铱星移动终端监测方法探索
文丨国家无线电监测中心福建监测站薛珂叶淋美朱杰
摘耍：铱域移动终端他携忡、隐蔽忡，以及不受公众移动通段控制的特点，为卫M移动终 端监测带来/挑战。本义rr先介绍了铱记移动通〇系统的构成及m g体制，随q提出/铱m移动终端的 监测//法，并依次讨论/地《、空战和人堪三种部界方案的可行性。 关键m：铱裙系统铱黾终端监M/i法部方//案
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0引言
铱星移动通信系统利用铱星星座作为中继站，实现 全球范围内的移动电话通信，可覆盖地面蜂窝网无法® 盖的区域，为人们的工作和生活提供更为便捷的服务。然而，铱星移动终端便携性、隐蔽性，以及不受公众移 动通信管理手段控制的特点，无疑为卫星移动终端的监 测带来了挑战。
铱星系统是基于低轨卫星的全球移动通信卫星系统，支持全球无线数字通信。利用星上处理功能，搭建星际链 路，用户可以直接使用铱星手机与铱星系统的空间卫星建 立通信链路，并通过卫星星座的转发传输给不同的用户，真正实现了卫星拓扑网络结构全球ffi盖，极大缩短了通信 时延，保证了传输安全。
铱星系统主要由三部分组成：低轨卫星星座、地面部 分、用户移动终端。铱星星座有66颗低轨卫星分布在6 个极地圆轨道面上，每个轨道面分别有一颗在轨备用星。每颗卫星与其他四颗卫星交叉连接，不同卫星之间使用 K a频段建立通信链路，确保不属于同一卫星覆盖区域的 用户也可以通信。铱星系统地面部分包括系统控制部分和 关口站，系统控制部分负责系统运营，并将卫星的运动轨 迹数据提供给关口站；关口站连接地面网络系统与铱星系 统，提供从铱星系统到所有陆地网络的连接，每个网关控 制系统的接人、实现移动性管理、跟踪和维护所有注册用 户的信息。铱星的用户终端可以直接搜索可服务卫星，与 该卫星建立通信链路即可完成通信服务，提高了便携性旦降低了地面设施的建设成本。铱星系统为用户终端提供语 音、数据传输以及突发短报文业务，适用于小数据量的信 息传输、无人值守的远程数据采集，以及现有地面通信网 络信号无法覆盖的区域通信，具备高可靠性、体积小、重 S轻的优点。
家用智能控制系统
铱星系统采用S D M A/F D M A/T D M A多址方式，每颗卫星有3个相控阵天线形成48个点波朿《盖直径 4700k m的区域，相邻12个点波束分为一组，对总可用 频带进行空分复用，构成类似横跨天空移动
的蜂窝覆盖。随着卫星的移动，覆盖用户的蜂窝区也快速变化。每个点 波束内把频带按F D M A方式分为多条T D M A通道；在 每个T D M A通道内，对同一用户的上行和下行链路采用 时分复用方式，即上下行链路分别处于同一条T D M A载 波同一帧的不同时隙内。
铱星系统的频率范围为1616-1626.5M H Z，其中，1616-1626M H Z为双工信道，〗626-1626.5M H z为单工 信道。双工信道主要用于广播、同步以及语音和数据业 务。F D M A结构中双工信道共有30个子频带，每个子 频带由8个信道组成，每个信道带宽为41.67k H z,240 个信道平均分配到12个点波束。单工信道将0.5M H z频 带分为12个信道，分配到每个点波束。单工信道的频率 分配总共包含4个消息信道和一个振铃警报信道，用于 振铃警报以及广播信息。双工信道和单工信道又分为工 作带宽31.5k H z和保护带宽10.17k H z。每个点波束的频率包括32个信道，每个信道通过时分复用可得4个双 工信道，整个卫星最多可得3840个4.8k b it./s的双工信 道。T D M A结构中的基本单元为时隙，多个时隙组成一 个T D M A帧。每一帧包含一个时长为20.32m s的单工 下行时隙、4个时长为8.28m s的上行链路时隙以及4个 相同时长的下行链路时隙。时隙与时隙之间包含保护时
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2021.3卧式炭化炉
监测检测
间，每个帧的总时长为90m s。这些时隙中，单工时隙仅 在单工信道频率工作，其他的时隙在双工信道频率工作。每条T D M A载波的速率为50k h it/s，每个信道的速率为 4.8k b it/s〇
