L波段卫星移动终端监测方法探讨.doc

L波段卫星移动终端监测方法探讨
作者：万峻 杨浏 李安平        来源：国家无线电监测中心        时间：2014-03-11
卫星移动通信系统是利用卫星通信的多址传输方式为全球用户提供大范围、机动灵活的移动通信服务，可实现互联网接入、语音、传真、ISDN、短信等多种业务应用。卫星移动终端具有很强的便携性、隐蔽性，通信不受地域制约等特点，使其成为各种应急通信的首选，应用越来越广泛。为实现对卫星移动终端的有效监控，国家无线电监测中心对L波段海事卫星、铱星等主流卫星移动通信终端上行信号的监测方法进行了深入研究。在此，将研究结果与各位同行分享与探讨。
1.L波频卫星移动通信系统技术简介
1.1 移动终端使用频段
在L波段，卫星移动终端分为两种模式，TDD（时分双工）和FDD（频分双工），使用频率如下：
（1） FDD（频分双工）模式：上行频段：1610 MHz—1660.5MHz
　下行频段：1525 MHz—1559MHz
（2） TDD（时分双工）模式：上下行同频段：1610 MHz—1626.5MHz
1.2 卫星移动通信系统制式
L波段有4种主流卫星移动通信制式，部分参数如下表：
表1. L波段卫星移动通信制式部分参数

2.上行信号监测方法
针对卫星移动终端上行信号特点，监测方法包括：信号发现和分析、交会定位、逼近查找。
2.1 信号发现和分析

图1. 监测系统结构图
2.1.1 信号搜索发现
（1） 监测设备架设地点距离所需关注区域直线距离宜不超过2公里（具体位置根据电磁环境复杂度、接收设备灵敏度、接收天线类型及架设位置和高度、关注区域大小、定位精度要求等决定）。
（2） 宜选择地势较高、四周遮挡少的地点架设设备，选用噪声低、频段较窄的全向天线进行接收。
（3） 参数设置建议:
表2. 参数建议

（4） 启动监测搜索模式，在频段内观察发现感兴趣信号。
a) 1610MHz—1660.5MHz是卫星移动地对空业务专用频段，如发现非卫星通信信号，即为非法信号。
b) 在TDD工作制式下，上下行共用频率由于下行频率覆盖区域宽阔，因此在监测的频段内会发现卫星置为位95Kbauds下行信号，应将接收机/频谱仪的接收带宽和RBW调整至合适，观察信号的时频图（如瀑布图）。如果时频图中对应的该信号中心频率随时间不变化，则是上行信号（无多普勒频移），如果中心频率随时间发生变化，信号在时频图中呈现倾斜特征，则是下行信号（产生多普勒频移）。
c) 在FDD工作制式下，通信连接建立后，使用频率不会变化（跨覆盖区域除外）；在TDD工作制式下，通信连接建立后，使用频率仍会跳变，宜利用具有宽带测向能力的设备，观察前后2个频率在信号特征上和示向度上是否有一致性，以确定发现的是同一信号的频率变化。
（5） 如果监测系统具有自动监测的功能，可采用能量检测、信号识别、触发报警等方式开展信号快速搜索发现。
2.1.2 信号分析
（1） 锁定搜索中发现的感兴趣信号频点。
（2） 参数设置建议:
表3. 参数建议

（3） 通过对信号时域、频域、调制域、特征域等进行监测，观察信号频谱、声音等特征，记录监测数据，采集信号音频、中频频谱、I/Q数据等能反映信号特征的资料，分析信号调制类型、符号速率、所属的通信系统，以及信号出现规律。
（4） 如果监测系统具有自动识别、解码功能，可进一步解码通信内容，以准确判断信号来源。
2.2 交会定位
（1） 使用3个或3个以上站点对目标区域进行组网监测测向，站点之间直线距离宜不远于2公里。
（2） 布点时，应考虑地形、电磁环境、天线方向以及卫星通信系统制式等影响：
a) 宜选择区域周边制高点布置站点；
b) 对于地球同步静止轨道卫星通信系统，移动终端天线有一定的方向性（如中国境内使用时需将天线对准南边，获得最好接收效果），可将监测站点在目标区域的近赤道一侧布置成近似半圆形或一线形；
c) 对于全球多轨道卫星通信系统，可将监测网站点布置成三角包围形（见图2）；

