利用极轨卫星接收天线定位电磁干扰源

张 宝

（国家卫星气象中心北京气象卫星地面站，北京 100094）

0 引言

通信技术的飞速发展和广泛应用，在给人们的工作生活带来巨大便利的同时，也使得地面电磁环境越来越复杂。对于卫星数据接收站来说，电磁环境的好坏直接影响卫星资料接收的成功与否。

北京地面站[1]（简称地面站）近年来一直受到周边电磁环境的影响。地面站接收的数据资料以L、X 波段的数据为主[2]，由于周边电磁环境的影响，常常造成卫星云图误码率高等问题。

解决电磁干扰问题首先需要定位干扰源。通常的做法是向当地无线电管理委员会提交申诉[3]，并由其对周边的电磁干扰源进行分析、排查[4]。地面站只能凭借对周边环境的了解以及多年的工作经验，猜测干扰源的位置。由于缺少周边电磁环境的准确资料，结果的准确性可想而知。

该文主要讨论利用地面站风云三号数据接收系统中现有的天线、信道以及测量设备对干扰信号进行捕获、分析，采用多站测向原理对干扰源进行定位。

1 风云三号数据接收系统概述

风云三号地面数据接收系统十分复杂，其主要分系统组成如图1 所示。

图1 风云三号数据接收系统主要分系统组成

其核心部分站运行管理分系统中记录并存储了大量数据接收期间天线的测角数据、信道系统性能指标和数据接收质量报告等文件，并采用安捷伦N9020A 频谱分析仪实时记录带宽内信号的频谱信息。

天线伺服及馈源分系统使用标准型卡氏双反射面天线，天线口径12 m，采用方位、俯仰和倾斜转台三轴式天线座。运动范围方位±350°，俯仰0°～180°，倾斜转台±170°，从而实现全方位俯仰5°以上信号全覆盖接收。由馈源、馈线、低噪声放大器（LNA）、跟踪下变频器和跟踪接收机等主要设备组成射频信号接收系统，接收卫星下发的X 波段和L 波段信号，对其进行低噪声放大后，传输给跟踪设备和信道系统。L 波段接收频率范围1 698 MHz～1 710 MHz，X 波段接收频率范围7 500 MHz～8 500 MHz。跟踪精度0.1 倍的半功率波束宽度，多普勒品议±250 KHz 内，捕获时间小于1 s。

2 电磁干扰分类

空间电磁环境是由在空间中电磁波、电磁场之间的电磁感应、干扰等现象共同构成的。按照不同的来源可以大致分为自然环境因素和人为环境因素[5]。地面站在选址时已经对自然环境进行了充分的考虑，但是随着周边的建设发展，人为环境因素成为影响电磁环境的主导因素[6]。

人为环境因素主要包括4 个方面。1）来自雷达系统的干扰信号。2）来自调频广播、电视、导航、无线电台站等电磁发射系统的中波和短波信号。3）来自移动通信的谐波发射干扰信号。4）来自工业、科学、医疗、商业领域的电磁辐射信号等。

3 测向定位技术原理

测向定位技术主要检测干扰源到达测试点的方位角度，通过多个测试点检测的数据，利用干扰源和测试点之间的几何关系，通过数学运算确定干扰源的位置。主要采用多站测向定位的方式来获取干扰源的位置。

在平面直角坐标系中，假设干扰源所在位置坐标为T（x，y），测试点的坐标C1（x1，y1）和C2（x2，y2）。测试点与干扰源所在位置夹角分别为θ1和θ2。沿这2 个方位角分别做射线，其交点即为干扰源所在位置。其示意图如图2 所示。

根据测试站与干扰源位置之间的几何关系，利用解析几何的计算方法，可以得出干扰源位置坐标D（x，y）：

在实际的交汇定位计算中，由于测向误差，两站交汇定位的方式往往受到很大影响，因此，在实际中经常采用三站甚至三站以上的测试站进行交汇定位。多站交汇定位示意图如图3 所示。

图2 干扰源位置示意图

图3 三站交汇定位示意图

根据示向线与干扰源的位置关系，计算可以的到干扰源位置坐标。

4 测试条件及方法

主要测试设备包括天线、电缆、低噪声放大器、频谱仪等，所有设备性能指标满足测试需求。测向天线所在位置地势平坦，周边无遮挡。使用差分GPS 进行寻北，标记为天线0°方位。所有设备开机预热，设置频谱分析仪参数。将天线方位、俯仰角度置于0°位置，根据运行管理系统提供的数据，大致划分出干扰信号所在区间，在此区间范围内顺时针缓慢匀速改变方位角度，搜索干扰信号。当出现干扰信号时，停止转动，结合业务运行中记录的干扰频谱特性判断信号的真实性。对于微小信号可以采用在低噪声放大器前端加10 dB 衰减器。当频谱仪记录的干扰达到最大值时，记录天线方位角度。根据测试数据，在地图中画出测试点到干扰源之间的线段。另选2 处测试点进行测量，根据多站交汇定位原理，假设不存在测向误差，那么3 条线段将会交汇于1 点，该位置即为干扰源所在位置。

5 误差分析

在测向过程中，示向线与实际干扰位置方位角度之差称为测向误差。在不同的测试设备、不同的测试时间和测试地点条件下，得到的测向结果也有可能不同，其准确度涉及电离层变化等外部因素及测向设备本身的因素。

在误差数据的干扰下，实际测量结果所指示的干扰源方向并不是一条射线，而是以测向站为顶点辐射的扇形区域。因此，在三站交汇测向的情况下，3 个测向扇形区域相交形成一个交汇区域，即为干扰源所在的目标区间。

在测试设备性能一致、测试时间及测试站周边电磁环境大致相同的情况下，通过多次测量取得平均值的方式，可以近似的认为三站测向的误差一致，则将干扰源目标区间的内心（该点到各边的距离相等）作为目标干扰源坐标位置的估计值是合理的。

6 结论

在电磁环境越来越恶劣的情况下，快速排除干扰，定位干扰源，能够为后续改善电磁环境打下良好的基础。北京站极轨卫星系统天线指向精度高，架设高度满足测向要求，系统测试灵敏度高，覆盖范围大，配合调度系统在实际运行中积攒的大量数据，能够快速有效捕获干扰信号，确定干扰源所在方位值，利用多站交汇测向原理，在地图中准确标定干扰源的可能位置。该方法在实际干扰源查找工作中效果显著，在减少人员的工作量和人为误差的同时，增加了测试的准确性和可靠性。