2铱星移动终端监测系统部署方案
铱星系统用户链路为L频段，星间链路以及关口站 与卫星间的馈电链路均使用K a频段，其中卫星到关口站 链路和点波束仅覆盖美国部分区域。因此，铱星移动终端 监测系统无法接收卫星到关口站的信号，仅能接收卫星到 终端的L频段下行链路，以及用户终端到卫星的L频段 上行链路。
根据铱星系统的工作原理和技术体制，对指定区域 内的铱星终端实施监测时，将天线接收到的前向下行信 号和终端反向上行信号，经射频处理后送入监测处理单 元，利用数字信号处理设备依据通信协议对信号进行数 字滤波、解析等处理，最终获取目标终端的工作参数信息。监测系统需轻量化设计以满足便携性或搭载在其他平台 上的使用要求。 2.1地基铱星移动终端监测系统
铱星移动终端发射功率较小，天线主瓣过于狭窄，部 署地面固定站的监测范围有限，相对来说车载平台更为机 动灵活。系统主要由天线子系统、信号处理设备、控制计 算机、供电设备、通信设备、车辆及配套设备等组成，系 统工作原理如图1所示。
天线子系统包括铱星车载天线、时钟同步天线，主要 完成G P S信号接收，铱星前向下行信号、反向上行信号 的接收、滤波、低噪声放大功能。
信号处理设备也可便携使用，主要完成前向、反向通 信信号的关联分析，获取终端的工作参数信息。
控制计算机通过以太网进行通信，主要完成设备资源 管理、工作流程控制、数据存储和测量分析结果显示。
通信设备主要完成系统内设备的通信控制和应急通信 功能。
供电设备包括燃油发电机和配电箱，可通过市电或自 发电方式为系统内设备供电。
2.2空基铱星移动终端监测系统
相较于车载式监测系统，空基监测平台可以有效扩大 监测系统的覆盖范围，按照飞行或悬浮高度可将浮空平 台分为高空平台和低空平台。根据国际电信联盟《无线 电规则》定义，高空平台台站（H ig h A ttitu d e Platform S ta tio n,H A P S)是指距离地表20-50k m并相对于地表 某一特定的标称固定点保持固定的台站。高空平台具有覆 盖范围广、易部署、易维护和易升级等特点，可应用于重 点区域的无线电监测。
2.2.]高空平台技术特性
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平流层太阳辐射强烈、空气稀薄，除平流层飞行器以 外，常规飞机或卫星等均无法在此空间长时间飞行。平流 层飞行器按飞行速度可分为高动态飞行器和低动态飞行 器，其中平流层低动态飞行器主要为长航时飞行器，包括 高空气球、太阳能无人机以及平流层飞艇等。空基铱星移 动终端监测系统以平流层飞行器等高空平台为载体，能够 以地-空-地的传输方式跨越丘陵、山区和城镇等复杂 地形，变阻挡传输为视距传输，可显著扩展铱星终端的监 测距离，延伸地面监测设备的覆盖范围。
高空气球可以根据风速数据识别出具有所需速度和方 向的风层之后，通过调整气囊中氦气与空气的比例，控制
气球在平流层中的海拔高度，利用
不同风层风向不同的特点，进行精
称量室确移动和定位。太阳能无人机利用
太阳能电池将光能转化为电能，一
部分用于曰间巡航，另一部分储存
在储能电池中，用于夜间巡航，随
着机载设备可靠性的提高，能够实
现高空长航时飞行。与高空气球相
比，平流层飞艇具有持续动力推进
和控制飞行状态的装置，能抵御平
流层风阻，实现可控飞行；另外，
平流层飞艇能完成太阳能飞机所无
法完成的定点飞行和长时间迎风驻
留等飞行任务。平流层飞艇具有可
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ADIO
监测检测
定点飞行、留空时间长、探测范围广、载荷能力强和费效
比高等优点，但其高度控制主要依靠浮重的再平衡，短时
间内不具备频繁的高度上下调节能力。
与卫星相比，空基平台信号传输损失小、精度高，可
实现目标区域长时间驻留，不存在重返周期问题，生产和
运营成本低；与传统飞机相比，其覆盖区域广、留空时间长。
高空平台覆盖能力取决于平台的高度和覆盖边缘区域
仰角的大小，升空高度越高，仰角越小，覆盖区域就越大。
高空平台的覆盖半径可以通过下式计算：
,「：.(R c o^a\
a= R x—a-a r c s m------------(1)
