低轨卫星通信系统干扰分析及策略研究

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0 引言

随着卫星通信事业的发展，低轨卫星通信已成为天基信息系统领域的发展热点。卫星通信受自身特点的限制和环境的影响，不可避免地存在各种干扰[1]。由于频谱资源有限，低轨（Low Earth Orbit，LEO）卫星通信系统不可避免地与对地静止卫星轨道（Geostationary Satellite Orbit，GSO）卫星系统以及其他系统在相同的频谱内共存[2]。若不采取任何系统设计或优化手段，势必会影响低轨卫星通信系统的通信质量。

韩锐等[3]针对我国NGSO星座系统对GSO系统的干扰情况进行仿真分析。张泓湜等[4]提出了一种基于空间隔离的LEO与GEO卫星在Ka频段频谱共享的方法。郭强等[5]提出了系统邻星干扰定量分析的方法。曾昱祺等[6]提供了几个关于如何在NGEO卫星链路和GEO卫星链路共存情况下频率共用的研究方法。

本文针对低轨卫星通信系统在运行过程中所面临的干扰情况进行了梳理，分析了外部地面系统对LEO系统的干扰、LEO系统对GSO系统和其他LEO系统的干扰以及LEO系统内部干扰情况。同时针对不同的干扰种类，给出相应的干扰规避策略，包含了外部地面干扰、GSO系统产生的干扰、LEO系统对GSO系统的干扰以及系统内部干扰规避策略。可以为我国低轨卫星通信系统设计提供一定的支撑，确保系统建设完成后能可靠运行。

1 LEO系统干扰场景分析

由于频谱资源有限，低轨卫星通信系统会受到来自地面或者其他卫星系统的干扰，主要包括外部地面干扰以及其他卫星系统对其产生的干扰（包括GSO和LEO）。同时，低轨卫星通信系统也会对其他卫星系统产生干扰（主要考虑GSO）；另外低轨卫星通信系统内部也存在干扰情况。

1.1 外部系统对LEO干扰情况

外部系统干扰包括外部地面干扰、GSO产生的干扰以及其他LEO产生的干扰。

（1）卫星系统面临的外部地面干扰主要包括单音连续波干扰、阻塞式噪声干扰、部分频带干扰、脉冲干扰等。地面会产生不同类型覆盖卫星系统频带使用范围的干扰信号，影响系统正常运行。

（2）GSO产生的干扰。GSO和LEO卫星系统使用频谱存在重叠时，GSO和LEO共享同频的上行和下行空间链路，此时GSO对LEO会产生干扰路径，包括：①GSO地面站对LEO卫星的干扰。②GSO卫星对LEO站的干扰。GSO对LEO产生的干扰如图1所示。

图1 GSO对LEO产生的干扰情况

（3）其他LEO产生的干扰。Ka频段卫星通信已成为卫星通信发展的主要目标之一。我国要发展Ka频段低轨卫星通信系统势必会与其他系统在用户和馈电链路频率存在重叠的部分，从而会导致相互之间的干扰。

1.2 LEO对外部系统干扰情况

LEO对外部系统干扰主要考虑类LEO对GSO系统的干扰。似于GSO对LEO产生的干扰，GSO和LEO链路共享同频的上行和下行，此时LEO对GSO也会产生干扰路径，包括：①LEO站对GSO卫星的干扰。②LEO卫星对GSO地面站的干扰。LEO对GSO产生的干扰情况如图2所示。

图2 LEO对GSO产生的干扰情况

1.3 LEO对外部系统干扰情况

系统内部干扰可分为同频干扰和邻频干扰。通常，为防止邻信道干扰，会在邻频间留出未占用的窄频带，确保信道间有足够隔离。由于邻频干扰影响较小，在此不予分析。

针对同频干扰场景，由于天线波束具有一定的宽度，地面发送天线会在指向邻星的方向上产生干扰辐射（上行邻终端干扰），地面接收天线也会在邻星方向上接收到干扰信号（下行邻星干扰）。不同卫星及终端之间的干扰如图3所示。

图3 不同卫星及终端之间的干扰示意

2 系统干扰规避策略研究

根据上述对低轨卫星通信系统的干扰分析情况，下面针对不同的干扰情况进行干扰规避策略设计，从而有效保障不同系统间的共存以及正常运行。

2.1 外部地面干扰规避策略

对于外部地面干扰，利用频谱感知技术，可对特定的频段频谱进行扫描，寻找授权用户没有使用的以及通过空分复用可以共用的频率，动态分配给低轨通信星座使用。考虑到卫星通信系统所处电磁环境的复杂性，低轨卫星通信系统可以建立体系化的载波监视系统来感知背景噪声和受干扰情况。利用频谱资源规划设备提供的资源规划结果，由用户提出的业务申请驱动，从而为各正在执行的业务以及待开展的通信业务提供合理的用频指导并实现动态信道管理，最终保障整个系统频谱资源的高效稳定运行。

