一種衛(wèi)星頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張有志，丁　嶠，左　鵬，張更新

(1.海軍司令部信息化部，北京　100841；2.總參信息化部駐714廠軍代室，南京　210007；3.解放軍理工大學(xué)，南京　210007)

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一種衛(wèi)星頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張有志1，丁嶠3，左鵬2，張更新3

(1.海軍司令部信息化部，北京100841；2.總參信息化部駐714廠軍代室，南京210007；3.解放軍理工大學(xué)，南京210007)

摘要：本文研究了建設(shè)衛(wèi)星頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的必要性，給出了衛(wèi)星頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計目標和解決方案，介紹了頻譜監(jiān)測管理中心和頻譜監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計方案以及頻譜監(jiān)測關(guān)鍵算法，分析了系統(tǒng)功能、主要指標及應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信；頻譜監(jiān)測；載波參數(shù)自動識別；異常檢測

1　引言

隨著應(yīng)用的日益廣泛，衛(wèi)星通信系統(tǒng)電磁頻譜資源不足的問題越來越突出。但衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源的管理基本上采用靜態(tài)分配的方式，即轉(zhuǎn)發(fā)器上的頻譜資源往往是根據(jù)系統(tǒng)大致任務(wù)需求預(yù)先配置好的；同時，業(yè)務(wù)在即時性、可靠性、動態(tài)性、優(yōu)先級等方面的要求各不相同，尤其對于在衛(wèi)星各波束覆蓋區(qū)內(nèi)所承擔的任務(wù)強度在不同時段內(nèi)變化很大的應(yīng)用環(huán)境，導(dǎo)致現(xiàn)有衛(wèi)星通信頻率管理體制對工作效率較低。

雖然星上處理技術(shù)得到了一定程度的應(yīng)用，但目前在軌的通信、數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星中占多數(shù)的仍是衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器。由于各類通信、廣播、數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星處于開放的空間，會面臨各種有意或無意干擾的影響，使得部分衛(wèi)星信道無法正常通信，當用戶終端在受到干擾的信道上通信時，服務(wù)質(zhì)量將明顯受損，如果控制信道受到干擾，受影響的用戶將更多。另外，系統(tǒng)也會遭受信道誤用、盜用、攻擊等特殊危險，影響系統(tǒng)的安全性。因此，針對衛(wèi)星干擾信號的特點，研究衛(wèi)星干擾信號的檢測和識別技術(shù)，研制專門的衛(wèi)星頻譜監(jiān)測系統(tǒng)，以發(fā)現(xiàn)和評估干擾狀態(tài)、避免分配使用有干擾的信道，對于提高通信和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的運行管理水平和工作可靠性具有非常重要的意義。

2　總體設(shè)計

2.1設(shè)計目標

通過研制衛(wèi)星頻譜監(jiān)測系統(tǒng)，能夠為各類通信、廣播和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星提供一種長期運行的監(jiān)測手段，提升對轉(zhuǎn)發(fā)器的監(jiān)測能力、異常信號的檢測和識別能力、頻譜認知和資源調(diào)度能力，能夠保存衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的長期運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，在發(fā)生系統(tǒng)/網(wǎng)系/用戶間干擾或資源調(diào)配不合理造成部分系統(tǒng)/網(wǎng)系/用戶不能正常工作時，能夠提供必要的歷史數(shù)據(jù)和統(tǒng)計結(jié)果，以便分析原因、區(qū)分責任、排除問題。

2.2解決方案

為確保衛(wèi)星頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的時效性和準確性，提高網(wǎng)絡(luò)運行管理水平，利用多臺頻譜監(jiān)測設(shè)備協(xié)同工作形成一個系統(tǒng)，而不是每一臺頻譜監(jiān)測設(shè)備獨立工作來解決衛(wèi)星頻譜監(jiān)測問題，是一種較好的解決方案。

衛(wèi)星頻譜監(jiān)測系統(tǒng)由一個頻譜監(jiān)測管理中心和分布在各地的多臺頻譜監(jiān)測設(shè)備組成，如圖1所示。其中，部分頻譜監(jiān)測設(shè)備與頻譜監(jiān)測管理中心共同設(shè)置在中心站，而其他頻譜監(jiān)測設(shè)備配置在外地，以完成中心站不可視的衛(wèi)星或點波束的頻譜監(jiān)測任務(wù)。

當監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時，使用一臺頻譜監(jiān)測設(shè)備及配套軟件也可組成一個小規(guī)模的監(jiān)測系統(tǒng)。這種情況下，頻譜監(jiān)測設(shè)備將提供友善的操作界面，接受操作員的監(jiān)測請求，反饋監(jiān)測結(jié)果，進行干擾告警。