_2 l,R+h)_
图2单个高空平台覆盖示意图
图2为单个高空平台覆盖示意图，其中，d为通信半
径（km)，R为地球半径（6371k m)，h为平台距离地
面高度，a为边缘仰角（角度）。高度分别为20k m和
50k m，覆盖半径如表1所示，边缘仰角对应高空平台搭
载天线的主瓣宽度，为满足增益前提下的最小角度。
边缘仰角（度）
表1高空平台覆盖半径平台位于距离地面20km处
平台覆盖半径（km)194.17 107.89 72.85
平台位于距离地面50km
边缘仰角（度）510
平台覆盖半径（km)413.80252.95176.09 84.95
2.2.2低空平台技术特性
相对于高空平台的大体积和长时间驻留的特点，低空 平台更适合执行短期、灵活机动的任务，如系留气球和低 空无人机。系留气球主要包括气球本体、系缆、锚泊系统 3部分。气球的软式气囊内充氦气或氢气产生静浮力升空，按需灵活搭载任务载荷；系缆可以控制气球停留在期望的 高度，内部有导线与光纤，前者为气球所搭载的各种载荷 提供电力，后者可将传感器获得的信息传送至接收平台，如地面固定站或船舶、车辆。系留气球大多采用地面设施 供电，因此其续航时间不受能源限制，与其他飞行器相比 具有显著优势。锚泊系统可通过施放或回收系缆控制气球 的上升与下降。
空中无线电监测工作中常用的是多旋翼无人机，一般 由旋翼机飞行器、控制站、通信链路几部分组成。旋翼机 飞行器搭载无线电监测设备，由飞控系统完成导航和飞行 控制，地面控制站对无人机进行任务规划并进行实时监控，通信链路则用来保证无人机与控制站之间的数据通信，交 互数传模块与图传模块。
2.2.3空基监测系统组成
空基平台搭载铱星终端监测设备，将接收到的卫星下 行信号和移动终端上行信号透明转发给地面站，由地面站 完成信号分析。空基铱星移动终端监测系统主要由高空/低空平台、天线子系统、监测设备、通信设备、信号处理 设备以及控制计算机等组成，系统框图如图3所示。
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图3空基铱星移动终端监测系统组成框图
天线子系统包括铱星机载天线、时钟同步天线以及与 地面进行数据传输的全向天线，主要完成G P S信号接收，铱星前向下行信号、反向信号的接收、滤波、低噪声放大 以及与地面通信设备传输数据的功能。
通信设备包括地面通信设备和空中通信设备。其中空 中通信设备主要由信道模块、空中交换单元和全向天线等 组成，信道模块主要完成物理层的比特传输以及链路层的 多址接入，在信道模块中可进行射频转发、中频转发和基 带数字转发；空中交换单元实现链路层、网络层的交换和 路由功能；地面通信设备主要由无线设备和天线等组成，完成设备的通信控制和数据传输功能。
CS CN监测设备主要完成前向、反向通信信号的接收及转发，地面站的信号处理设备完成信号分析，最终通
过控制计算 机将分析结果展示出来。系统工作原理如图4所示。
根据空基平台特点，有以下两种天线搭载方案：U )全向天线。成本低，结构简单，不受通信仰角限制，但增 益有限，为保证必要的信噪比，平台高度不能太高，从而 限制了监测范围。（2)定向天线，喇叭天线搭配云台伺 服或者相控阵天线。成本高，增益高，结构复杂，监测范 围广，并且可以得到大体的测向结果，配合地基监测在没 有解析信号的前提下也可得到定位结果。
高空平台因其体量大、成本高、可携带较大载荷并可
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2.3天基铱星移动终端监测系统
天基平台应选择轨道高度低于780k m 的低轨卫星。 考虑到卫星制造及发射成本，较为可行的方案是通过购买 服务或监测设备作为有效载荷搭载在低轨卫星上，形成天 基监测网，从而实现对目标区域全天候的实时覆盖。与此 同时，还可通过扩展监测天线频段，对卫星频率使用情况 进行长期监测，构建民用无线电天地一体化的监测平台， 提高投入产出比。
天基铱星移动终端监测系统通过某颗可见卫星接收浓 星下行信号和终端上行信号，并转发至地面站，由地面的 信号处理设备完成信号分析。当该星过境时，切换至邻星 接力进行实时监测，并及时将监测数据返回地面站。系统 工作原理示意图如图5所示。