注：移动监测车可作为可搬移监测设备使用
图2. 监测全球多轨道卫星通信系统的定位组网布局示意图
（3） 利用搜索功能发现和分析感兴趣的信号，确定为目标信号时，应锁定信号频率，启动交会定位功能。
（4） 交会定位时，测向定位系统参数设置建议：
表4. 参数建议

（5） 记录目标信号出现的时间、频点、示向度和定位地点等信息，存储交会定位图。
2.3 逼近查找
（1） 交会定位或者已知目标信号大致区域后，出动移动监测车，测向系统参数设置建议：
表5. 参数建议

（2） 利用车载监测设备对目标信号进行实时监测，当移动监测车有较稳定示向度后，依据示向前行。
（3） 车辆行进过程中，1名监测人员应负责测向设置、观察测向结果及信号可能发生的频率变化等情况，另1名监测人员应仔细观察周围建筑分布、楼顶天线布置等情况。
（4） 当信号源已锁定在小范围内，监测人员应携带便携式监测设备开始徒步查找，参数设置建议：
表6. 参数建议

（5） 监测人员应缓慢均速转动定向天线，密切注意信号强度变化，同时开启最大保持功能，关注信号可能发生的频率变化情况。
（6） 当信号电平快速增强，可通过肉眼（或辅助望远镜）辅助发现发射装置。
（7） 当发现移动终端后，应进行发射测试，以最终确定信号源。
3. 监测记录及报告
监测任务执行中应严格按规范记录监测日志和监测数据，存储信号频率图、音频文件等。任务执行完毕应及时撰写监测报告，其内容需包括：任务来源及要求；执行时间和地点；监测人员和设备；监测过程和数据；监测结论等。

参考文献
[1]朱庆厚 无线电监测与通信侦察[M] 人民邮电出版社 2005.10 
[2]信息产业部无线电管理局中华人民共和国无线电频率划分规定[M] 人民邮电出版社 2010
[3]Dennis Roddy 卫星通信[M] 机械工业出版社 2011
[4]周鸿顺 频谱监测手册[M] 人民邮电出版社  2006.2
[5]杨浏 开展卫星轨道资源监管中需注意的问题 中国无线电  2013.5
[6]黄伟宁 宋柯平 卫星电话上行信号的监测与定位  2012全国无线及移动通信学术大会

