Ka频段星间链路干扰强度及可行性分析
韩其位，聂俊伟，刘文祥，王飞雪
(国防科技大学 电子科学与工程学院，湖南 长沙，410073)
摘要：星间链路是通信卫星网络、中继卫星网络的重要组成部分，其面临的干扰主要来自地面，因此，星间链路需要能够避免来自地面的有意或无意干扰，从而能够保证整个卫星系统的稳健运行。从目前研究现状来看：Ka频段可作为下一代星间链路重要的可选频段之一。传统观点认为Ka频段由于频点高，空间损耗大，穿透大气层时衰减严重，因此，地面上的Ka频段信号对星间链路几乎没有干扰。本研究从干扰源所处位置、干扰类型等方面分析了星间链路可能受干扰的各种情况，并在大功率干扰源性能及发展趋势调研基础上，定量研究对星间链路实施干扰的可行性，指出Ka频段星间链路依然可能受到地面干扰的威胁，并分析强对抗情况下星间链路可能面临的抗干扰指标需求。相关研究成果对于星间链路的研制建设具有一定参考意义。
关键词：卫星网络；星间链路；干扰模式；干扰可行性
中图分类号：TN927+.2 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2014)03-0769-05
Analysis of interference intension and feasibility for Ka-band inter-satellite links
HAN Qiwei, NIE Junwei, LIU Wenxiang, WANG Feixue
(School of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)
Abstract: The inter-satellite links (ISLs) are important parts of the communications satellite system and relay satellite system. Interference faced by the ISLs comes mainly from ground. Therefore, the ISLs need to be able to avoid intentional or unintentional interference from the ground, to be able to ensure the sound operation of the whole system. Ka-band is one of the most important available bands for the constructions of the next generation ISLs. The traditional view is that the Ka-band signals have large space propagation loss due to their relatively high frequency, and attenuate severely when penetrating the atmosphere, therefore, it is almost impossible for the ISLs to be affected by Ka-band interference from ground. From the aspect of location and types of the interference source, the various situations were analysed in which the ISLs may be subjected to interference. Based on the research of performance of high power transmitters, the feasibility of interference toward Ka band ISLs was quantitatively analyzed. Anti-jamming ability needed for the ISLs in the cases of strong confrontation was analyzed. The research achievements are important for development and construction of the ISLs.
Key words: satellite system; inter-satellite links; interference pattern; interference feasibility
