USAT动中通系统邻星干扰分析与对策探讨

魏晓辉，张　健，钟旭东

(1.解放军理工大学 通信工程学院研究生3队，江苏 南京 210007；2.中国电子装备系统工程公司，北京100141；3.解放军理工大学 通信工程学院研究生3队，江苏 南京 210007)



USAT动中通系统邻星干扰分析与对策探讨

魏晓辉1，张健2，钟旭东3

(1.解放军理工大学 通信工程学院研究生3队，江苏 南京 210007；2.中国电子装备系统工程公司，北京100141；3.解放军理工大学 通信工程学院研究生3队，江苏 南京 210007)

近年来，空间通信卫星数量快速增长，由于卫星通信系统工作频率有限，因此当两个覆盖区有重叠的通信卫星轨道间隔较近时，区域内同频率的超小口径天线终端(Ultra Small Aperture Terminal，USAT)动中通系统之间将会产生邻星干扰。结合USAT与静止卫星单邻星干扰模型，详细阐述了邻星干扰成因，推导了卫星轨位间隔与静止卫星单邻星干扰容限的关系；同时研究了邻星干扰下的链路载干噪比门限备余量设计问题。最后基于数值仿真结果，分析了轨位间隔、干扰终端发射功率及终端天线口径对邻星干扰容限的影响，提出了几种有效的邻星干扰对策。

超小口径天线终端；动中通；邻星干扰；静止卫星

0　引　言

USAT动中通系统是一种车载(或机载、船载)卫星通信系统，主要是由卫星天线，以及卫星跟踪与稳定子系统、卫星信道设备、应用终端等组成。其天线口径一般在1.2m以下，甚至0.5m以下。设备体积小，机动灵活，通信带宽大，与平台共形效果好，能够在移动中与卫星建立并保持通信能力，可传输图像、语音、数据等多种业务，满足军事移动平台和突发事件现场的指挥通信。由于自身优良的实用性能，USAT动中通系统在近年来得到了迅猛的发展，广泛应用于军用与民用的各种领域，数量与规模快速增长。

邻星干扰是指两个通信卫星轨道较近、使用频率相同、且对地覆盖区重叠时，卫星通信系统之间发生相互干扰而降低通信性能的现象，此时两个卫星与同一地球站的链接夹角较小。由于USAT系统卫星天线口径较小，其天线旁瓣增益较大，大量的用户终端使系统间的邻星干扰发生概率大大增加，干扰导致通信链路的性能恶化[1]。此外，目前在轨同步通信卫星的数量日益增加，由于静止轨位空间非常拥挤，频率资源短缺，也令邻星干扰问题日趋严重和复杂，造成通信系统性能恶化甚至通信中断。因此，邻星干扰问题一直是卫星通信领域的研究热点。文献[2]在考虑雨衰影响下对邻星干扰产生的系统中断性能进行了统计分析。文献[3]研究了TDMA卫星通信系统产生的邻星干扰对动中通移动站通信性能的影响。文献[4]推导了邻星干扰情况下通信链路的误码率性能与有用信号信噪比、干扰信号信噪比、链路夹角和系统中断率的关系。

为保证空间各卫星网络兼容运行，国际电信联盟(ITU)针对邻星干扰问题提出了多个建议，我国无线电管理部门对卫星“动中通”地球站提出了相关要求，通信卫星运营商也对入网地球站有严格的要求，为满足ITU和通信卫星运营商的要求，卫星通信应用系统研制部门从通信体制设计到地球站制造与应用开展了技术方面的攻关。本文基于USAT卫星通信现状，首先详细阐述了USAT静止卫星单邻星干扰模型的干扰样式与干扰成因，然后基于地球与静止卫星间的几何关系得到卫星轨位间隔与链路夹角的关系，推导得出静止卫星单邻星干扰容限，同时研究了邻星干扰对链路余量的影响。最后基于数值仿真分析结果，分析了轨位间隔、干扰终端发射功率及终端天线口径对邻星干扰容限的影响，提出了相应的邻星干扰对策。

