問(wèn)題與挑戰(zhàn) Your challenge

低軌巨型星座作為商業(yè)航天的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，在全球范圍內(nèi)已開(kāi)始激烈的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)。已有和擬建低軌衛(wèi)星星座，無(wú)論是以通信還是遙感為核心服務(wù)能力，無(wú)線電頻譜都是其最基礎(chǔ)和核心的資源，也是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要條件。

對(duì)于無(wú)線電頻譜監(jiān)管、低軌星座運(yùn)營(yíng)商和相關(guān)系統(tǒng)制造商而言，基于低軌道巨型星座的一系列技術(shù)創(chuàng)新，對(duì)頻譜測(cè)量、終端頻譜監(jiān)管和干擾監(jiān)測(cè)定位等業(yè)務(wù)均構(gòu)成了前所未有的挑戰(zhàn)。如下圖所示，基于低軌及其他軌道位置衛(wèi)星組成的非地面網(wǎng)絡(luò)將協(xié)同地面的移動(dòng)通信網(wǎng)和各類(lèi)終端形成前所未有的無(wú)線電通信網(wǎng)形態(tài)。在地面的任意一點(diǎn)開(kāi)展頻譜監(jiān)測(cè)或干擾排查，都需要對(duì)深入了解低軌衛(wèi)星通信技術(shù)并具備完善的技術(shù)設(shè)備。

圖1. 非地面網(wǎng)絡(luò)連接概述 （羅德與施瓦茨，5G 非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述）

相比擁擠的中高軌，低軌衛(wèi)星（通常認(rèn)為是500-2000公里軌道范圍）具備諸如軌道資源多、距離地面近等優(yōu)勢(shì)。但考慮到其頻軌特征、運(yùn)行速度、過(guò)頂時(shí)間等特點(diǎn)，實(shí)際通信系統(tǒng)更趨向于大規(guī)模組網(wǎng)使用。

圖2.衛(wèi)星軌道與地球大氣層關(guān)系 （羅德與施瓦茨，5G 非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述）

圖3. 衛(wèi)星軌道典型應(yīng)用與軌道位置圖 （羅德與施瓦茨，5G 非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述）

如圖2和圖3所示，低軌衛(wèi)星的軌道位置帶來(lái)衛(wèi)星相對(duì)地球的高速運(yùn)動(dòng)，相比中高軌衛(wèi)星，單個(gè)衛(wèi)星的過(guò)頂時(shí)間將縮短至數(shù)分鐘或數(shù)十分鐘（根據(jù)軌道位置不同）。這一關(guān)鍵特性，影響了低軌終端技術(shù)路線特別是高通量或高速率終端，基本都以VSAT（甚小口徑終端）形態(tài)出現(xiàn)?？紤]到低軌衛(wèi)星的運(yùn)行速度和過(guò)頂時(shí)間，如下圖4所示，VSAT需要實(shí)時(shí)根據(jù)星歷表信息對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星并修正多普勒頻移。這也引出低軌衛(wèi)星VSAT終端的一個(gè)重要技術(shù)特征，即具備動(dòng)態(tài)波束賦型的相控陣天線。相控陣天線的波束賦型的技術(shù)特征會(huì)對(duì)低軌衛(wèi)星的終端監(jiān)測(cè)帶來(lái)較大挑戰(zhàn)，即可監(jiān)測(cè)信號(hào)范圍和波束情況高度相關(guān)。

圖4.衛(wèi)星軌道典型應(yīng)用與軌道位置圖 （羅德與施瓦茨，5G 非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述）

挑戰(zhàn)1：低軌衛(wèi)星VSAT相控陣天線帶來(lái)的強(qiáng)方向性監(jiān)測(cè)挑戰(zhàn)