2.2 GSO产生的干扰规避策略

针对GSO对LEO的下行链路干扰情况，即从GSO卫星到LEO地面站，考虑GSO卫星正在工作，而LEO卫星链路将要部署在相同的频率上。在这种情况下，首先在做LEO链路的链路预算应该考虑GSO对LEO的干扰。其次，GSO卫星对LEO地面站干扰，若GSO地面站与LEO地面站共址建设，则最大干扰场景是GSO卫星、LEO卫星和LEO地面站共线情况，此类情况在LEO对GSO干扰分析中已设置干扰规避区，故此类场景已被规避。若GSO地面站与LEO地面站不共址建设，则由于天线波束指向性，LEO地面站仅能接收旁瓣能量，形成天然的隔离，不会产生干扰。

针对GSO对LEO的上行链路干扰情况，即从GSO地面站到LEO卫星。首先是GSO地面站对LEO卫星用户波束的影响，在LEO对GSO干扰分析中已采用“渐进俯仰”技术，导致GSO地面站发送和LEO卫星接收之间存在角度，已实现干扰的隔离。另外，GSO地面站对LEO卫星馈电波束的影响，若GSO地面站与LEO地面站共址建设，则最大干扰场景是GSO卫星、LEO卫星和LEO地面站共线情况，此类情况在LEO对GSO干扰分析中已设置干扰规避区，故此类场景已被规避。若GSO地面站与LEO地面站不共址建设，则由于天线波束指向性，LEO卫星仅能接收旁瓣能量，形成天然的隔离，不会产生干扰。

2.3 LEO对GSO的干扰策略

LEO对GSO的干扰规避策略主要包含以下4个方面：

（1）用户链路上行干扰规避策略。为了对用户链路上行干扰规避，可利用终端功率控制，降低用户终端发射功率，达到用户链路的上行干扰规避。

（2）用户链路下行干扰规避策略。LEO卫星改变其提供通信服务的覆盖区域来实现用户链路下行干扰规避，通过将LEO卫星天线朝向赤道方向偏转，以避免天线增益朝向GSO地面站与LEO卫星处于接近对准状态的纬度，从而避免干扰。此外，可以减少每个LEO卫星波束中的射频链路功率密度，以进一步保护GSO卫星系统。

（3）馈电链路上行干扰规避策略。馈电链路上行干扰规避由地面运行控制中心结合地面站位置、GSO弧段等信息进行综合规划，确定干扰规避区域，确保LEO信关站馈电链路上行信号不会对GSO卫星造成干扰。

（4）馈电链路下行干扰规避策略。针对馈电链路下行干扰，考虑LEO卫星馈电波束对GSO地面站的影响，若LEO地面站与GSO地面站共址，馈电链路上行干扰规避策略中已经设置了干扰规避区，此类情况下的干扰已经被同时规避；若LEO地面站与GSO地面站不共址，则由于天线波束指向性，GSO地面站仅能接收旁瓣能量，形成天然的隔离，不会产生干扰。

2.4 系统内部干扰规避策略

系统内部干扰主要包括下行邻星干扰和上行邻终端干扰。低轨卫星星座在运动中随着纬度的增高，相邻轨道间的卫星间距越来越小，当卫星间的间距减小到一定值时被干扰卫星和干扰卫星的下行的波束具有共同的重叠覆盖区。在重叠覆盖区，被干扰卫星地面信关站在接收指向卫星的信号的同时，其天线的旁瓣也接收到了邻星的同频信号。这种干扰造成接收端误码率增加，信噪比降低、接收信号不稳定。为了有效地避免干扰，可以通过频率复用的方式对卫星波束数量和频段分配进行规划，从而有效降低下行邻星干扰，不影响用户终端正常解调，但在极区附近，不同卫星之间波束交叠严重，为了节省能源，可以关闭部分卫星波束。由于终端发射功率有限，上行邻终端干扰在用户终端累积到一定数量的情况下才会出现影响，此时可以在地面站侧通过限制同一用户波束下用户终端的接入数量来保障干扰不影响终端的正常解调。

3 结语

低轨卫星通信系统迅猛发展，由于频率资源有限，LEO系统势必会出现与其他系统共用频谱的现象。本文综合考虑LEO系统的实际运行环境，从外部系统对LEO干扰、LEO系统对其他系统干扰以及LEO系统内部干扰三大方面对低轨系统的干扰场景进行了细化和分析。在此基础上，针对不同的干扰类型，提出了相应的干扰规避策略，通过资源动态分配、设定干扰规避区域、降低发射功率以及频率复用等方式，有效降低或消除LEO内部和外部干扰，从而为未来我国低轨卫星通信系统规划设计与建设提供一定的技术支撑。