静止轨道卫星通信系统抗干扰计算分析方法_赵毅.pdf

航天器工程 第 卷第期 年月静止轨道卫星通信系统抗干扰计算分析方法赵毅乔凯白鹤峰李文屏张记瑞（北京跟踪与通信技术研究所，北京 ）摘要天线抗干扰技术和扩展频谱抗干扰技术是卫星通信系统提升抗干扰能力的重要技术手段。文章针对静止轨道卫星通信系统抗干扰计算分析难度大的问题，引入卫星天线增益计算模型，提出一种抗干扰计算分析方法。对卫星、用户站和干扰站的空间几何关系进行建模，根据卫星天线方向图数据准确计算卫星天线对用户站和干扰站的接收增益，进而得出信号和干扰的载干比；同时，在卫星通信链路计算中引入载干比，准确计算上行链路的总载噪比和总链路余量。通过设计典型干扰场景，分析影响系统总链路余量的关键因素，优化权衡天线抗干扰和扩展频谱抗干扰关键指标，能够从系统整体提升抗干扰能力，满足系统抗干扰要求。关键词静止轨道卫星；通信系统；天线增益；抗干扰计算；抗干扰分析中图分类号：文献标志码：（，）：，；，：；收稿日期：；修回日期：基金项目：国家重大航天工程作者简介：赵毅，男，硕士，高级工程师，研究方向为通信卫星系统数字化设计。：。静止轨道卫星具有覆盖范围广、传输距离远、与地面各点保持相对静止等特点，在宽带通信、窄带通信和移动通信等方面得到广泛应用。随着卫星通信技术的迅速发展，加之通信需求日益增加，静止轨道通信卫星在轨部署的数量越来越多，能够提供的通信服务保障能力越来越强。然而，由于卫星采用地球静止轨道，具有轨位资源唯一性的限制条件，使得卫星部署数量受到了极大的限制，而且卫星通信频率资源也有限，因此，面对目前爆发式增长的通信服务需求及愈发拥挤的轨道现状，在实际应用过程中不可避免地导致卫星通信有效载荷经常会受到各种各样的干扰，严重影响了卫星通信系统的有效性和可靠性。提高卫星通信抗干扰能力的手段是多方面的，现阶段主要的抗干扰技术包括自适应调零天线、捷变波束通信等天线抗干扰技术和直接序列扩频抗干扰、跳频抗干扰等扩展频谱抗干扰技术。天线抗干扰技术通过自动控制和优化天线的方向图，在信号源方向和干扰源方向上产生干扰抑制，使信号受到的干扰减到最少。在扩展频谱抗干扰技术中，直接序列扩频抗干扰通过扩展有用信号工作带宽，使得落入信号频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了系统的抗干扰能力；跳频抗干扰是有用信号载波频率在非常宽的跳频带宽内随机跳变，从而达到躲避干扰的目的。目前，多数卫星通信系统抗干扰计算分析方法相对简单，只能从某一方面构建抗干扰计算模型，研究局限于一种技术对系统抗干扰性能的提升。文献中定性分析了自适应调零天线零陷、天线方向图起伏和星座分布等因素对自适应调零导航系统抗干扰性能的影响，利用数学仿真定量分析典型场景下自适应调零导航系统抗干扰性能；文献 根据导弹外形设计了一种圆锥形相控阵天线模型用于弹载数据链，该相控阵天线模型副瓣抑制大于 ，对比普通定波束天线，较大提高了弹载数据链抗干扰能力；文献 中给出了直接序列扩频系统在宽带干扰、部分频带干扰下的误比特率公式，对直接序列扩频系统在不同干扰频点、不同干扰带宽的部分频带干扰情况下的误比特率性能变化趋势进行了分析；文献 中建立了跳频通信系统模型，分析了跳频通信系统实现原理与性能，通过仿真得到跳频通信系统受到不同强度干扰时跳频通信系统误码率曲线；文献 中研究了上行干扰功率对透明转发器性能的影响，提出了干扰条件下卫星通信链路计算模型，不适用于处理转发器的干扰性能分析。上述文献说明了天线抗干扰和扩展频谱抗干扰是提升卫星通信系统抗干扰能力最有效的技术途径，但是，对于如何把天线和扩展频谱结合起来构建抗干扰计算模型研究甚少，而这个研究方向对于优化系统抗干扰指标和提升系统抗干扰性能尤为重要，值得深入研究。本文针对静止轨道卫星通信系统的天线抗干扰和扩展频谱抗干扰进行深入研究，并在此基础上提出了卫星天线增益计算模型和抗干扰计算模型相结合的抗干扰计算分析方法。