L波段卫星移动通信业务
首页 > 支持服务 > L波段卫星移动通信业务 
L波段的卫星通信和广播业务主要为：利用GEO（地球同步轨道）卫星向车载、船载、机载和便携式终端提供移动电话和数据通信业务、利用GEO卫星或LEO（低轨）卫星星座向手持终端提供移动电话和数据通信业务，以及利用GEO卫星向便携式和车载终端提供声音和数据广播业务。
由于可用带宽窄，加上车载、便携式和手持终端的天线波束宽，L波段卫星通信的频率资源和轨位资源极为紧缺。因此，相应的临时使用服务局限于向常规的卫星通信、移动通信、以及有线通信服务区外的用户，提供话音和低速数据通信。尽管L波段卫星通信终端的售价通常比较低廉，但是，L波段卫星通信系统的建设成本高，其通信费用也远高于常规的卫星通信手段。
系统设备与资源
静止卫星
静止通信卫星工作在距离地球表面大约3万6千公里的同步轨道上，一颗卫星可以覆盖大约1/3的地球表面。静止卫星与地面终端的距离远，无线电信号的单跳时延，即从一个地面终端经卫星转发至另一个地面终端的传输时延长达1/4秒上下，电波的传输损耗也高达180dB以上。为了限制通话延时，移动终端之间的通话线路应避免采用双跳或多跳连接，需要在卫星上引入复杂而昂贵的星上交换设备。为了能向天线增益和射频功率都很低的手持式地面终端提供服务，卫星天线需要采用大口径、高增益设计。由于发射火箭的尺寸限制，大口径天线还得采用折叠展开式设计。为了提高频率资源的利用率，卫星天线多采用密集点波束设计，以便通过波束隔离的手段，重复使用L波段的可用带宽。由此可见，可以向手持或便携式终端提供服务的静止通信卫星的结构复杂，发射和展开过程的风险高，造价通常为常规通信卫星的3到5倍。
低轨卫星星座
低轨卫星的覆盖范围随轨道高度而变。多颗低轨卫星组成的星座有可能动态覆盖整个地球表面。卫星星座通常由等间隔分布在赤道环上的多个倾斜卫星轨道、以及均匀分布在每个倾斜轨道上的多颗卫星所构成。星座中的卫星数量取决于卫星的轨道高度，星座的覆盖范围取决于卫星高度和轨道倾角。考虑到低轨卫星星座的卫星数量为数十至数百个，低轨卫星的工作寿命又因大气阻力的影响而远低于静止卫星，卫星星座的建设和维护费用数十倍于常规静止轨道通信卫星。
地面终端天线
L波段地面移动终端的天线增益很低，方向性也极差。例如，锥形螺旋天线的标称增益约为3dB，方向图为半球状；微带天线的标称增益为2dB，方向图为宽环形；下垂式交叉偶极子天线的标称增益为5dB，方向图为环形；圆柱形隙缝天线的标称增益为 2dB，方向图为环形。
由于L波段地面终端天线对本系统卫星和邻星的鉴别力有限，静止轨道环上可以容纳的L波段卫星数量远少于C波段和Ku波段卫星。相邻的L波段卫星之间只能通过协调，分享有限的带宽资源。
工作波段
国际电联在《无线电规则》中，为卫星通信分配的L波段资源如表1所示。
表1L波段的卫星通信频率资源
频率 (MHz)
业务分配
现行卫星系统
14521492
固定、移动、广播、卫星广播
AsiaStar

1525-1535
空间操作 / 下行、固定、卫星移动 / 下行等
Inmarsat, Thuraya
1535-1559
卫星移动 / 下行
Inmarsat, Optus B3, Thuraya

1610-1610.6
卫星移动 / 上行、航天导航、（卫星定位 / 上行）
GlobalStar
1610.6-1613.8
卫星移动 / 上行、无线电天文、航天导航、（卫星定位 / 上行）
GlobalStar
1613.8-1626.5
卫星移动 / 上行、航天导航、（卫星移动 / 下行、卫星定位 / 上行）
GlobalStar, Iridium
1626.5-1660
卫星移动 / 上行
Inmarsat, Thuraya
1660-1660.5
卫星移动 / 上行、无线电天文
Thuraya
表 1 中的数据表明，分配给卫星广播的总带宽为 40MHz ，分配给卫星移动通信（星对地）的总带宽为 34MHz ，分配给卫星移动通信（地对星）的总带宽为 50.5MHz 。现有和将来的所用卫星移动通信业务所能使用的 L 波段资源仅为 84.5MHz 。这些频率资源中的大部分还要通过协调，与其他的无线业务分享使用。
表 2 亚太地区的 L 波段通信广播卫星

INMARSAT
OPTUS-B
TURAYA
ACeS
AsiaStar
北斗
Iridium
GlobalStar
类型
GEO
GEO
GEO
GEO
GEO
GEO
LEO 星座
LEO 星座
轨位 (deg E)
64/108.5/178/179
160
44 （双星）
123
105
80/110.5/140
66 星 6 轨面
48 星 8 轨面
转发器类型
透明信道
透明信道
星上交换

透明信道
星上交换
透明信道
电话信道

500
13750
11000

1100 到 3840
2000 到 3000
L 波段天线 (m)

