北斗卫星用户机电磁波干扰解决方案初探

■ 长江水利委员会上游水文局：王敏力 王建

北斗卫星通信技术已经成功广泛应用于各个领域，如军事、农业、水利、防灾救灾等。它的优点是传输距离远，不受天气、地理环境等限制。特别是在水文、气象的远程自动测报方面发挥了不可替代的作用。另一方面，移动通信技术也在飞速发展，各运营商在各大城市的通信基站布设，也带来了干扰卫星信号的问题，包括5G在内的移动通信基站数量越来越多，密度也越来越大。据2021年12月20日召开的全国工业和信息化会议，我国建成开通5G基站超过130万个，5G终端用户达到4.97亿户。另据12月23日，中国信息通信研究院在年度深度观察报告会上，工业和信息化部总工程师韩夏介绍，预计到2022年底，我国5G基站数将超过200万个，5G终端连接数将达到6亿。因此，两者不可避免会出现距离较近的情况。由于卫星的信号强度相对移动通信基站的信号强度要小太多，当移动通讯基站的信号强度超过了一定范围，北斗卫星通信就会受到影响、甚至不能正常工作。这种情况已经在现实中出现。本文根据实际遇到的具体情况，通过试验、测试，确定了基站等干扰信号通过卫星天线、水平方向干扰北斗卫星。采用金属面反射加吸波材料吸收干扰电磁波的原理，在天线帽（一体机）周围安装桶状隔离保护层，实现衰减干扰电磁波，保证北斗卫星正常工作的目的。

1.影响实例

2019年在实际工作中发现，一个有30多个遥测站的中心站，北斗卫星接收数据信号时有时无，时常出现不能接收数据的情况，经重新启动后又能够恢复正常工作。用北斗卫星测试软件测试结果显示是信号强度不够，经过最初判断，首先认为是卫星天线（包括天线帽和馈线）部分存在有故障，随后进行了更换。但当更换了新的天线，并对馈线部分添加了屏蔽外套，经测试问题仍然存在。经过再次分析，又判断在卫星终端机可能存在有故障，随后再次更换了新的终端机，经过测试，信号强度仍然达不到正常标准（如图1），（另，“通道功率电平”在工作中，测试正常数值应为-153~-154dBW[3]以上，即-153~-154dBW[3]、-151~-152dBW[4]、>151dBW[5]），问题始终没能解决。为了确认使用的设备是否有问题，我们把整套卫星通讯设备搬到空旷的地方重新进行了全方位的测试，结果显示信号强度正常（如图2，通道1功率电平：>-151dBW[5]；通道2功率电平：-153~-154dBW[3]），发送和接收数据功能也完全正常。从本次测试可以得出结论，设备完全正常。在确认设备本身没有问题后，再次回到工作现场查找原因，此时才注意到距离卫星天线约80m处有2个新建移动通信基站。

为了确认是否是受移动通信基站的原因，我们联系到移动通讯公司的工作人员。

通过协商，暂时关停附近的基站。随后，在基站没有工作的情况下进行了一系列的测试，结果是信号强度恢复正常，数据发送和接收功能也均恢复正常。因此，最终确定中心站北斗卫星工作不正常的原因为：附近的移动通信基站信号的干扰所致。

图1：中心站测试结果Figure1 :CentralStation TestResults

图2：在附近测试结果Figure2:Nearby testresults

1.1 其它相关的论述

根据工信部发布的2019年1月发布的关于《3000－5000MHz频段第五代移动通信基站与卫星地球站等无线电台（站）干扰协调管理办法》所述的干扰定义是：“一、干扰保护标准”：“根据国际电联ITU-RS.2199-0报告，当卫星地球站接收到的干扰信号总功率超过-60dBm时，将产生饱和干扰，导致卫星地球站无法正常工作。”干扰的范围是：“对于工作在3700－4200MHz频段的卫星地球站，如果卫星地球站已采用滤波和抗饱和措施且指标满足附件4的要求，工作在3400－3600MHz频段内的室外5G基站的协调区可减小为以卫星地球站为中心、半径100米的圆形区域，否则协调区为以卫星地球站为中心、半径2公里的圆形区域”。

从目前已经规划和正式给四大运营商商用的5G信号频率分配来看，中国电信、中国广电、中国联通、中国移动运营商的频率分配如表1-表4、图3所示。

从中可以看到，中国电信、中国联通的工作频率（3300~3400MHz、3400~3600MHz）刚好处于卫星接收频段（3400~4200MHz），且5G信号的强度必然远大于卫星信号。因此，5G信号必定会干扰附近的卫星信号接收。