通过空间几何关系计算卫星天线对用户站和干扰站的俯仰角和方位角，进而计算出卫星天线的增益值和干扰抑制；在卫星通信链路计算模型中引入干扰站对用户站的载干比，准确计算在干扰条件下的总链路余量，通过设计典型干扰场景，开展天线抗干扰技术和扩展频谱抗干扰技术的抗干扰分析。天线增益计算模型 坐标系定义及变换地心大地坐标系采用 坐标系，以地球中心为坐标原点，轴指向地球表面的（，）点，轴指向地球表面的北极点，轴由右手关系确定。大地坐标系是用大地经度、大地纬度和大地高表示地球上某点。地心直角坐标系也称为地心地固坐标系（），与地心大地坐标系坐标轴相同，只不过将地心大地坐标系中的经纬度、高度变换为三维直角坐标系的点，类似于球体坐标系和空间直角坐标之间的对应关系。如图所示，地球上某点在地心大地坐标系和地心直角坐标系上的坐标分别为（，）和（，）。它们之间的变换公式为（）（）（）（）式中：卯酉圈曲率半径 ，其中，第一偏心率，为旋转椭球长半轴，短半轴（），为偏率，在 椭球参数中，长半轴 ，偏率 。卫星本体坐标系即飞行器速度和当地水平（）坐标系，经常作为轨道控制时的当地坐标系，其定位为：坐标系原点在卫星本体质心处，轴指第期赵毅 等：静止轨道卫星通信系统抗干扰计算分析方法向地心方向，轴为轨道面负法向，轴沿卫星飞行方向。如图所示，静止轨道卫星的卫星本体坐标系轴指向正东，轴指向正南，轴指向地心，地心大地坐标为（，），其中，为卫星的轨位，为卫星的高度。星载天线坐标系是卫星天线设计过程中定义的坐标系，当通信波束指向星下点时，星载天线坐标系原点为天线抛物面的顶点或阵面的中心点，轴、轴和轴与卫星本体坐标系的轴、轴和轴方向通常保持一致。由于卫星与地球上某点之间的距离远大于卫星本体坐标系原点与天线坐标系原点的距离，因此，卫星本体坐标系和星载天线坐标系之间平移变换对角度的影响可以忽略不计。图地心大地坐标系与地心直角坐标系变换 图地心直角坐标系与卫星本体坐标系变换 空间几何坐标系变换分为平移变换和旋转变换。假设平移过程空间平移量为（，），则（，）平移变换后（，）的矩阵形式为 （）规定坐标系的旋转方向是右手螺旋方向，即从该轴正半轴向原点看是逆时针方向。假设坐标系绕轴、轴、轴的旋转角分别为，则旋转变换后的旋转矩阵，形式如式（）所示。计算空间旋转矩阵时，一定要明确绕轴、轴、轴的旋转顺序，并且按照旋转顺序左乘旋转矩阵。（）（）（）（）天线增益计算推导由式（）可计算出卫星在地心直角坐标系的坐标（，）。地心直角坐标系经过平移和旋转变换得到卫星本体坐标系，即先将地心直角坐标系平移变换，空间平移量为（，），再将得到的坐标系绕轴旋转角度，最后将得到的坐标系绕轴旋转角度，故变换矩阵可用式（）表示，并且可化简为式（）。其中，（，）表示地球上某点在地心直角坐标系的坐标值，（，）表示该点在卫星本体坐标系的坐标值。（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）航天器工程 卷 （）在实际应用中，通信波束并不指向星下点，而是指向特定的位置，因此，需要由卫星本体坐标系旋转得到星载天线坐标系，使得星载天线坐标系轴指向该位置。在卫星本体坐标系中，通信波束指向点的方位角和俯仰角的定义为：为方向向量在平面上的投影 与轴之间的夹角，为方向向量与其在平面上的投影之间的夹角，如图所示。图通信波束指向的方位角和俯仰角定义 设点在卫星本体坐标系中的坐标为（，），通信波束指向的方位角和俯仰角的表示形式为 （）在工程计算中，一般用依次旋转卫星本体坐标系个坐标轴的方式来生成星载天线坐标系，即先将卫星本体坐标系绕轴旋转角度，再将得到的坐标系绕轴旋转角度，故变换矩阵可用式（）表示，并且可化简为式（）。（）（）通信波束指向方位角和俯仰角方向时，旋转角，与，的关系如式（）所示。