1　USAT邻星干扰模型与成因分析

当两颗卫星的通信链路夹角过小时，一个卫星系统地球站天线上行发射的主瓣或旁瓣信号将对另一个通信卫星链路产生干扰，引起其通信系统整体性能恶化；同样，地球站天线波束较宽时也会收到临星的同频下行信号，导致地球站接收性能恶化。随着地球空间同步轨位日益拥挤，邻星干扰现象亦日益增长，其干扰状况愈显复杂。某个卫星通信系统在受到多个邻星通信系统干扰的同时，亦可能对多个邻星系统造成干扰。而目前在轨卫星的数量与种类繁多，包含了低轨道、中轨道及地球同步卫星通信系统等，且系统间工作频段、卫星通信覆盖区域重叠度高，干扰状况极为复杂。为简化分析，本文以USAT静止卫星单邻星干扰模型为基础，对邻星干扰的成因进行分析。

如图1所示，本星A与USAT动中通终端Ua为被干扰对象，干扰邻星B与USAT动中通终端Ub为干扰信号源，Ua、Ub终端位置处于本星A与干扰邻星B的波束重叠覆盖区内。本星A的正常通信过程受到了来自干扰终端Ub的上行干扰信号，且本星USAT动中通终端Ua受到了来自邻星B的下行干扰信号，θ为进入终端Ua的两条卫星链路的夹角(单位为度)。考虑简单的情况，即当天线直径大于电波波长的100倍时，且θ值位1至7度时，邻星下行干扰对本星USAT终端的干扰增益[5]为：

G=29-25logθ(dBi)

(1)

可以看出，当夹角θ值较小时，干扰增益较大，将对重叠覆盖区内的其他通信系统造成严重干扰。

图1　USAT静止卫星单邻星干扰模型

此外，由面天线理论易知，USAT动中通系统终端天线口径较小，导致辐射能量严重分散，其主波瓣宽度大，且旁瓣较高。工程计算上常用主波瓣增益下降一半的角度φ3dB来表示天线的波束宽度，即：

(2)

式中，λ为通信信号波长，D为天线口径。

下面以USAT系统常用的C、Ku及Ka波段频率，对天线波束宽度与天线口径的关系进行仿真分析。图2为波束宽度随天线口径变化仿真结果，图中仿真的各波段频率分别为5 GHz、13 GHz、25 GHz。结果表明，波束宽度随着天线口径的减小迅速增加，进而导致邻星干扰信号容易进入USAT终端主波瓣形成下行干扰，同时USAT终端天线偏轴增益变大，当天线跟踪误差较大时易对其他系统造成较为严重的上行干扰。

2　邻星干扰分析

2.1静止卫星单邻星干扰容限

若令图1所示干扰模型中的本星A与干扰邻星B相距距离为d,USAT动中通终端Ua到本星A的距离为dA,到干扰邻星的距离为dB；本星A与干扰邻星B到地心的距离为r,二者与地心连线的夹角，也即轨位间隔为δ；由地球与静止卫星之间的几何关系容易推导出如下方程：

(3)

可以解得：

(4)

实际工程上估算时，常取θ≈1.1δ[6]。

为了有效限制系统间干扰，国际电联等组织对地面天线口径与辐射方向实施了严格的限制规则。FCC、OSTR83.2具有较为苛刻的要求，相对峰值归一化(1或0 dB)的旁瓣包络电平(单位dBi)应该不超过下式规定：

(5)

由图1所示干扰模型，干扰终端Ub对本星A的上行干扰功率Iu可表示为：

(6)

(7)

式中，EIRPUa即为终端Ua对本星A的有效全向辐射功率，GUa为本星A在终端Ua方向的卫星天线增益。

(8)

综上可得上行链路的载干比为(以分贝计算)：

(9)

