文 | 国家无线电监测中心福建监测站 叶淋美 林于新

　　摘要: 近年来，随着非静止轨道卫星的迅速发展，卫星带宽需求激增，造成卫星频率资源使用越发紧张，使得卫星使用频率向更高频段扩展，高频段卫星的频率使用监管产生了新的监测需求。本文围绕Ka 频段卫星终端工作特性提出几点思考，为卫星频率监测新要求提供参考。

　　关键词：卫星终端 Ka 频段 卫星监测

　　0 引言

　　近年来全球互联网通信星座建设加速，部分星座规模巨大，且个别卫星网络已率先投入运营，我国低轨星座建设也正加快追赶步伐。与传统卫星网络相比，低轨通信卫星星座具有如下新特征：星座规模巨大，实现全球覆盖，通信容量大，星间通信采用新技术等。

　　维护好空间网络信息安全需要全面加强对卫星网络的使用管理。无线电监测是实施科学监管的重要技术手段，根据卫星运行的物理特点，可以从卫星网络的地面端和空间卫星端两方面入手。本文重点讨论对卫星终端的监测，在此方面，与传统卫星终端监测工作相比，应更加关注卫星系统新特征带来的卫星信号辐射特征变化，考虑如何应对终端载波功率小、频段高、通信波束窄、卫星切换频繁等带来的影响。

　　Ka 频段是现阶段新进入卫星的常用频段，本文将以Ka 频段卫星终端频率监测为主要工作展开讨论。

    1 Ka 频段卫星终端特征

　　用户链路使用Ka 频段的典型卫星系统有我国的中星16 号卫星系统^[1]和美国的O3b 星座系统^[2]。中星16 号卫星为静止轨道卫星系统，O3b 星座系统为非静止轨道卫星系统。

　　1.1 静止轨道卫星及其终端

　　我国自主研发的第一颗Ka 频段宽带卫星“中星16 号”于2017 年4 月成功发射，2018 年1 月正式投入使用。该卫星提供20Gbps 的容量，是传统卫星容量的10 倍。卫星设计了26 个用户点波束和3 个馈电波束，覆盖中国中部、中西部、东部、南部、拉萨地区及中国近海地区，服务于远程教育、医疗、互联网接入、机载和船舶通信、应急通信等领域。

　　中星16 号卫星系统终端站根据使用需求和场景，可分为普通型、企业型、移动型（车载、船载、机载等）。用户有多样化的终端支持口径（0.6-1.8m），卫星Modem 分为一体化终端、家庭型、小企业型和干线型，单个终端下载速率为60-150Mbps，回传速率最高可达12Mbps。

　　静止轨道卫星终端与卫星建立通信时，天线波束寻星成功后天线方位不再变动。即卫星终端进行数据传输前，天线伺服系统（或人工）需根据终端和卫星的准确经纬度测算终端与通信卫星的三维空间方位和俯仰的大致角度，用于终端天线进行信标信号搜索，搜索电平达到预设值后进入天线微调，信标电平达到预设阈值完成天线对星操作。

　　上述卫星终端天线进行信标搜索过程称为天线寻星。卫星终端对星完成后，若无外力因素作用，其天线将固定不动。天线主波束状态（方位角、俯仰角）由终端所处的位置决定，不同位置（用经纬度表示）的终端，天线对星朝向不同。图 1 揭示了中星16 号卫星终端随覆盖区域内的所处位置不同时天线仰角和方位角的变化趋势。

　　图 1 中星16 号卫星终端位置与对星仰角和方位角对应关系

　　1.2 非静止轨道卫星及其终端

　　O3b 星座圆形轨道距离地球赤道约8062km，目前星座在轨的20 颗卫星中有3 颗卫星已停止使用，第一代O3b 卫星拥有12 个可操纵天线，可以将600km 直径的点波束聚集在地球南北纬45°之间。其中两个可控波束专用于网关站点，另外 10 个波束用于用户通信。每个用户波束都在 Ka 频段运行，可用带宽为 216MHz。第二代（后4 颗）O3b 卫星拥有灵活的波束成形能力，性能与第一代卫星相比有所提高（见图2）。