（）（）静止轨道卫星通常采用直角坐标系描述卫星天线的方位角和俯仰角，其中，为方向向量在平面上的投影 与轴之间的夹角，朝向轴，朝向轴，的范围从到；为方向向量在平面上的投影 与轴之间的夹角，朝向轴，朝向轴，的范围从到，如图所示，和的计算公式如式（）所示。图星载天线坐标系中方位角和俯仰角定义 （）（）（）方向向量与通信波束指向夹角的表达式为 （）（）卫星天线方向图数据可由天线专业设计工具仿真或近远场实测获取，根据图定义的方位角和俯仰角生成增益矩阵，先计算地球站在星载天线坐标系下的方位角和俯仰角，再根据线性内插法计算地球站的天线增益。抗干扰计算模型 数字载波链路计算链路预算是卫星通信系统设计中的重要环节，影响卫星转发器分系统性能的主要是上行链路，上第期赵毅 等：静止轨道卫星通信系统抗干扰计算分析方法行链路载噪比定义为卫星上行链路的载波功率与噪声功率之比，记为，卫星链路的预算取决于该比值。用分贝值表示的具体表达式为 （）式中：为用户站有效全向辐射功率；为卫星接收品质因数；为传输过程中的总损耗；玻耳兹曼常数 （）；为 载 波带宽。对于星上数字信号传输系统，一般采用比特误码率（）表示数字信号传输质量的优劣，而 取决于解调前的数字载波平均到每个比特上的信号能量与噪声功率谱密度之比，即信噪比，记为，信噪比越大，解调器输出数据的比特误码率就越低，通信质量就越好。卫星上行链路的载波功率和噪声功率的表达式为（）式中：为数字载波数据速率。由式（）可得，用分贝值表示的和表达式为（）由式（）和式（）可得 （）链路余量的计算公式为（）式中：为星载解调器的解调门限。系统链路余量越大，表示系统传输性能越好，系统的抗干扰能力就越强。干扰下总链路计算卫星通信系统受到干扰站干扰时，上行链路载干比定义为卫星接收机输入端的载波功率与干扰功率之比，记为，用分贝值表示的具体表达式为 （）式中：为发射站的有效全向辐射功率；为卫星天线对发射站的接收增益；为干扰站的有效全向辐射功率；为卫星天线对干扰站的接收增益；为干扰载波带宽。在干扰条件下，卫星上行链路的总链路预算计算方法为：先分别计算载波与噪声功率比，以及载波与干扰功率比；再求出考虑干扰因素的系统总载噪比（），如式（）所示 。（）（）系统总链路余量 的计算公式近似为 （）（）通信链路抗干扰分析 抗干扰场景设计卫星通信抗干扰场景由颗静止轨道卫星、个用户站和个干扰站组成，卫星、用户站和干扰站在地心大地坐标系中的坐标如表所示，其中，干扰站距离用户站最近，干扰站距离用户站最远。表卫星、用户站和干扰站的大地坐标 ，名称东经（）北纬（）高度 与用户站的距离 卫星 用户站 干扰站 干扰站 干扰站 干扰站 场景中通信和干扰相关参数如表所示。其中：上行链路传输过程中的总损耗为 ；干扰站的发射功率比用户站大 ，属于强干扰站，干扰站、干扰站和干扰站的发射功率与用户站的相差相对较少，属于弱干扰站。表通信和干扰相关参数 名称 （）（）载波带宽 数据速率（）解调门限 卫星 用户站 干扰站 干扰站 干扰站 干扰站 利用前文建立的天线增益计算模型和抗干扰计算模型，导入场景参数，对卫星通信系统的上行链路航天器工程 卷进行抗干扰计算，分析不同方向、不同大小的干扰站对用户站的上行链路抗干扰性能。天线抗干扰分析本文使用的卫星天线方向图数据由天线设计软件仿真生成，属于理论值，工程值可通过天线实测数据生成。当卫星通信波束指向用户站、用户站和干扰站均指向卫星时，通过天线增益计算模型可计算出用户站和干扰站在卫星天线接收端的天线增益值及干扰抑制，计算结果如表所示。表天线增益及干扰抑制 名称用户站 干扰站干扰站干扰站干扰站方位角（）俯仰角（）与波束指向夹角（）相对主瓣位置顶点主瓣主瓣第一零点副瓣天线增益 干扰抑制 由表可得，用户站位于天线主瓣顶点附近，与波束指向夹角等于 ，天线增益为 ，值最大；干扰站和干扰站位于天线主瓣位置，与波束指向夹角分别等于 和 ，天线增益分别为 和 ；干扰站位于天线第一零点附近，与波束指向夹角等于 ，天线增益为 ，值最小；干扰站位于天线副瓣位置，与波束指向夹角等于 ，天线增益为 。