一种卫星频谱监测系统的设计与实现

张有志，丁　峤，左　鹏，张更新

(1.海军司令部信息化部，北京　100841；2.总参信息化部驻714厂军代室，南京　210007；3.解放军理工大学，南京　210007)



一种卫星频谱监测系统的设计与实现

张有志1，丁峤3，左鹏2，张更新3

(1.海军司令部信息化部，北京100841；2.总参信息化部驻714厂军代室，南京210007；3.解放军理工大学，南京210007)

摘要：本文研究了建设卫星频谱监测系统的必要性，给出了卫星频谱监测系统的设计目标和解决方案，介绍了频谱监测管理中心和频谱监测设备的设计方案以及频谱监测关键算法，分析了系统功能、主要指标及应用前景。

关键词：卫星通信；频谱监测；载波参数自动识别；异常检测

1　引言

随着应用的日益广泛，卫星通信系统电磁频谱资源不足的问题越来越突出。但卫星转发器资源的管理基本上采用静态分配的方式，即转发器上的频谱资源往往是根据系统大致任务需求预先配置好的；同时，业务在即时性、可靠性、动态性、优先级等方面的要求各不相同，尤其对于在卫星各波束覆盖区内所承担的任务强度在不同时段内变化很大的应用环境，导致现有卫星通信频率管理体制对工作效率较低。

虽然星上处理技术得到了一定程度的应用，但目前在轨的通信、数据中继卫星中占多数的仍是卫星透明转发器。由于各类通信、广播、数据中继卫星处于开放的空间，会面临各种有意或无意干扰的影响，使得部分卫星信道无法正常通信，当用户终端在受到干扰的信道上通信时，服务质量将明显受损，如果控制信道受到干扰，受影响的用户将更多。另外，系统也会遭受信道误用、盗用、攻击等特殊危险，影响系统的安全性。因此，针对卫星干扰信号的特点，研究卫星干扰信号的检测和识别技术，研制专门的卫星频谱监测系统，以发现和评估干扰状态、避免分配使用有干扰的信道，对于提高通信和数据中继卫星的运行管理水平和工作可靠性具有非常重要的意义。

2　总体设计

2.1设计目标

通过研制卫星频谱监测系统，能够为各类通信、广播和数据中继卫星提供一种长期运行的监测手段，提升对转发器的监测能力、异常信号的检测和识别能力、频谱认知和资源调度能力，能够保存卫星转发器的长期运行状态数据，在发生系统/网系/用户间干扰或资源调配不合理造成部分系统/网系/用户不能正常工作时，能够提供必要的历史数据和统计结果，以便分析原因、区分责任、排除问题。

2.2解决方案

为确保卫星频谱监测系统的时效性和准确性，提高网络运行管理水平，利用多台频谱监测设备协同工作形成一个系统，而不是每一台频谱监测设备独立工作来解决卫星频谱监测问题，是一种较好的解决方案。

卫星频谱监测系统由一个频谱监测管理中心和分布在各地的多台频谱监测设备组成，如图1所示。其中，部分频谱监测设备与频谱监测管理中心共同设置在中心站，而其他频谱监测设备配置在外地，以完成中心站不可视的卫星或点波束的频谱监测任务。

当监测的网络规模较小时，使用一台频谱监测设备及配套软件也可组成一个小规模的监测系统。这种情况下，频谱监测设备将提供友善的操作界面，接受操作员的监测请求，反馈监测结果，进行干扰告警。

图1 卫星频谱监测系统组成示意图

频谱监测管理中心是卫星频谱监测系统的管理控制中心，负责管理各个频谱监测设备，生成和管理系统的监视计划并下发到各个频谱监测设备，对接收到的来自各个频谱监测设备的监视数据进行综合分析，反馈监测结果并提供恶意干扰告警。频谱监测管理中心采用客户机-服务器模式，由应用服务器和管理操作终端组成，分别运行转发器监视的数据库、服务端程序和客户端程序。

频谱监测设备是实际完成卫星频谱监测任务的设备，接受频谱监测管理中心的监测调度，完成对指定卫星、波束、转发器和载波频谱的监测，识别信号参数，分析转发器受干扰情况，向频谱监测管理中心上报监测结果。

3　技术方案

3.1频谱监测管理中心设计方案

频谱监测管理中心是运行在通用计算机平台上的软件系统，该软件系统采用客户机、中间层和数据库的三层体系构架，它是在传统二层结构（客户机/服务器结构）的基础上增加了应用服务器，将应用逻辑单独进行处理，从而使得用户界面与应用逻辑位于不同的平台上，两者之间的通信协议由系统自行定义。其中，客户机（用户界面）提供用户与系统的友好访问；中间层是应用服务器，完成业务逻辑的实现；数据库负责数据信息的存储、访问及其优化。通过这样的结构设计，使得业务逻辑能被所有用户共享，并降低了客户机的负担。频谱监测管理中心功能模块组成见图2。