12.25
12

2
1
天线增益 (dBi)
18

26.9
2
点波束数

250 到 300
140

48
16
移动业务类型
电话 / 数据
数据 / 电话
电话
电话
声音广播
定位 / 数据
电话
电话
地面设备类型
船载 / 车载 / 便携
车载 / 便携
手持
手持
便携 / 车载
便携
手持
手持
天线增益 (dBi)
21/14/12/6/0
12

1
2.6
射频功率 (W)

0.45
0.5
终端价格 (USD)
3000 （便携式）

<1000

1500 到 3000
250 到 750
话费 (USD/min)
2.7

0.35 到 1

0.3 到 3.0
0.3 到 1.5
上行波段
L

L
L

S
L/ 右旋
L/ 双圆
起始频率 (MHz)
1626.5

1626.5

1610.0
1610.0
终止频率 (MHz)
1649.5 或 1660.5

1660.5

1626.5
1626.5
带宽 (MHz)
23 或 34

34

16.5
16.5
下行波段
L
L
L
L
L
L
L/ 左旋
S/ 双圆
起始频率 (MHz)
1530.0 或 1525.0
1535.0
1525.0

1452.0

1610.0
2483.5
终止频率 (MHz)
1548.0 或 1559.0
1559.0
1559.0

1492.0

1626.5
2500.0
带宽 (MHz)
18 或 34

34

40

16.5
16.5
馈线链路波段
C
Ku
C
C
C
C
Ka
C
上行带宽 (MHz)
18 或 29

225

200
57.5
下行带宽 (MHz)
23 或 29

300

400
57.5
亚太地区的L波段卫星通信系统举例
静止卫星系统以海事卫星和ACeS等区域性卫星移动通信系统为代表，低轨卫星星座系统以铱系统和全球星系统为代表，声音广播卫星系统以AsiaStar为代表。
国际海事卫星组织（INMARSAT）
国际电联于1971年将1535-1542.5MHz和1636.5-1644MHz 波段分配给海事卫星通信业务。该波段主要供国际海事卫星组织（INMARSAT）使用。INMARSAT以GEO卫星提供卫星移动业务，其服务对象主要为海上、陆上和空中的移动用户。INMARSAT在亚太地区的主要卫星轨位为64E、108.5E、178E和179E。
早期的海事卫星主要提供船舶与岸站之间的话音和数据通信业务。岸站通常工作在C扩展波段，船载站和车载站则工作在L波段。新一代的Mini-M系统也工作在L波段，其便携式终端形如笔记本电脑，重约2公斤，售价约为3000美元，每分钟的国际电话、传真和数据的收费约为2.7美元。
区域性移动通信卫星
静止通信卫星与地面通信设备之间的L波段上下行自由空间损耗均接近于190dB。为了满足天线增益分别仅约3dB和10dB 的手持及便携式终端的收发效果和功耗限制，卫星上应该装备超高增益的收发天线。因为运载火箭整流罩的尺寸限制，发射过程中处于折叠状态的大口径高增益天线，需在卫星定轨后经历极为复杂的天线展开和指向调整过程，才能投入运作。为了提高频率资源的使用效率，通常采用百余个馈源，在同一个大口径反射面上产生密集点波束。为了节省频率资源和缩短通话延时，通常采用星上交换技术。目前，国内的卫星制造商尚未掌握相应技术。因为禁运政策的限制，几年前还发生过美国卫星制造商因未能执行向中外合资公司交付区域性移动通信卫星，而不得不违约赔款的事件。
手持终端的天线几乎没有方向鉴别能力。因此，如果在可见天空共存两个以上的同波段卫星移动通信系统，就无法保证系统之间的相互干扰。在亚太地区上空，现有位于东经44度的Thuraya、位于东经123度的ACeS、以及位于东经156度的Opotus-B3 等3个静止卫星移动通信系统。前述遭受禁运的公司的计划卫星轨位为东经98.5度。实际上，98.5度与123度、以及123度与156度轨位之间，都可能存在邻星干扰。相关卫星的操作者应该经过协调，划分各自可以使用的频率资源。也就是说，20度或者30度的轨位间隔，仍不足以保证L波段手持终端移动卫星通信系统的共存条件。
