文 | 国家无线电监测中心福建监测站 林于新 叶淋美 刘海洋

       摘要：卫星互联网快速发展落地的同时也给我国信息安全带来一定隐忧，空中监测平台以其灵活高效的特点可作为查找卫星互联网地面终端的重要手段。本文通过分析Ka频段卫星互联网终端发射参数特性，结合传播环境、气象条件及实践过程中遇到的问题，对空中监测平台查找Ka频段卫星互联网终端影响因素进行研究，对空中监测平台在查找Ka频段卫星终端的实践提出了相关建议。

       关键词： 空中监测平台 Ka 频段卫星互联网终端 查找方法 影响因素

       0 引言

       近年来，卫星互联网技术快速发展。在国际上， Starlink、OneWeb等卫星互联网星座逐步成形，投入运营。在卫星互联网快速发展落地的同时，也带来了隐忧。依赖于境外信关站布局和星间链路技术，卫星互联网传输不再受地面建站约束，从而脱离了国家主干网监管，对我国网络信息安全带来了隐患^[1]。

       为确保卫星互联网终端合法合规使用，保障我国网络信息安全，无线电管理部门应当积极探索快速准确定位卫星互联网终端的监测手段。相比传统监测方式，空中监测平台具有移动性强、快速便捷、障碍物影响小等优势，因此其将成为近距离查找卫星互联网终端的主要技术手段。本文重点讨论空中监测平台在查找卫星互联网终端实践过程中应当着重考虑哪些参数，通过参数对比论证为未来具体工作实践提供相关指导。

       1 空中监测平台查找Ka 频段卫星互联网终端影响因素研究

       1.1 Ka 频段卫星互联网终端参数概况

       目前Ka 频段卫星互联网终端主要工作在27.5- 31GHz 频段，既有静止轨道卫星终端也有非静止轨道卫星终端。终端一般由天线、收发信机模块、伺服电机等构成，通过伺服电机调整天线对准卫星从而实现稳定收发通信。其通信接入模式主要包括SCPC和TDMA两种，对于数据流稳定、流量大的终端通常采用SCPC专用频率传输；对于实时突发性强的终端，使用MF-TDMA 灵活配置频率提高无线电频谱效率，二者的具体参数指标如表1所示。

       根据表1可知，Ka 频段卫星终端主要采取SCPC 和MF-TDMA 两种模式，二者在信道速率、调制方式、编码方式、工作模式上有所区别。不同的发射参数可能导致终端的发射功率及覆盖范围有所差异，因此应当对相关参数进行深入分析研究，充分掌握发射参数对终端查找工作带来的影响。除此之外，相比传统卫星终端，Ka 卫星终端工作频段更高，其在不同环境下的电波传播特性是否有所不同，也需要我们重点考虑。

       1.2 终端发射参数影响分析

       （1）终端接入模式的影响：Ka 频段卫星终端两种接入方式的不同点主要体现在频率监测和时域监测。SCPC 方式采用专用信道；而MF-TDMA 方式采用类似“跳频”的技术，单个终端使用多个不同频率子载波，单子载波也采用时分方式。因此对于无线电监测而言，若终端工作于SCPC 模式下，一旦发现信号频率，即可在固定频率上实施单频监测跟踪；若工作在MF-TDMA 模式，则监测难度会大大提高，这就要求我们充分掌握该模式信号的跳频规律，对信号特性进行记录识别，不断提高对跳频信号的监测能力。

       （2）发射信号参数的影响：Ka 频段卫星互联网终端使用的调制方式主要有QPSK、8PSK、16APSK、32ASPK、16QAM 等， 编码方式有LDPC、BCH、TPC、FEC 等。调制阶数更高、更复杂的编码方式可以保障卫星终端与卫星实现良好通信，但其会带来功率效率降低的后果。因此相比简单的调制及编码方式，在同等发射功率下，高阶调制和复杂编码方式覆盖范围更小。再加上Ka 频段卫星终端方向性极强，这就导致其信号更不易被发现。

       高阶调制及复杂编码对于监测的另一个影响，是对信号进行识别解码的难度大大提高。国外星座出于保密及安全考虑，往往不会公布其所使用的具体调制参数或其参数处于动态变化中，导致在监测过程中采取识别信号参数建立特征信号库的难度大大增加。这就要求我们加强对卫星终端信号特点的研究，探索有效可靠的终端信号识别方法。