圖1 衛(wèi)星頻譜監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖

頻譜監(jiān)測管理中心是衛(wèi)星頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的管理控制中心，負責管理各個頻譜監(jiān)測設(shè)備，生成和管理系統(tǒng)的監(jiān)視計劃并下發(fā)到各個頻譜監(jiān)測設(shè)備，對接收到的來自各個頻譜監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)視數(shù)據(jù)進行綜合分析，反饋監(jiān)測結(jié)果并提供惡意干擾告警。頻譜監(jiān)測管理中心采用客戶機-服務(wù)器模式，由應(yīng)用服務(wù)器和管理操作終端組成，分別運行轉(zhuǎn)發(fā)器監(jiān)視的數(shù)據(jù)庫、服務(wù)端程序和客戶端程序。

頻譜監(jiān)測設(shè)備是實際完成衛(wèi)星頻譜監(jiān)測任務(wù)的設(shè)備，接受頻譜監(jiān)測管理中心的監(jiān)測調(diào)度，完成對指定衛(wèi)星、波束、轉(zhuǎn)發(fā)器和載波頻譜的監(jiān)測，識別信號參數(shù)，分析轉(zhuǎn)發(fā)器受干擾情況，向頻譜監(jiān)測管理中心上報監(jiān)測結(jié)果。

3　技術(shù)方案

3.1頻譜監(jiān)測管理中心設(shè)計方案

頻譜監(jiān)測管理中心是運行在通用計算機平臺上的軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)采用客戶機、中間層和數(shù)據(jù)庫的三層體系構(gòu)架，它是在傳統(tǒng)二層結(jié)構(gòu)（客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)）的基礎(chǔ)上增加了應(yīng)用服務(wù)器，將應(yīng)用邏輯單獨進行處理，從而使得用戶界面與應(yīng)用邏輯位于不同的平臺上，兩者之間的通信協(xié)議由系統(tǒng)自行定義。其中，客戶機（用戶界面）提供用戶與系統(tǒng)的友好訪問；中間層是應(yīng)用服務(wù)器，完成業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)；數(shù)據(jù)庫負責數(shù)據(jù)信息的存儲、訪問及其優(yōu)化。通過這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得業(yè)務(wù)邏輯能被所有用戶共享，并降低了客戶機的負擔。頻譜監(jiān)測管理中心功能模塊組成見圖2。

3.2頻譜監(jiān)測設(shè)備設(shè)計方案

頻譜監(jiān)測設(shè)備基于CPCI體系構(gòu)架，由前面板組件、后面板組件、箱體和CPCI板卡組件（各功能板卡、背板以及電源模塊）組成。設(shè)備采用模塊化設(shè)計，分為控制單元、監(jiān)測單元和通道單元三大部分，分別完成設(shè)備的控制管理、信號的實時處理分析及變頻濾波放大等功能。頻譜監(jiān)測設(shè)備模塊組成見圖3。

一臺完整的頻譜監(jiān)測設(shè)備包含一個控制單元和最多兩個監(jiān)測單元和通道單元（監(jiān)測單元與通道單元成對配置）。其中，控制單元通過主控板來實現(xiàn)，采用6U CPCI標準X86體系構(gòu)架；監(jiān)測單元通過信號板來實現(xiàn)，完成鏈路信號的接收與處理，采用FPGA+DSP的硬件體系架構(gòu)，其實現(xiàn)框圖如圖4所示；通道單元完成對接收信號的下變頻、濾波和放大。

3.3頻譜監(jiān)測關(guān)鍵算法

3.3.1 數(shù)據(jù)平滑算法

圖2 頻譜監(jiān)測管理中心功能模塊組成圖

圖3 頻譜監(jiān)測設(shè)備模塊組成圖

圖4 信號板硬件實現(xiàn)框圖

數(shù)據(jù)平滑的目的是消除測量噪聲，以得到精確的模型和較好的特征提取效果。常用的平滑算法有最小二乘法，N點平滑濾波法，自適應(yīng)N點平滑濾波法等。這里選用自適應(yīng)N點平滑濾波法來消除測量噪聲，該方法考慮了相鄰各點相對于當前位置的作用大小，采用加權(quán)的方法求各點處的平均值，權(quán)值由加權(quán)函數(shù)h(n)決定。自適應(yīng)N點加權(quán)平滑濾波公式為

3.3.2 寬帶自適應(yīng)掃描法

由于監(jiān)測帶寬比較大（最大可達數(shù)百MHz），大小信號并存，并且對信號分析的實時性要求較高，為解決分辨率與分析時間之間的矛盾，提出了一種寬帶自適應(yīng)掃描算法。其基本思想是，首先使用一個較大分辨率帶寬對信號頻譜進行粗掃，獲取信號的總體“輪廓”特征，根據(jù)其總體“輪廓”特征，將整個需要掃描的頻帶分割成幾個相對獨立的“群”。對于每個“群”，分析其特征，采用適當?shù)姆直媛蕩捙c視頻帶寬對其進行細掃，將當前群劃分為更小的“群”，依此類推，最終分析清楚每一個信號。對于每一個信號，根據(jù)其信號特征，分析其是否被干擾。使用這種方法，可以在不損失被監(jiān)測信號分析精度的條件下，較為快速地完成寬頻帶范圍內(nèi)（一個轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)）的信號分析。