3.2频谱监测设备设计方案

频谱监测设备基于CPCI体系构架，由前面板组件、后面板组件、箱体和CPCI板卡组件（各功能板卡、背板以及电源模块）组成。设备采用模块化设计，分为控制单元、监测单元和通道单元三大部分，分别完成设备的控制管理、信号的实时处理分析及变频滤波放大等功能。频谱监测设备模块组成见图3。

一台完整的频谱监测设备包含一个控制单元和最多两个监测单元和通道单元（监测单元与通道单元成对配置）。其中，控制单元通过主控板来实现，采用6U CPCI标准X86体系构架；监测单元通过信号板来实现，完成链路信号的接收与处理，采用FPGA+DSP的硬件体系架构，其实现框图如图4所示；通道单元完成对接收信号的下变频、滤波和放大。

3.3频谱监测关键算法

3.3.1 数据平滑算法

图2 频谱监测管理中心功能模块组成图

图3 频谱监测设备模块组成图

图4 信号板硬件实现框图

数据平滑的目的是消除测量噪声，以得到精确的模型和较好的特征提取效果。常用的平滑算法有最小二乘法，N点平滑滤波法，自适应N点平滑滤波法等。这里选用自适应N点平滑滤波法来消除测量噪声，该方法考虑了相邻各点相对于当前位置的作用大小，采用加权的方法求各点处的平均值，权值由加权函数h(n)决定。自适应N点加权平滑滤波公式为

3.3.2 宽带自适应扫描法

由于监测带宽比较大（最大可达数百MHz），大小信号并存，并且对信号分析的实时性要求较高，为解决分辨率与分析时间之间的矛盾，提出了一种宽带自适应扫描算法。其基本思想是，首先使用一个较大分辨率带宽对信号频谱进行粗扫，获取信号的总体“轮廓”特征，根据其总体“轮廓”特征，将整个需要扫描的频带分割成几个相对独立的“群”。对于每个“群”，分析其特征，采用适当的分辨率带宽与视频带宽对其进行细扫，将当前群划分为更小的“群”，依此类推，最终分析清楚每一个信号。对于每一个信号，根据其信号特征，分析其是否被干扰。使用这种方法，可以在不损失被监测信号分析精度的条件下，较为快速地完成宽频带范围内（一个转发器内）的信号分析。

3.3.3 逐层遍历算法

使用宽带自适应扫频算法，需对信号进行分群。首先对整个扫描带宽内的信号进行初始分群，然后对每一个子群再进行细分，直到分出每一个单路信号。对每一个子群的遍历可以采用逐层遍历法。在逐层遍历过程中，按从顶层到底层的次序访问树中元素，在同一层中，从左到右进行访问，直到遍历完每一个子群。

3.3.4 异常信号检测

异常信号是指干扰信号和不按规定使用的用户信号。干扰主要包括无意干扰和恶意干扰。无意干扰是指卫星终端用户因为操作不正确或设备故障而对卫星造成的干扰，这种干扰的限度往往非常有限，但因为干扰效果并不是非常明显，往往比较难于发现。恶意干扰是指敌方为中断卫星通信而进行的干扰，这种干扰的特点是干扰强度大，影响的频带范围较宽，干扰效果非常明显。这里给出几种基于频域分析的异常检测方法。

（1）异常强信号检测。这类信号的特点是频带宽、强度强，如宽带阻塞式干扰、宽带脉冲干扰和扫频干扰等。通过设定转发器信号的判决电平上限和带宽上限，当超过上限时，结合该转发器历史信息，就可判定是否存在异常强信号。

（2）包络对称性检测。卫星通信信号一般是以中心载频为对称轴的“对称”信号。通过计算“左半谱”和“右半谱”的相关度，就可准确描述信号的对称程度。当合法信号与非法信号叠加后（合法信号与非法信号中心频率不重叠，且分辨率带宽足够小），频谱信号的对称性将被打破，突出表现为“左半谱”和“右半谱”的相关度明显降低。

（3）电平变化检测。电平变化检测主要针对当干扰信号与原始信号谱形完全相同时的干扰检测。这种情况下信号谱形不会发生太大变化，但信号电平将明显升高，通过检测信号电平并结合历史数据库的统计信息，可以判定是否发生异常。当信号电平受外界因素影响较大时，这种分析方法不够准确。