系统由天线子系统、卫星平台、地面控制系统组成。 星上完成信号捕获、数据同步采集等处理，地面进行信号天线子系统包括L 波段全向监测天线、测控天线、 星间链路天线、星上及地面关口站通信的相控阵天线和时 间同步天线，完成导航信号接收、目标信号捕获、卫星测 控以及星地数据传输功能。
卫星平台包括姿态轨道帆板控制、结构热控、电源、 测控应答机以及星务管理、总体和驱动控制电路等。
地面控制系统包括信关站和控制中心，信关站负责 处理卫星测控及任务规划、信号分析等。控制中心负责 对卫星、信关站进行综合调度，包含任务管控设备、通 信组网软件、频谱监测后期处理展示软件等应用服务处 理软件以及数据存储设备等。控制中心和信关站可通过
光纤专线连接。
监测检测
长期驻留空中的特点，适合长期常态化监测；低空平台因 其体量小、成本低、携带载荷能力有限的特点，更适合机 动查干扰的应用场景，但因城市存在禁飞区，因此配合 地基车载监测系统更为有效。
图4空基系统工作原理示意图
E 卫星
图5天基系统工作原理示意图
分析等处理。系统组成如图6所示。
01卫畢
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图6系统组成框图
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3总结
地基、空基以及天基三种平台建设方案各有优点，同 时也都存在局限性：地基平台灵活机动，但覆盖范围狭窄；低空平台操控性强，尽管存在一定的禁飞区，仍极大地拓宽 了监测范围，但供电和监测时长受限；高空平台檀盖范围广，能提供更多的监测服务，但成本过高；天基监测平台能提供 长时间且最大范围的覆盖，但成本最高，不适合作为单一的 铱星终端监测解决方案。因此，总体来说’应采取多种平台 相结合的方案，达到空对也一体娜测的目的。
无线、宽带、泛在、融合、立体的网络技术飞速发展，为信息共享、互联互通提供了无限可能，而构建空天地一 体化的无线电监测网络也刻不容缓。融合卫星、髙空平台、车载网络等平台，构建可靠、高效、实时的无线电监测网 络，对切实维护重点地区的无线电秩序、提高我国卫星轨 道频率资源监测水平和卫星移动业务监管能力具有重要的 现实意义。K0
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分布式监测分为以下几个组成部分。
(1 )固定监测站
采用少数的几个大型固定站对信号参数进行定量的精 确测量，以获得可靠、准确的信号参数数据（例如信号的 中心频率、载波带宽、发射功率通量密度、调制方式、码 速率等）。这些数据可以用于卫星发射信号参数核实、干 扰信号判别、频率资源协调等卫星频潜管理过程。
(2)小型监测站
小型监测站包括配置天线口径较小的固定站、便携站 以及移动监测车。这些小型站由于建设成本低，可以大量 部署在几乎所有的卫星波束范围内。以我国来说，可以以 省级单位部署30多个小型站。小型站无法实现像大型固 定站那样的信号测量精度，但是它的优势是可以实现对所 有波束信号的定性测量，例如测量信号的实际用频情况、频潜占用度、信号的覆盖情况等。
(3)监测数据综合处理平台
所有大型和小型监测站监测采集的数据都通过网络集 中到监测数据处理平台。然后在该平台对数据统一处理，从而全面完整地获得点波束卫星的频谱使用数据。如果监 测数据量过大，可以在本地先对监测数据预处理，仅将信 号特征发送到数据处理平台，这将大大减小对数据传输带 宽的要求。
通过这种多层次监测站相结合的分布式方式，能够兼 顾准确的信号监测和广泛的覆盖范围要求，以较
低的成本 实现对点波束卫星的监测。在未来考虑监测网的布局时，需要在建设成本和监测能力之间进行权衡。
4结论
点波束卫星系统具有大通信容量和终端小型化的优 势，可以很方便地应用在宽带移动网络领域，是未来卫星 通信发展的主要方向。但是，点波束卫星中用到的小区域 覆盖和频率复用技术给卫星监测带来了巨大的挑战，本文 提出了针对点波束卫星的分布式监测方式。通过部署大量 的小型监测站实现全波束覆盖，是一种有望实现点波束卫 星监测的思路。K0
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