具備波束賦型的相控陣天線并不是新的技術(shù)，已經(jīng)在雷達(dá)和5G通信領(lǐng)域有成熟應(yīng)用。如下圖5所示，通過(guò)天線陣列，相控陣天線可以在3D空間內(nèi)動(dòng)態(tài)產(chǎn)生波束跟蹤低軌衛(wèi)星從而實(shí)現(xiàn)通信。但隨著射頻半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展，新一代低軌衛(wèi)星的相控陣天線在尺寸和成本方面均有較大進(jìn)展。特別是在尺寸方面，VSAT終端相控陣天線已可以實(shí)現(xiàn)諸如300*400mm的尺寸，如圖6所示。

圖5.相控陣天線原理與波束賦型示意圖 （羅德與施瓦茨，相控陣天線OTA測(cè)試）

圖6.低軌衛(wèi)星終端相控陣天線

結(jié)合圖4和圖5所示，圖6中的VSAT天線可在地面通過(guò)相控陣天線使用波束跟蹤低軌衛(wèi)星從而實(shí)現(xiàn)通信，同時(shí)波束具備良好的指向性，不易在大范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)到其頻譜。

低軌衛(wèi)星通信終端常見(jiàn)參數(shù)如下圖7所示。

圖7.低軌衛(wèi)星終端典型參數(shù)表（羅德與施瓦茨，5G非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述）

考慮到目前低軌星座的實(shí)際情況和手機(jī)直連的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)現(xiàn)狀，現(xiàn)階段主要以甚小口徑終端VSAT為主要監(jiān)測(cè)對(duì)象。

根據(jù)圖1. 非地面網(wǎng)絡(luò)連接概述中展示的態(tài)勢(shì)，低軌衛(wèi)星星座的終端特別是VSAT終端，當(dāng)前還需與地面頻率進(jìn)行區(qū)分。從全球范圍來(lái)看，已運(yùn)營(yíng)的低軌星座，其用戶(hù)端與衛(wèi)星直接的連接，均在Ku和Ka頻段。

表1 主要低軌星座用戶(hù)端上下行頻段

根據(jù)公開(kāi)信息，我國(guó)的GW和G60星座分別使用Ka和Ku頻段。我國(guó)銀河航天的“小蜘蛛”實(shí)驗(yàn)星座，也在使用Ka頻段進(jìn)行科研測(cè)試。

挑戰(zhàn)2：低軌衛(wèi)星VSAT終端上行頻率范圍技術(shù)挑戰(zhàn)

對(duì)于衛(wèi)星終端的頻譜監(jiān)測(cè)和干擾定位需要關(guān)注其上行頻率，根據(jù)上述表1，頻率范圍基本在30GHz以下。在這個(gè)頻段進(jìn)行監(jiān)測(cè)和干擾定位，再加入指向天空的波束及其旁瓣，這給頻譜監(jiān)測(cè)工程師和外場(chǎng)測(cè)試工程師帶來(lái)很多技術(shù)挑戰(zhàn)。例如樹(shù)木對(duì)Ku和Ka頻段的影響、接收機(jī)系統(tǒng)靈敏度對(duì)射頻前端的要求等。在干擾定位方面，如何結(jié)合移動(dòng)監(jiān)測(cè)站和便攜式設(shè)備快速發(fā)現(xiàn)干擾源也是亟待解決的技術(shù)難題。

圖8. 地球固定跟蹤區(qū)域碼信令舉例

挑戰(zhàn)3：星上波束賦型帶來(lái)的監(jiān)測(cè)區(qū)域挑戰(zhàn)

通過(guò)圖8所示，低軌衛(wèi)星的星座組網(wǎng)形式導(dǎo)致其需使用和5G系統(tǒng)類(lèi)似的下行波束覆蓋。這導(dǎo)致終端所在區(qū)域在需要連接才有覆蓋，故需求對(duì)下行信號(hào)的頻譜監(jiān)測(cè)來(lái)判斷區(qū)域內(nèi)的覆蓋情況。因此對(duì)衛(wèi)星下行波束賦型的監(jiān)測(cè)也是當(dāng)前NTN非地面通信的全新技術(shù)挑戰(zhàn)。