(10)

因此，可以得到干扰邻星B的通信系统引起的总载干比为：

(11)

在实际的邻星干扰分析中，若已知卫星轨位间隔、干扰终端的天线增益等诸多参数时，可用式(10)作简要估计，以量化载干比恶化程度，确定邻星干扰容限，保证链路通信质量。

2.2邻星干扰下的链路载干噪比门限备余量选择

(12)

(13)

联合式(12)与式(13)可得出邻星干扰项与门限备余量关系式如下：

(14)

若链路载干噪比门限备余量ML较小，则通信系统性能将不够稳定；反之过高时，则将增加系统额外的工程设备成本，造成资源浪费。因此，考虑邻星干扰项对门限备余量的影响，对于实际工程设计具有重要意义。

3　数值仿真与邻星干扰对策

图3　总载干比受轴向EIRP的影响结果

图4为总载干比随系统终端天线口径变化的结果，其中终端Ua在本星A方向的接收天线增益GAa选择42 dB(天线口径0.9 m)、30 dB(天线口径0.5 m)。由结果可以看出，当轨位间隔2度时，0.9 m、0.5 m天线分别达到的系统总载干比为14.5 dB、12 dB，大天线终端的载干比提高了约2.5 dB。因此在考虑固定邻星干扰时，USAT可以合理采用更大的天线口径以降低邻星干扰造成的不良影响。而且在一定意义上，USAT动中通系统亦应限制用户终端天线的最小口径，避免口径过小造成的通信干扰或中断。

图4　总载干比随终端天线口径变化的结果

图5　链路载干噪比门限备余量仿真曲线

4　结　语

结合USAT系统通信实际，本文从静止卫星单邻星干扰模型的角度分析了邻星干扰对系统性能的影响，并分析了能够有效对抗邻星干扰的对策，对于USAT动中通系统通信链路的合理设计，保证系统良好的通信性能具有重要的实用意义。但随着卫星通信技术的发展与USAT动中通系统的广泛应用，系统通信所处的电磁环境将更趋复杂化，干扰源种类与样式更趋多样化。例如，USAT通信系统可能面临静止卫星多邻星干扰、运动卫星邻星干扰、多轨道卫星复合干扰等诸多干扰状况。下一步，我们将对这些情况进行深入的研究。

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魏晓辉(1989—)，男，硕士研究生，主要研究方向为天基信息系统；

张健(1964—)，男，研究员，博士，主要研究方向为卫星通信；

钟旭东(1991—) ，男，硕士研究生，主要研究方向为卫星通信。

Analysis and Countermeasures ofAdjacent Satellite Interference in USAT Satcom on Move

WEI Xiao-hui1, ZHANG Jian2, ZHONG Xu-dong1

(1.Postgraduate Team 3,ICE,PLA University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu 210007,China;2.Electronics Technology Group Equipment System Engineering Company, Beijing 100141,China)

In recent years, the number of space communication satellites increases rapidly, and however, due to the limited working frequency of satellite communication system, USAT (Ultra Small Aperture Terminal) in the same domain with the same frequency would generate adjacent-satellite interference when there exists a close interval of between the satellite orbits in two coverage areas . The cause of adjacent satellite interference is described in combination of USAT with single satellite adjacent satellite interference model, and the relation of satellite orbit interval and geostationary single satellite adjacent satellite interference tolerance also deduced. Meanwhile, the design of the link load interference noise ratio threshold in the condition of the adjacent satellite interference is studied. Finally, based on the results of numerical simulation, the influence of orbit space, transmission power and terminal antenna aperture on the interference tolerance is discussed,and several effective countermeasures of adjacent satellite interference also presented.

USAT; satcom on move; adjacent satellite interference; geostationary satellite

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.03.010

2015-10-01；

2016-01-18Received date:2015-10-01；Revised date：2016-01-18

TN927.23

A

1002-0802(2016)03-0301-05