现在，一个基站上面可能单独存在2G、3G、4G、5G的信号，也可能同时存在。信号源越多、功率越大，因此对北斗卫星用户机的干扰的问题已经是实际存在的。

1.2 干扰的途径、方向

首先来分析卫星终端机，卫星终端机一般放置在室内，多数情况下还是放置在机柜内，而机柜普遍具有屏蔽电磁波的作用，所以可以判定终端机没有受到干扰的条件；其二是天线馈线，馈线较长（1.5米），并且在室外，可能引入干扰，但通过加装屏蔽线的试验，没有受到明显的影响，说明馈线的屏蔽效果很好，没有问题；通过排除，最终确定了电磁波干扰的入口就在天线帽。由于天线必须与天上的卫星之间交换无线电信息，不可能遮挡和屏蔽。因此，确定干扰是由北斗卫星用户机的天线帽引入的。

表1：中国电信标准IMT频率

表2：中国广电标准IMT频率

表3：中国联通标准IMT频率

表4：中国移动标准IMT频率

干扰方向，卫星天线一般的安装位置在地面或者房顶上面，同样移动通信基站同样是在房顶（或山顶上），两者基本上是在水平方向。确定干扰的方向主要来自水平方向。

1.3 解决方案

由于在之前的建设中，移动通信基站与卫星站点的位置没有协调，也没有相关规定并按照执行。因此，现在搬迁基站或北斗卫星用户机使其达到规定的距离要求的方法是不现实的。解决的办法只能在保持现有位置不动的基础上想办法。确定了干扰的来源、路径、方向等问题后，就有解决的具体方案。

图3：四大运营商5G频谱分配情况

通过上面的分析和试验，确定干扰源主要来自水平方向（天线安装在房顶的情况下）。因此，只要在水平和地面方向对干扰电磁波进行良好的屏蔽，只让天空方向的电磁波畅通，北斗卫星用户机就能够正常工作。

具体抗干扰设备的制作方法是：设计一个外层采用光滑的金属面，内层采用优质专业级吸波（包括隔热）材料制作而成的圆柱形桶状屏蔽装置。而且，必须注意的是，屏蔽装置顶部方向一定不能用金属材料遮挡，这是为了保持北斗卫星通信信号正常畅通的必要设计。该抗干扰设备的工作原理为：由于设备外形为一个表面光滑的金属制桶状，在水平方向360度（包括底面方向，兼顾防其它干扰：如大功率WIFI、甚至人为的）干扰。首先，电磁波最先接触到抗干扰设备的表面，被光滑的金属表面反射，衰减了一部分；其次，未反射的电磁波经过吸波材料层吸收；最终，使干扰电磁波最终的衰减能达到20-30db。经多次反复的测试，该抗电磁波干扰设备确实起到了设计的目的，能做到确保北斗卫星用户机的正常工作。

2.结论与展望

在采用上述方案后，前诉中心站北斗卫星数据传输正常，成功的解决了问题。避免了搬迁中心站或移动通信基站。而中心站由于办公楼的范围限制是不可能搬迁的；搬迁两个移动通信基站的成本是非常大的。本方案具有：结构简单、原理清晰，能够全方向360 度抗电磁波干扰、抗干扰频段宽（10M-10GM），抗干扰能力强（达到20-30db的衰减幅度）等优点。既不用搬迁、重建移动通信基站或北斗卫星用户站来解决目前存在由于两者较近有干扰的现实问题；同时也为新的北斗卫星用户站的建设降低了难度；为北斗卫星通信技术在各个领域更好的推广应用提供了一点帮助。

由于目前5G系统已经正式开始运营，随着用户的增多，5G基站的发射功率会不同程度增大。而且随着北斗卫星通信和5G移动通信的普及和飞速发展，今后卫星地球站信号受5G干扰的问题会更加严峻，两者在城镇不可避免存在上述情况，前面所述中心站的问题只是一个代表，在目前，同样的问题早已普遍存在，随着二者在数量上的不断增加，同样的问题会越来越多。卫星地球站应该根据工作中具体存在的情况，系统全面地对现有设施进行评估测试及改造，将5G信号可能带来的干扰降至最低。解决上述问题，特别是对抗洪抢险、防灾救灾有不小的贡献。