星间链路的应用主要集中于通信卫星和中继卫星，通信卫星应用最成功的例子为铱星[1]，中继卫星主要有TDRSS[2]和Milstar系统[3]。此外，卫星导航系统也在建设星间链路网络，其主要功能是完成各卫星的时间同步、空间位置解算以及对应的数据空间传递[4-8]。星间链路受到干扰时，会直接影响整个卫星系统的服务性能，因此，提高星间链路的抗干扰能力显得尤为重要。星间链路可能面临的干扰包括压制式干扰、欺骗式干扰等，而每种干扰均可能来自地面或空间卫星。相比较而言，空间干扰的实施难度较大，可能性较小。欺骗式干扰的有效实施，需要已知星间链路的建链策略、网络体制等，实施难度同样较大。从目前研究现状来看，Ka频段可作为下一代星间链路重要的可选频段之一。Ka频段由于频率高，空间损耗小，传统认为用于星间链路可以很好地避免来自地面的恶意干扰。本文在对大功率干扰源性能调研基础上，定量研究对星间链路实施压制式干扰的可行性，并分析强对抗情况下星间链路可能面临的抗干扰指标需求。
1 地基压制干扰的可行性分析方法
地面干扰源对星间链路实施压制式干扰的示意图如图1所示。
图1 地基压制式干扰示意图
Fig. 1 Diagram of blanket jamming from ground
地基压制式干扰的主要特点是通过大口径天线发射强干扰，干扰从星间链路接收天线副瓣进入。对压制式干扰的可行性分析主要从功率可行性展开。
以对抗中可能遇到的最大功率干扰，分析到达天线口面的干信比，进而论证抗干扰指标。
首先分析地面干扰源可能的最大发射功率情况下，对星间载荷(天线口面)所构成的干信比。然后结合星间天线和扩频信号体制的干扰抑制能力，分析对星间天线和星间载荷主机的干扰抑制性能要求。
1.1 星间载荷天线口面构成的干信比
令星间信号接收功率为[Prs]，则
(1)
其中：[PEIR,s]为星间载荷信号发射功率；[Grs]为卫星接收天线信号方向增益；[Lfs]为信号自由空间传播损耗。中括号表示取dB值，天线指向性损耗暂时忽略。
星间信号空间传播损耗为：
(2)
其中：ds为星间信号传播距离；λ为载波波长。
在无干扰情况下，星间链路接收信号载噪比[RCN]为
(3)
噪声功率谱密度为
(4)
其中：k为波尔兹曼常数；T为噪声温度。
令[PR]为星间链路载荷接收到的地面干扰信号功率，则
(5)
其中：[PT]为地面干扰源发射功率；[GT]为发射天线增益；[GR]为星间链路天线对地方向增益；[Lfs]为干扰自由空间传播损耗。
根据式(5)和(4)可得到星间信号接收地面干扰的干噪比RJN，进而结合式(3)可以得出地面大功率干扰源在星间载荷形成的干信比，即地面干扰源对星间载荷形成的总的干扰抑制能力需求。
1.2 星间信号体制干扰抑制能力
首先确定满足最低误码率要求所需的载噪比门限[RCN,th]，然后根据星间链路无干扰时载噪比[RCN]确定星间载荷LNA入口可容忍干信比[RJS][9]：
(6)
其中：Q为抗干扰品质因数(与信号调制方式及干扰类型有关)；Rc为码率。
2 K频段大功率器件现状
星间链路干扰主要来自地面大功率雷达等。抗干扰性能分析过程中干扰强度相关参数的确定需要在对相应频段功放和天线的器件水平调研基础上进行。因此，首先对Ka/Ku频段功率放大器件水平进行介绍，然后以此为参考确定干扰强度相关参数。Ka/Ku频段大功率放大器件难度较大，但天线系统由于波长短，增益相对较大。
耦合腔行波管(包括其变形梯形线行波管)工作频率和输出功率都可以非常高。8 mm波段大功率的代表为VTAS700，工作在34.5~35.5 GHz时脉冲输出功率可达30 kW。
毫米波回旋管可以达到很大的输出功率。Varian公司研制了一套毫米波回旋管，覆盖了15~70 GHz各频段，输出功率约为1MW[10-13]。这些回旋管都可以工作在连续波状态，如果只工作在脉冲状态输出功率还可以大得多。例如用在极轨雷达发射机中的35 GHz脉冲回旋行波管输出功率为400 kW、增益为50 dB、效率为35%。近年来，高频段大功率回旋管得到长足发展，文献[14-18]介绍了多种回旋管，工作频率为110~170 GHz，输出功率为500 kW~4 MW，效率约为50%。VGT-8011是其中较为成熟的产品，可在110 GHz工作频率上输出500 kW的功率。
对于天线系统，中国国家天文台密云地面站天线口径为50 m，可工作于UHF，S和Ku等频段。在国际上，大型可控指向的天线口径在100~300 m之间。在天线效率方面，以中国国家天文台密云地面站50 m天线为例，各频段效率均在50%以上。
根据对当前功放及大口径天线技术水平的调研，在下面的干扰链路预算中，功放输出功率取为2 MW。考虑到天线口径增大和波束变窄导致的对准困难问题，天线口径取为10 m，天线效率取为50%，Ka频段增益约为70 dBi。
3 星间链路干扰强度分析结果
3.1 参数设置
3.1.1 星间链路信号参数
星间载荷EIRP为35 dBW，Ka频段星间链路工作频率取为30 GHz。与抗干扰性能分析相关的信号体制参数主要是信号调制方式。在相同干信比下，不同调制方式信号的抗干扰性能有所不同；在通常情况下，BOC调制信号的抗干扰性能优于BPSK调制信号。在本文分析中，信号调制方式设定为BPSK。星间通信载噪比门限以46 dBHz计算(包含编码增益，以及捕获和解调损耗)。
3.1.2 干扰参数设置
在干扰样式方面，由于抗宽带干扰难度最大，所以着重考虑宽带干扰。
