线天线终端终端终端一体化平台总线数据中心系统管理应用应用应用图1基于SOA架构的一体化平台总线的应用系统规模化的监测系统允许多用户、多应用使用多监测终端，使网内监测资源获得较高利用率，数据的来源更加丰富，数据分析角度更多元。多用户、多应用的监测系统在系统管理上需要对监测资源的调用方面不断优化。通常监测终端在一次调用中是被完全占用的，其他用户无法同时使用该资源，任务管理和部署适当设计优先策略，将及时CHINARADIO2023.670Monitoring&Testing监测检测性要求高、重要性高的任务优先占用系统资源；常规类任务以时间串联方式进行自动部署；提高系统自动化执行能力，减少人工介人，充分利用昼夜期进行任务排布；管理上设计资源占用、释放通告机制，设计资源调用的智能化，以实现同类型任务的并行自动化；全面的日志系统记录所有操作过程和错误日志，定期分析错误和故障记录，辅助判断高发故障终端，方便提前排查故障。对于数据量较大的卫星频谱监测系统在设计上要考虑数据带来的系统存储压力、网络带宽压力。例如，实时频谱数据处理要求较好的网络条件，在监测终端的数据传输上可以采用自适应传输速率匹配的频谱输出方式，可以降低频谱点数、帧数以降低单位时间传输数量；系统应用设计请求应答机制和策略，优先网内高级别用户实时频谱数据请求，优化非实时、非紧急类请求的应答方式；针对实时频谱数据特点，设计适合网络传输的数据压缩算法进一步压缩数量以提升承载能力。部分应用系统例如多地终端联合TDOA交会定位系统要求终端将raWIQ数据传输至数据中心或指向的计算单元，对于此类不宜压缩的原始数据类型在传输上设计本地缓存、限速慢传、昼夜分配等策略解决网络占用压力。2典型卫星频谱监测应用系统设计思考2.1静止轨道卫星干扰监测定位系统卫星上行站对准目标卫星（主星）发射信号时，与主星轨位相隔一定间距的卫星（邻星）也能接收到干扰天线发射的旁瓣信号。定位系统能够计算得到信号经由主、邻星转发并由地面接收站后的时间差（TDOA）和频率差（FDOA），两测量值分别在地球表面定出一条南北向曲线和一条东西向曲线，两线的交点即为目标上行站位置门卫星相对运动产生FDOA信号路径不同产生TDOA发射站定位系统定位点图2 双星定位基本原理框图静止轨道卫星干扰源上行站定位是寻找目标源的第一步，利用成熟的双星（TDOA/FDOA）定位方法或三星（T D O A）定位方法，使用精确的已知站上行信号作为参考站对未知目标站址进行测量估算，将卫星波束覆盖的广大范围迅速缩小到城市级别，即当定位条件良好情况下可以将未知目标站址锁定在约10 公里范围内的置信区间2，为下一步地面搜测准确位置打下基础。静止轨道卫星干扰源上行站定位方法已较为成熟，影响定位精度的多种因素也可控制在一定范围内。随着相关业务的发展，干扰事件的发生数量也在不断增加，提升干扰定位的效率十分重要，系统自动化、智能化方向是较好的解决思路。在各类型干扰的定位中，常发信号相对较为容易定位，且可以通过多次反复的定位提高定位结果可靠性。但非常发信号因其发射时间、发射频率不固定，对其人工控守定位效率较低；一些短时突发信号因很难积累采集时长，定位成功率较低。在这种情况下，设计一种控守监测一发现异常一触发采集一自动定位的工作方式可以第一时间采集到目标信号数据，且充分利用全天2 4小时时长，摆脱操作人员依赖，提升整体工作效率。一般情况可将频谱监测异常分为空白频段盗用类、信号叠加干扰类、其他扫频杂波类，典型信号频谱如下：Ref-35dBmAtten10dBNORLog5dB/CurrentMarker:1RefLevel:12344.000000MHz46.8690dBm-35dBm654321Center12.344GHzSpan5.0MHzResBW47.0kHzVBW1.0kHzSweep83.0ms601Pts图3.1空白频段盗用Ref40dBmAttenOdBNORLog5dB/CurrentMarker:14012.621333MHz48.6720dBm654321Center4.000088GHzSpan40.0MHzResBW200.0kHzVBW1.0kHzSweep.156.0ms601Pts图3.2 