　　图2 O3b 卫星系统通信覆盖

　　O3b 系统支持两种类型的服务：高速 IP 中继（Tier1）和低速远程站点访问（Tier2）。Tier1 服务主要用于高速访问核心互联网交换点，使用ViaSat 研发的高速调制解调器提供专用的点对点链路，数据传输速率从155Mbps 开始，最高数据传输速率为600-800Mbps。

　　Tier2 提供较低传输速率的服务，用于 2G/3G/4G 移动或WiMAX、商业互联网、VPN 服务的远程回传，以及对政府设施、学校、图书馆和医疗中心的访问。Tier2 服务将配置为点对多点网络，并以1-50Mbps 的数据传输速率运行。卫星终端的通信能力取决于天线口径尺寸、功率放大器的功率以及所部署的调制解调器类型。

　　O3b 卫星位于赤道平面，可满足南北纬约53°区域以内的通信需求。O3b 卫星波束可转动角度为±26°，双天线切星周期为20-40 分钟。如图 3 所示，O3b 卫星终端仰角与所处位置纬度存在对应关系。可以看出终端所处纬度越高，终端仰角越小，同时其通信链路质量将变差，数据传输能力减弱。

　　此外，O3b 卫星终端进行卫星跟踪工作时，不同纬度终端天线的跟星转速也有所差异，图 5 估计了终端所处位置纬度为0 至53°（图中曲线从上到下依次排列）的天线实时转速。

　　2 卫星终端监测问题分析

　　卫星终端无线电监测关注的主要问题是终端信号监测能力和效率。针对高频段卫星监测，提高微弱信号的监测能力是需要首先解决的问题，可以通过加强卫星监测设施建设、优化卫星监测方法等途径来实现。

　　图 3 终端所处位置纬度与天线仰角的关系

　　图 4 不同03b 终端纬度天线跟星转速估计（单位：° /min）

　　高频段卫星终端监测的实质是微弱信号的监测，提高微弱信号的监测能力是解决高频段卫星终端监测问题的关键。卫星终端在通信工作中其天线为定向波束，波束中心始终对准通信卫星以获得最大天线增益，达到最佳系统性能。Ka 频段卫星终端天线工作特点表明，波束中心方向与地平面形成偏轴角度，波束越窄时在地面开展卫星终端监测发现主瓣信号的概率越小。相对于波束中心信号强度，旁瓣信号十分微弱。随着卫星技术的发展，卫星终端产品设计功耗越小，通过信号监测查找卫星终端的难度就越高。

　　2.1 扩展高频段监测设施建设

　　高性能监测设备是监测工作顺利开展的有效保证，卫星监测设施建设情况决定了卫星监测新业务工作开展的顺利程度。卫星终端小型化加大了无线电监测的难度，需从提高卫星监测设备性能上下功夫。通过扩展监测频段、使用新型监测系统、监测系统配件升级等，使监测设备性能与新需求相匹配。

　　2.2 研究提高卫星终端监测效率的方法

　　卫星新技术应用使卫星信号空间辐射特征愈加复杂，各卫星系统的卫星终端工作方式有所差别，卫星通信的空间辐射特征也会发生变化。针对不同系统信号辐射特点，需要研究适用的监测方法适应不同卫星监测需求，从而提高解决实际问题的效率，这是卫星监测技术研究的新内容。

　　3 结束语

　　卫星终端监测是卫星监测工作的重要内容之一，本文围绕Ka 频段卫星终端工作特点进行分析，提出了若干卫星监测工作建议，供读者参考。

　　参考文献：

　　[1] http://www.chinasatcom.com/n782704/c1657518/content.html，中国卫通- 中星16 号

　　[2] https://en.jinzhao.wiki/wiki/O3b，维基百科-O3b