在干扰强度方面，考虑目前地面可能的最强干扰。功放输出功率统一按照2 MW计算，考虑到天线口径较大时可能会引起波束过窄对准困难，天线口径按照10 m进行预算。
口径为D的天线增益可用下式计算：
(7)
其中：λ为载波波长；η为天线效率，取50%。
干扰天线波束宽度采用半功率波束宽度
(HPBW)，定义为
(8)
抗干扰性能分析过程中的干扰参数设置如表1所示。
表1 干扰参数设置
Table 1 Interference parameter settings
3.1.3 信号干扰几何参数设置
本文以高度24 000 km，轨道倾角为55°的Walker24/3/2星座为研究对象，星间链路采用Ka频段定向窄波束天线[7]。假设天线波束宽度为10°，旁瓣抑制为25 dB。信号干扰几何参数主要影响空间传输损耗。假设地面干扰站对仰角大于30°以上的卫星才进行干扰，对于MEO卫星，信号空间传播距离为8 000~ 50 000 km，干扰空间传播距离为24 000~27 000 km。
3.1.4 其他参数设置
其他相关参数主要包括等效噪声温度(K)、噪声功率谱密度(dBW/Hz)、接收天线噪声温度(K)和噪声系数(dB)等，均按照通常情况进行计算。天线指向损耗均按照0~3 dB进行计算。
3.2 分析结果
3.2.1 星间载荷天线口面面临的干信比
约束干扰天线口径为10 m，对于Ka频段相应天线增益为66.9 dBi，干扰EIRP为129.9 dBW。在此种情况下，对星间链路接收端干信比进行分析，如表2所示。
表2 地面干扰源在星间载荷天线口面构成的干信比
Table 2 Calculation of JSR at ISL antenna aperture from ground interference sources
从表2可以看出：随着卫星运动，星间信号传输距离发生周期性变化，星间信号接收载噪比范围是21.7~37.7 dBHz；地面干扰源与被干扰卫星之间的距离也发生变化，干扰接收载噪比范围为122.0~123.0 dBHz。在信号传输距离最短，干扰传输距离最远时，干信比达到最小值为84.3 dBc；在信号传输距离最远，干扰传输距离最短时，干信比达到最大值为101.3 dBc。
3.2.2 星间信号体制干扰抑制能力
星间信号采用扩频体制，卫星EIRP为30 dBW，卫星接收天线信号方向增益为25 dBi，在星间信号接收距离分别为最远和最近的情况下，对星间信号体制对宽带干扰的抑制能力进行分析，如表3所示。
表3 星间信号体制宽带干扰抑制能力
Table 3 Broadband interference suppression capability of inter-satellite signal system
从表3可以看出：对于星间通信，星间信号体制可容忍的干信比为19.5~27.5 dBc。与近距离情况下相比，在远距离情况下，星间通信载噪比裕量较低，因此其对干扰非常敏感，可容忍干信比也较低。
3.2.3 星间链路抗地面压制干扰指标分解
星间链路抗干扰指标分解为星间天线抗地面干扰指标和星间载荷主机抗干扰指标。星间天线提供的地面干扰抑制能力以25 dB计算，则星间链路通信抗干扰指标分解如表4所示。
表4 用干信比衡量的星间链路通信抗干扰指标
Table 4 ISLs communication anti-jamming indicators by JSR dBc
从表4可以看出：星间信号传播距离影响抗干扰指标需求，星间建链时距离越远，星间接收信号功率越低，越容易受到干扰，所需要的抗干扰指标也越高；反之，星间距离越近，星间接收信号功率就越高，越不容易受到干扰，所需要的抗干扰技术指标也越低。随着星间信号传播距离和信号接收功率的变化，星间载荷主机通信的干扰抑制能力要求为31.8~56.9 dBc。即在最苛刻情况下(星间最远距离)，星间链路主机通信抗干扰指标要求为至少56.9 dBc。
4 结论
(1) 对星间链路可能面临干扰的类型、来源和特点进行了分析，并在大功率干扰源性能调研基础上，定量研究了对星间链路实施干扰的可行性，并分析了强对抗情况下星间链路可能面临的抗干扰指标需求。
(2) Ka频段星间链路依然极有可能面临来自地面大功率干扰的威胁，且随着大功率微波发射技术的进步，此种威胁还将进一步加强。
(3) 星间天线指向建链卫星时，地面干扰从天线副瓣进入，天线对干扰的抑制能力为25 dB，在最恶劣情况下，对于MEO卫星，星间载荷主机需要满足76.4 dBc(干信比)的抗干扰能力要求。除星间链路扩频信号体制抑制约19.5 dBc干扰外，还需要通过采取抗干扰技术满足56.9 dBc的干扰抑制需求。
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(编辑 何运斌)
收稿日期：2013-04-21；修回日期：2013-08-15
基金项目：新世纪优秀人才支持计划(NCE-08-0144)
通信作者：王飞雪(1971-)，男，福建长汀人，教授，博士生导师，从事卫星导航技术研究；电话：0731-84576547；E-mail: wangfeixue_nnc@163.com