卫星天线对干扰站、干扰站、干扰站和干扰站的干扰抑制分别为 ，对干扰站和干扰站的干扰抑制比较弱，对干扰站和干扰站的干扰抑制比较强，其中，干扰站刚好位于天线第一零点附近，干扰抑制最强。虽然干扰站属于强干扰站，但是卫星天线对其干扰抑制能力最强，因此，对于强干扰站来说，首先定位强干扰源的位置，通过调整天线零点位置，可最大程度屏蔽强干扰站的电磁干扰。干扰站和干扰站位于天线主瓣位置，为了更好地抑制电磁干扰，可以把天线主瓣宽度设计得更窄。干扰站位于天线副瓣位置，为了减少电磁信号从旁瓣射入，可提高天线的旁瓣抑制比。更窄的主瓣宽度和更高的旁瓣抑制比是提升天线干扰抑制的关键指标，是优化卫星天线设计的重要依据。扩展频谱抗干扰分析对于种干扰站，用户站的载波带宽从 扩展到 时，通过抗干扰计算模型分别计算种干扰下的系统总链路余量，总链路余量随扩展频谱带宽变化曲线如图所示。图种干扰下的总链路余量 图中，在种干扰条件下，当扩展频谱带宽大于 时，系统总链路余量均大于，这表明扩展频谱抗干扰是有效的。干扰站干扰下的系统总链路余量最少，这是因为干扰站比较靠近用户站且干扰功率较大，系统对干扰站的抗干扰能力最弱。种干扰的系统总链路余量随扩展频谱带宽变化趋势基本一致，当用户站的扩展频谱带宽越来越大时，系统总链路余量越来越大，系统应对干扰的能力越来越强。同时，频谱扩展存在门限值，当载波带宽超过门限值后，扩展频谱对提升系统抗干扰的效果就不明显了，因此，一味地增加载波带宽只会浪费有限的频谱资源。现有的抗干扰计算分析方法只是单方面以天线抗干扰或者扩展频谱抗干扰为研究重点，而未从系统整体出发，综合考虑天线干扰抑制和扩展频谱个方面对系统整体抗干扰性能的提升。本文方法在卫星通信链路计算中引入天线增益计算模型和抗干扰计算模型，通过合理优化和分配主瓣宽度、旁瓣抑制比、零点位置等天线指标，以及扩展频谱指标，以最小工程实现代价满足卫星通信系统的抗干扰要求。结束语本文针对静止轨道卫星通信系统抗干扰技术指标优化的难题，提出一种新的抗干扰计算分析方法。该方法在卫星通信链路计算中引入卫星天线增益计算模型和抗干扰计算模型，首先准确计算卫星天线对用户站和干扰站的接收增益，进而得到卫星处理转发器接收端的载干比，再由载干比和载噪比计算第期赵毅 等：静止轨道卫星通信系统抗干扰计算分析方法出系统的总信噪比，最后得到系统的总链路余量。该方法比单方面考虑天线抗干扰或者扩展频谱抗干扰更全面、更准确、更合理，能够从系统整体优化设计抗干扰技术指标，提升系统抗干扰性能。参考文献（）张华媛卫星通信抗干扰技术研究科技创新与应用，（）：，（）：（）张越，韩志钢，张颂，等卫星通信中的抗干扰技术分析 集成电路应用，（）：，（）：（）薛永，孙博，曾小金，等 卫星通信抗干扰技术分析国际太空，（）：，（）：（）陈昊，乔凯，杨欢宽带卫星通信系统的安全防护架构研究现代导航，（）：，（）：（）刘义，张凯，李运宏，等星座分布对导航自适应调零系统抗干扰性能影响分析航空兵器，（）：，（）：（）贾龙龙，赵波基于共形相控阵天线的弹载数据链抗干扰研究 电子质量，（）：，（）：（）李振东，谭维凤，康成斌，等直接序列扩频系统抗干扰能力研究电子与信息学报，（）：，（）：（）刘冠邑，张海勇，任重 干扰条件下卫星通信链路计算模型研究通信技术，（）：，（）：（）吴奇，陈海龙，张靖喃通信装备复杂电磁环境适应性试验建模与验证 装甲兵学报，（）：，（）：（）胡兆俊，陈宏宇，范森权，等 用于在轨服务的多天线差分 相对定位研究航天器工程，（）：，（）：（）赵凡基于星载多波束天线的干扰源定位南京：南京邮电大学，：，（）姚永田，杨淑丽，钟鹰地球同步卫星轨道漂移对天线指向的影响分析空间电子技术，（）：，（）：（）杨新华，刘杨雷，迪伟动中通卫星通信系统链路预算及实例分析通信技术，（）：，（）：（）雒明世，冯建利卫星通信北京：清华大学出版社，：，（）（编辑：夏光）航天器工程 卷