信号叠加干扰Ref47dBmAttenodBNORLog5dB/currentMarker:1CenterFreq:3708.200000MHz-59.4020dBm3.706GHz6.54321Center3.706GHzSpan20.0MHzResBW180.0kHzVBW1.0kHzSweep86.64ms601Pts图3.3扫频信号71CHINARADIO2023.6Monitoring&Testing监测检测Ref-55dBmAttenodBNORLog325dB/currentMarkerinCenterFreq:12545220000MHz-86.6240dBm12.54922GHz654321Center12.54922GHzSpan2.0MHzResBW18.0kHzVBW1.0kHzSweep86.84ms601Pts图3.4杂波空白频段盗用类干扰较为常见，可以建立频谱轨迹数据模板，根据干扰信号载噪比设计判定门限作为触发条件；信号叠加类干扰同样可以建立频谱轨迹数据模板，它需要额外设计叠加量和正常载波频谱轨迹差值分析；扫频信号和杂波信号由于其频率的变化特点，触发逻辑可以设计在特定时长内功率电平变化统计值变化进行分析。上述频谱监测异常发现都是基于目标频段的频谱轨迹数据，频谱轨迹数据的来源可以是专门的频谱仪设备，也可以是采集端的FFT变换数据。频谱异常发现的算法模板需要大量实践设计出一套模板，结合操作人员的经验判断改进解决错判、漏判的情况，如果能引人基于机器学习的算法进行优化有助于模板库逐步匹配真实频谱情况。综上，卫星干扰源上行站定位系统组成结构设计如下图4所示。考虑到双星、三星定位需求，搭建四套卫星接收天线组成互为备份的天线接收系统，天线均使用C/Ku共馈源双线双圆极化输出；传输链路考虑天线距离终端设备设施的走线距离可考虑椭圆波导、低损耗射频电缆、射频光端机等方式铺设；在接收端设计射频组合单元，包括变频器、射频交换矩阵、射频功率分配器、射频功率衰减器等器件设备进一步匹配信号链路使其能够较好的输出给后端频谱监测和采集设备，本设计将C/Ku射频信号变频至L频段中频，在中频配置交换矩阵，频谱监测和采集接收矩阵输出各路信号；频谱监测配置异常触发算法用于判定目标出现、采集设备使用宽带采集和多路滤波方式3，实现对目标信号、参考信号的多信号同步采集；存储设备用于存储频谱监测设计、定位采集的IQ数据，相关运算单元直接读取采集到的信号进行参数估计得到目标信号、参考信号的TDOA、FD O A 参数，定位解算利用参数估计结果进行目标站位置解算。本例监测定位系统部署于固定站，采集终端、相关运算都在站内完成，rawIQ数据无需占用平台网络资源，仅需固定站本地配置存储即可；频谱监测数据经优化压缩也可进一步降低网络负荷。天线天线天线天线射频传输链路触发判定频谱仪射频组合宽带采集多路滤波数据存储互相关运算系统管理定位运算图4卫星上行站定位系统结构示意图2.2非静止轨道卫星频谱监测系统非静止轨道卫星距离地面较近的优势，近年诸多应用（例如通信、导航、遥感）得到了快速发展。频谱监测方面也有不同于静止轨道卫星监测的特点。非静止轨道卫星的频谱使用上包括测控信号、业务信号，一些业务信号具备特定的覆盖时间和地理范围，对于固定监测点位很多目标卫星下行不一定是常发信号。所以在频谱监测方面多点位、多监测终端的组网部署更有助于积累有效数据；各点位各监测终端设计成无人值守远程控制按任务目标编排自动完成监测数据采集可以尽可能的覆盖好2 4小时内各个过顶时刻；按监测系统规模设计和部署数据中心，更好的管理多点位数据来源，制订监测策略，提升整体效率。系统功能需求和指标需求（1）具备判断非静止轨道卫星过顶时内有无信号发射及功率参数；（2）具备无人值守远程控制自动采集数据的工作方式；（3）数据传输、数据回放、数据分析的应用；（4）多点位多监测终端组网扩大监测范围。为了实现上述功能需求，系统根据目标特点、布局点位、场地要求、资金投人等多方面考虑并设计。