（4）统计检测。利用历史频带统计信息对非法信号进行检测，这种方法主要适用于已知信号的情况，或假定转发器上的业务固定。统计检测主要用于配合其他检测手段检测异常信号。

4　系统功能及技术指标

目前，卫星频谱监测系统已经实现了如下主要功能：

⊙ 指定监视频段内信号的接收及转发器频谱图的自动获取。

⊙ 指定监视频段内载波谱形参数（包括中心频率、带宽、信噪比等）的自动识别。

⊙ 指定监视频段内转发器中的干扰检测和告警。

⊙ 接受上级网管系统的管理，上报频谱监测结果。

实现的主要技术指标如下：

⊙ 输入信号频率范围：70MHz±18MHz、140MHz±36 MHz、L波段（950MHz-1450MHz）或S波段（2.2-3.8GHz）。

⊙ 最大监测带宽不小于300MHz，频率分辨能力优于10kHz（54MHz分析带宽）。

⊙ 转发器监测带宽不大于54MHz时，频谱刷新时间小于1秒；当大于54MHz时，刷新时间不大于n×1秒，n为指定带宽/54MHz的上取整。

⊙ 能够自动接收指定转发器或指定频段内的信号，实时获取转发器频谱图。

⊙ 能够自动识别指定转发器或指定频段内各载波的中心频率、带宽和载噪比等参数，自动识别时间≤1s。

⊙ 能够自动获取指定转发器或指定频段内各载波的时频图，给出时间、频率和载噪比分析结果。

⊙ 具备检测突发载波载噪比能力，给出其在监测时间内的分布，自动识别同一载波内各突发的最高载噪比，载噪比分析精度优于0.5dB。

⊙ 支持手动监视和根据监视计划自动监视两种工作模式。

⊙ 网管接口：以太网接口，标准TCP/IP协议，自定义应用层协议。

5　应用前景

通过卫星频谱监测系统的研制，完成了对卫星转发器信号的实时监测和自动分析，实现了频谱监测的智能化、自动化和网络化，在通信卫星的资源管理和卫星通信系统的运行控制中具有广泛的应用前景，其应用价值主要有：

⊙ 通过监视卫星转发器的功率和频率使用情况，评估转发器的工作状态和应用效能，为运行管理决策提供依据。

⊙ 自动监测业务载波的关键参数（如频谱、中心频率、带宽、载噪比等），判别它们是否工作在指定范围内。

⊙ 实现各转发器内异常信号的实时检测和自动识别，评估信号的合法性，自动发现异常信号并及时告警，为干扰定位和故障排查提供支持。

⊙ 探测可用的频谱空洞，形成可用的功率/频率资源库，提高卫星转发器资源的利用率。

⊙ 通过对卫星通信系统实施监测，能够及时发现故障和干扰，避免使用有干扰的信道，提高呼叫成功率。

参考文献

[1]李勇，张艳娥，孙谦．一种卫星频谱监测系统设计方案及实现，空间电子技术，2006

[2]胡洪坡．卫星通信干扰检测技术研究．硕士学位论文，解放军理工大学，2007.06

[3]王泷．卫星通信信号认知技术研究．硕士学位论文，解放军理工大学，2011.06

[4]马兆宇．卫星通信信号调制识别技术研究与实现．硕士学位论文，解放军理工大学，2014.06

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Design and Implementation of the Satellite Spectrum Monitoring System

Zhang Youzhi1,Ding Qiao3,Zuo Peng2,Zhang Gengxin3
(1.PLA Navy Ministry of Information,Beijing,100841;2.Military Representative Office at Factory 714,the General Staff of the Ministry of Information,Nanjing,210007;3.PLA University of Science and Technology,Nanjing,210007)

Abstract:On the basis of analyzing the necessity of building satellite spectrum monitoring system(SSMS),the designing purpose and solution of the SSMS was introduced,the main spectrum monitoring algorithms and the designing schemes of the spectrum monitoring management center and the spectrum monitoring equipment was given,and the function,qualification and application of SSMS was analyzed finally.

Keywords:Satellite Communication;Spectrum Monitoring;Automatic Recognition of Carrier parameters;Anomaly Detection

作者简介：张有志，海军司令部信息化部科研办工程师，主要从事卫星通信方面的工作。丁峤，解放军理工大学通信工程学院学生。左鹏，总参信息化部驻714厂军代室高级工程师，主要从事卫星通信、短波通信方面的工作。张更新，解放军理工大学通信工程学院教授，主要从事卫星通信、深空通信和卫星导航方面的工作。

中图分类号：TN927+.2，TN97文献标示码：A文章编码：1672-7274（2016）03-0001-05

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.03.001