應(yīng)用場(chǎng)景與技術(shù)要求Your task

應(yīng)用場(chǎng)景：

低軌衛(wèi)星終端上行信號(hào)頻譜監(jiān)測(cè)與驗(yàn)證；

合規(guī)與非合規(guī)低軌衛(wèi)星終端信號(hào)監(jiān)測(cè)與定位；

低軌衛(wèi)星終端頻譜清頻率與干擾信號(hào)采集；

大型活動(dòng)及重要區(qū)域低軌衛(wèi)星終端頻譜監(jiān)測(cè)及非合規(guī)終端定位；

技術(shù)需求分析：

需具備移動(dòng)監(jiān)測(cè)車(chē)和便攜式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的快速監(jiān)測(cè)和定位能力；

移動(dòng)監(jiān)測(cè)車(chē)系統(tǒng)需具備衛(wèi)星上行和行下頻譜監(jiān)測(cè)能力及特定實(shí)時(shí)帶寬；

考慮到NTN非地面網(wǎng)絡(luò)的整體規(guī)劃，移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和便攜式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需具備覆蓋傳統(tǒng)通信頻率和低軌衛(wèi)星通信頻率能力，需求從400MHz-40GHz（移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，含衛(wèi)星下行）、400MHz-30GHz（便攜式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要目標(biāo)為低軌終端上行）;

要求具備可應(yīng)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的接收機(jī)前端及可擴(kuò)展性

要求具備信號(hào)記錄能力

羅德與施瓦茨解決方案 Our solution

方案1：基于現(xiàn)有移動(dòng)監(jiān)測(cè)站的頻段擴(kuò)展方案

針對(duì)衛(wèi)星終端的監(jiān)測(cè)，是移動(dòng)監(jiān)測(cè)站所面臨的新任務(wù)。根據(jù)常規(guī)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)需求，移動(dòng)監(jiān)測(cè)站的頻段范圍無(wú)法覆蓋當(dāng)前低軌衛(wèi)星終端頻率范圍。例如，羅德與施瓦茨公司的經(jīng)典數(shù)字寬帶接收機(jī)ESMD和ESME廣泛應(yīng)用在各行業(yè)的移動(dòng)監(jiān)測(cè)站，本機(jī)最高頻率分別為26.5 GHz和18 GHz，亟待擴(kuò)展升級(jí)，以便覆蓋對(duì)Ku和Ka頻段低軌衛(wèi)星終端上行信號(hào)的頻段范圍，也可兼顧低軌星座下行信號(hào)到40GHz。

圖9. 移動(dòng)監(jiān)測(cè)站實(shí)例

針對(duì)此類(lèi)頻段擴(kuò)展需要，羅德與施瓦茨公司推出了R&SMC40，將移動(dòng)監(jiān)測(cè)站的頻段范圍擴(kuò)展到40 GHz。憑借2 GHz的轉(zhuǎn)換帶寬，MC40可以在不改變主要監(jiān)測(cè)設(shè)備的情況下，基于小巧的外形和開(kāi)放的SCPI接口支持即插即用到移動(dòng)監(jiān)測(cè)站中。MC40內(nèi)置了多組濾波器，抑制帶外信號(hào)干擾，從系統(tǒng)層面確保了接收性能。

圖10. MC40將監(jiān)測(cè)接收機(jī)頻段擴(kuò)展到40 GHz

方案2：配置R&S ESMW 超寬帶監(jiān)測(cè)接收機(jī)

針對(duì)地面和衛(wèi)星頻段信號(hào)的頻譜監(jiān)測(cè)需求，羅德與施瓦茨推出了ESMW超寬帶監(jiān)測(cè)接收機(jī)。接收機(jī)單機(jī)即可覆蓋到40 GHz的頻段范圍，具備2000MHz的實(shí)時(shí)帶寬，并可以輸出2000 MHz帶寬范圍內(nèi)完整的I/Q數(shù)據(jù)供后續(xù)分析。ESMW具備豐富而開(kāi)發(fā)的接口，所有的測(cè)量數(shù)據(jù)，包括頻譜數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、解調(diào)數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、I/Q數(shù)據(jù)在內(nèi)，都可以通過(guò)接口輸出，適合遠(yuǎn)程操作或連接信號(hào)分析設(shè)備。