这里提供作者的一点思考。（1）要求系统对监测数据的记录是全面和准确的。非静止轨道卫星监测系统监测过程中应全面记录星座过境的各项时间参数、天线对星状态参数、星站位置距离信息、监测链路数据、监测频谱数据、rawIQ数据等。上CHINARADIO2023.6Monitoring&Testing监测检测述信息得到整理后在数据回放中方便用户对信号频率、功率变化状态进行细致分析。数据回放可以设计成独立的应用，通过组织各项数据完整回放卫星过境全程频谱情况、信号特征情况以及星座信号发射的统计情况；数据回放还应考虑低轨卫星轨迹与静止轨道卫星重合状态下的判定，帮助用户区分信号归属。（2）监测终端配置自动化能力，提高响应的可靠性。除了必备的远程控制基础能力，监测终端如果可以配置算力并引人算法支持，在终端实现一些判定和触发采集，无需都交由数据中心进行处理。例如匹配信号频谱轨迹特征模版，对特定目标进行搜寻采集，不匹配的信号不做采集，减少数据中心后续处理工作量。（3）监测系统的服务端应具备监测资源的组织、数据组织、计算资源。服务端对监测终端进行资源管理，实现任务管理和用户接人，承载各项数据应用。在完整的服务端资源上实现多点位的同步监测、接力监测，使监测数据更丰富，支撑更细致。（4）多点位多监测终端的部署最好纳人监测一体化平台，由平台提供用户访问、应用管理、数据支持等服务。当监测应用以规范的应用接口方式接入一体化平台，平台用户可以方便的调用监测资源、制定任务、查阅信息和数据。可以设计这样一种多监测终端+控制中心组成结构的非静止轨道卫星频谱监测系统（如下图5所示）。其中，系统的服务端包括系统管理和数据管理，各种数据应用可以根据系统工作目标进行不断选代实现；系统的终端在配置上可以做如下考虑：系统终端包括天线系统、传输链路、数据采集、信号处理、授时模块、网络和供电配套组成。如果是基于多点位、多终端组网的监测系统，终端在设计上要充分考虑做到小型化、低功耗以及远程控制和运维的必要配套。终端天线系统根据监测目标的特点和特征设计相应指标进行天线的定制化配置，包括天线机械性能、电气性能、占地面积等，轻量和小型化在多点布站方面有很好的优势。例如电扫相控阵天线跟踪快、体积小等优势14，随着应用成本降低是一个较好的终端天线选择。终端的数据采集和信号处理承担重要的数据的采集、记录，2 4小时无人值守持续监测产生大量原始数据，终端配置必要的本地存储容量供临时存放；终端配置必要的算法支持，用于判定是否采集原始数据的必要，算法上可以引人机器学习模型，通过累积训练数据提高判断准确率，配合服务端分类管理实现高效的数据回传以减轻网络负载。终端需配置必要的授时系统，GNSS授时、网络授时等都是可选的方式。多站多终端的授时同步精度需根据应用特点、搭建成本考虑。当前的GNSS授时可保证15至30 纳秒的同步精度，可以满足大部分应用需求。在无需高同步精度的应用下，网络授时总体成本低，也是可接受的方案。终端的网络和供电。网络接入多样化，可以地面光纤、移动物联网、微波接力等方式；供电根据需要配置不间断电源、远程电源管理等加强终端可靠性。天线天线天线终端终端终端控制总线数据通道系统管理数据中心图5非静止轨道卫星监测系统多终端系统组成3结束语依靠一体化平台优势卫星频谱监测系统的设计可以实现规模化和数据化，各类数据应用产生的支撑能力也随着数据量的累积会不断的细化和增强。在系统设计方面着重于高效利用监测资源，丰富数据应用服务的方式，提升系统整体的自动化、智能化，是未来卫星频谱监测产生有益价值的一个发展方向。【参考文献：1】叶尚福，孙正波，夏畅雄.卫星干扰源双星定位技术及工程应用【M.北京：国防工业出版社，2013:11372庞京，张烨.简析影响静止轨道卫星三星定位方法结果精度的主要因素J.数字通信世界,2 0 17(6):6 3 6 63】吕冰，黄伟宁，基于宽带采集技术的卫星控守监测模式研究J.中国无线电，2 0 2 2(6)：6 3 6 4【4】周凌霄，简晨.车载相控阵卫星监测天线应用探讨J.中国无线电，2 0 2 1(7)：6 1 6 3