       1.3 传播环境影响分析

       （1）传播环境影响：未来在卫星互联网应用过程中,Ka频段卫星终端可能位于城市、乡村、城镇等不同环境，不同环境势必会对空中监测平台查找终端产生影响。对于城市环境，高层建筑较多，终端与空中监测平台路径之间更容易被建筑物所遮挡，会导致终端定位的误判。此外， 相比城镇及乡村环境，城市建筑物更高，这就要求空中监测平台飞到更高的高度才能发现卫星终端。但目前许多城市对于无人机的飞行区域和飞行高度有限制，因此实践中还需考虑与相关部门进行协调。而乡村环境，由于其更空旷，因此更有助于空中平台及时发现卫星终端。

       （2）气象条件影响：由于Ka波段的频率较高，在通信过程中，大气层中的水凝物（如雨、云、雾、雪、冰）及大气湍流对信号的影响较为严重，其中以雨衰为典型代表。雨滴直径与波长的比值和雨衰的强弱有可比关系。当电磁波的波长与雨滴的几何尺寸相近时，会引起共振，此时将产生最大的衰减^[2]。实测结果表明雨滴的直径一般小于1cm，而Ka频段上行频率一般在30GHz左右，波长在1cm左右。这个频段的信号波长与雨滴直径相近，所以在频段降雨对电磁波产生的衰减更大，同时大雨和暴雨对电磁波的影响比小雨大得多。因此若在雨势较大的情况下，空中监测平台可能因为雨衰较大而无法接收到终端的信号电平。除此之外，空中监测平台虽然考虑了一定的防水设计，但其仍然无法在风雨较大情况下进行工作。综上所述，应尽量避免在雨势较大情况下升空进行地面终端的查找。

       1.4 曲面玻璃影响分析

       Ka 频段卫星互联网终端工作频率主要是27.5-31GHz，其波长在1cm左右，这就导致其信号在穿过几cm 厚的曲面玻璃过程时，信号方向可能发生变化。在验证Ka 频段终端信号特性的过程中，我们发现Ka 频段终端信号经过曲面玻璃后，其传播方向不再平行于入射方向， 而是呈现一定的角度，如图1所示。

       为探究其机理，我们建立了电磁仿真模型，模拟高频段电磁波入射一定厚度曲面玻璃其方向图的变化情况，仿真模型及结果如图2至图5所示。

       由上述仿真结果可知，当入射同等尺寸曲面玻璃时，随着频率不断提升，其主方向轴上波束逐渐消失， 分化为两个主波束，且频率越高波束越窄、方向性越强。这就导致如上图所示的K a 频段终端信号经过曲面玻璃后，信号电平只能在偏离原有方向一定角度的某个方向测得。本文认为出现上述现象的原因是：在低频段，当曲面玻璃曲度不大时，不同入射点之间距离差相比于波长较小。此时仍可认为电磁波以等相位面入射，因此穿透后曲面入射波方向并不会产生较大偏差。但当电磁波工作在Ka 频段时，cm量级的入射距离差相比于波长（1cm）不可忽略。这意味着不同入射点之间不再是等相位面，当电磁波穿透曲面玻璃后传播方向发生变化且存在相位叠加后波峰波谷的情况时，其方向图就可能不再是既有方向。

       因此，在Ka频段卫星终端查找过程中，应当注意终端位于具有曲面玻璃建筑物的情况。通过充分考虑其电波传播的各种特性，提高查找的准确率。

       2 总结及建议

       空中监测平台以其灵活机动、快速部署、无须寻找制高点的优势，将成为无线电管理部门管控Ka 频段卫星互联网终端的重要手段。但也应注意到，相比传统地面查找方式，利用空中监测平台查找Ka 频段卫星互联网终端， 除了应注意自身供电时间短、飞行控制要求高、飞行协调烦琐的缺点外，还应充分考虑终端发射参数特性、传播环境、天气、曲面玻璃等各种因素的影响，在实践过程中不断总结完善，充分发挥空中监测平台的优势，与传统监测手段优势互补、形成合力。

       参考文献：

       [1] 周钰哲. 卫星互联网无线电安全风险分析及应对措施[J]. 中国无线电,2019(06):62~63

       [2] 张清斌. Ka 频段宽带卫星通信信道雨衰特性的研究[D]. 吉林大学,2014