圖11. ESMW超寬帶監(jiān)測(cè)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)40 GHz頻段覆蓋 / 2000 MHz實(shí)時(shí)帶寬和完整I/Q輸出

方案3：便攜式監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)衛(wèi)星終端信號(hào)的查找和定位-HE400DC和 HE800-DC30 手持式天線

PR200便攜式監(jiān)測(cè)接收機(jī)在行業(yè)用戶(hù)得到了廣泛的應(yīng)用，而帶有下變頻器的R&SHE400DC和HE800-DC30手持定向天線，進(jìn)一步將 R&SPR200 便攜式監(jiān)測(cè)接收機(jī)的頻率范圍擴(kuò)展到20 GHz和33 GHz。

在和行業(yè)用戶(hù)合作進(jìn)行的低軌衛(wèi)星地面終端查找測(cè)試中，PR200配合HE800-DC30天線，可以在1公里甚至更遠(yuǎn)的距離，可靠地對(duì)Ka頻段的衛(wèi)星地面終端實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和定位。

圖12. HE800-DC30配合PR200實(shí)現(xiàn)Ka頻段衛(wèi)星終端信號(hào)監(jiān)測(cè)

方案4：I/Q數(shù)據(jù)的記錄和輸出

完整的I/Q數(shù)據(jù)記錄，是監(jiān)測(cè)取證、后期深入分析的必要過(guò)程。羅德與施瓦茨所有的監(jiān)測(cè)接收機(jī)，都有I/Q數(shù)據(jù)記錄功能，數(shù)據(jù)格式公開(kāi)，除了高質(zhì)量的I/Q數(shù)據(jù)外，在I/Q文件中，還記錄了載頻、帶寬、采樣率、端口電壓、天線k因子、可精確到納秒級(jí)別的高精度時(shí)間戳信息，可用于后期對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)環(huán)境的高精度還原或其它二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

各種復(fù)雜的發(fā)射和干擾情況，可以通過(guò)信號(hào)分析軟件對(duì)I/Q數(shù)據(jù)的處理得以細(xì)節(jié)呈現(xiàn)和深入分析。

圖13. 基于完整I/Q數(shù)據(jù)重現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境

針對(duì)低軌衛(wèi)星帶寬特征，ESMW接收機(jī)可以通過(guò)100 G接口，輸出完整的2000 MHz帶寬信號(hào)，覆蓋完整的下行鏈路。

圖14. 某低軌衛(wèi)星用戶(hù)端下行鏈路完整I/Q記錄

結(jié)語(yǔ)Summary

無(wú)線電頻譜是開(kāi)展低軌衛(wèi)星巨型星座通信業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)，相關(guān)的監(jiān)管、測(cè)量和干擾排查也是推動(dòng)其發(fā)展的重要技術(shù)議題。從技術(shù)挑戰(zhàn)和應(yīng)用場(chǎng)景入手，本文介紹了羅德與施瓦茨公司融合移動(dòng)監(jiān)測(cè)站和便攜式監(jiān)測(cè)接收機(jī)的快速監(jiān)測(cè)與定位方案，希望可以助力工程師在外場(chǎng)外場(chǎng)完成干擾和非法終端的監(jiān)測(cè)與定位任務(wù)?？紤]到R&S監(jiān)測(cè)設(shè)備在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用，文中的升級(jí)方案也可有效保護(hù)原有投資。
文中大量的技術(shù)圖示和描述來(lái)自羅德與施瓦茨公司發(fā)布的《5G NTN啟航：5G 非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概論》，請(qǐng)點(diǎn)擊下面圖示下載，作為背景資料閱讀。

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測(cè)試測(cè)量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個(gè)更加安全、互聯(lián)的世界。成立90 年來(lái)，羅德與施瓦茨作為全球科技集團(tuán)，通過(guò)發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶(hù)，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力。羅德與施瓦茨總部位于德國(guó)慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨(dú)立、長(zhǎng)期、可持續(xù)地開(kāi)展業(yè)務(wù)。