亚太地区的区域性卫星移动通信系统主要为阿拉伯的Thuraya和印尼的ACeS，它们都能直接为手持式电话终端提供话音和数据业务。这些卫星的L波段上行频率为1626.5-1660.5MHz，下行频率为1525.0-1559.0MHz。静止卫星与地面终端的通信距离长，电波的自由空间损耗高，为了使低功率、小尺寸的手持终端能与卫星正常通信，星上多采用大口径高增益天线。ACeS卫星的两面折叠式天线的直径为12米，可以140个点波束覆盖中国、韩日、印巴、及东南亚各国。卫星采用星上交换技术，可以同时为1万1千个用户提供服务。澳大利亚的Opotus-B3也提供移动业务，其L波段下行频率为1535.0–1559.0MHz。
低轨卫星星座系统
铱系统由66颗分别运行在6个轨道平面上的低轨卫星所组成。卫星轨道的高度为780公里。因为轨道倾角较高，服务区可以覆盖全球。铱系统手持终端的工作波段为1613.8-1626.5MHz 。
全球星系统由48颗分别运行在8个轨道平面上的低轨卫星所组成。卫星轨道的高度为1389公里。因为轨道倾角不够高，高纬度地区仍在其服务区外。全球星系统手持终端的L波段上行频率为1613.8-1626.5MHz，S波段下行频率为2483.5-2500.0MHz 。
上述两个现存低轨卫星星座系统都亏损累累。不但运营移动通信系统的公司先后宣布破产，连全球星公司的大股东 SS/Loral公司也遭拖累而进入破产保护程序，需要出售仍有盈利的6颗北美静止通信卫星以偿还债务。
L波段和S波段的轨道空间已容不下任何新系统。频率资源的使用牵涉到国家利益，前几年的频率资源争夺主要在使用 Ku波段的SkyBridge和使用Ka波段的 Teledesic 。
声音广播卫星
AsiaStar 为覆盖亚太地区的GEO声音广播卫星。接收机类型为便携式或车载式。下行广播信号的工作波段为1452-1492 MHz 。
系统比较
表 2 收列了亚太地区上空的主要L波段通信广播卫星。从邻星干扰协调的角度看，如果东经64度、108.5度和178度的3颗INMARSAT卫星在上、下行L波段的两个34MHz带宽范围内均有优先权的话，其他的GEO通信卫星似乎难以全带宽使用L波段资源。此外，两个低轨LEO系统似应相互协调并分享远离静止轨道弧段的L波段资源。
建立新系统的应做的努力
建立GEO卫星移动通信系统的前提条件为，获取相关的频率和轨位资源。为此需要：
• 研究可用 GEO 弧段上的所有现存系统、以及所有已由国际电联公布的相关协调资料；
• 经过干扰计算分析，找出可用的轨位，并向国际电联申报协调资料；
• 与协调地位优先的邻星系统进行并完成干扰协调。
就目前的轨位资源的占用情况看，找到合适轨位并且完成干扰协调的可能性几近为零。如果不能争取到自有的轨位资源，也可以考虑通过合作或者租赁方式，使用掌握可用轨位的国家或者卫星操作者的相应轨位资源。但是，在亚太地区，目前似乎并无可供合作或租赁的L波段优先轨位。
在获得轨位与频率资源的前提下，可以根据市场情况，进行系统设计。卫星的设计、制造和发射的周期约为3到5年。就相应的L波段移动通信卫星和卫星系统而言，我国尚无设计和制造能力，现有的供应商均为美国公司，对我国的出口仍受到美国政府的限制。
结论
在目前的技术条件下，只有工作在L波段的静止通信卫星、或者中低轨卫星星座，可以直接为手持或便携式终端提供移动电话和数据业务。卫星移动通信系统的技术难度大，建设和使用成本高，设计建设的周期长，自建和引进的可能性都较低。此外，从轨位和频率资源的角度考虑，相关系统在亚太地区也几无再建的可能。