3.3.3 逐層遍歷算法

使用寬帶自適應(yīng)掃頻算法，需對信號進行分群。首先對整個掃描帶寬內(nèi)的信號進行初始分群，然后對每一個子群再進行細分，直到分出每一個單路信號。對每一個子群的遍歷可以采用逐層遍歷法。在逐層遍歷過程中，按從頂層到底層的次序訪問樹中元素，在同一層中，從左到右進行訪問，直到遍歷完每一個子群。

3.3.4 異常信號檢測

異常信號是指干擾信號和不按規(guī)定使用的用戶信號。干擾主要包括無意干擾和惡意干擾。無意干擾是指衛(wèi)星終端用戶因為操作不正確或設(shè)備故障而對衛(wèi)星造成的干擾，這種干擾的限度往往非常有限，但因為干擾效果并不是非常明顯，往往比較難于發(fā)現(xiàn)。惡意干擾是指敵方為中斷衛(wèi)星通信而進行的干擾，這種干擾的特點是干擾強度大，影響的頻帶范圍較寬，干擾效果非常明顯。這里給出幾種基于頻域分析的異常檢測方法。

（1）異常強信號檢測。這類信號的特點是頻帶寬、強度強，如寬帶阻塞式干擾、寬帶脈沖干擾和掃頻干擾等。通過設(shè)定轉(zhuǎn)發(fā)器信號的判決電平上限和帶寬上限，當超過上限時，結(jié)合該轉(zhuǎn)發(fā)器歷史信息，就可判定是否存在異常強信號。

（2）包絡(luò)對稱性檢測。衛(wèi)星通信信號一般是以中心載頻為對稱軸的“對稱”信號。通過計算“左半譜”和“右半譜”的相關(guān)度，就可準確描述信號的對稱程度。當合法信號與非法信號疊加后（合法信號與非法信號中心頻率不重疊，且分辨率帶寬足夠?。?，頻譜信號的對稱性將被打破，突出表現(xiàn)為“左半譜”和“右半譜”的相關(guān)度明顯降低。

（3）電平變化檢測。電平變化檢測主要針對當干擾信號與原始信號譜形完全相同時的干擾檢測。這種情況下信號譜形不會發(fā)生太大變化，但信號電平將明顯升高，通過檢測信號電平并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計信息，可以判定是否發(fā)生異常。當信號電平受外界因素影響較大時，這種分析方法不夠準確。

（4）統(tǒng)計檢測。利用歷史頻帶統(tǒng)計信息對非法信號進行檢測，這種方法主要適用于已知信號的情況，或假定轉(zhuǎn)發(fā)器上的業(yè)務(wù)固定。統(tǒng)計檢測主要用于配合其他檢測手段檢測異常信號。

4　系統(tǒng)功能及技術(shù)指標

目前，衛(wèi)星頻譜監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了如下主要功能：

⊙ 指定監(jiān)視頻段內(nèi)信號的接收及轉(zhuǎn)發(fā)器頻譜圖的自動獲取。

⊙ 指定監(jiān)視頻段內(nèi)載波譜形參數(shù)（包括中心頻率、帶寬、信噪比等）的自動識別。

⊙ 指定監(jiān)視頻段內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)器中的干擾檢測和告警。

⊙ 接受上級網(wǎng)管系統(tǒng)的管理，上報頻譜監(jiān)測結(jié)果。

實現(xiàn)的主要技術(shù)指標如下：

⊙ 輸入信號頻率范圍：70MHz±18MHz、140MHz±36 MHz、L波段（950MHz-1450MHz）或S波段（2.2-3.8GHz）。

⊙ 最大監(jiān)測帶寬不小于300MHz，頻率分辨能力優(yōu)于10kHz（54MHz分析帶寬）。

⊙ 轉(zhuǎn)發(fā)器監(jiān)測帶寬不大于54MHz時，頻譜刷新時間小于1秒；當大于54MHz時，刷新時間不大于n×1秒，n為指定帶寬/54MHz的上取整。

⊙ 能夠自動接收指定轉(zhuǎn)發(fā)器或指定頻段內(nèi)的信號，實時獲取轉(zhuǎn)發(fā)器頻譜圖。

⊙ 能夠自動識別指定轉(zhuǎn)發(fā)器或指定頻段內(nèi)各載波的中心頻率、帶寬和載噪比等參數(shù)，自動識別時間≤1s。

⊙ 能夠自動獲取指定轉(zhuǎn)發(fā)器或指定頻段內(nèi)各載波的時頻圖，給出時間、頻率和載噪比分析結(jié)果。

⊙ 具備檢測突發(fā)載波載噪比能力，給出其在監(jiān)測時間內(nèi)的分布，自動識別同一載波內(nèi)各突發(fā)的最高載噪比，載噪比分析精度優(yōu)于0.5dB。

⊙ 支持手動監(jiān)視和根據(jù)監(jiān)視計劃自動監(jiān)視兩種工作模式。

⊙ 網(wǎng)管接口：以太網(wǎng)接口，標準TCP/IP協(xié)議，自定義應(yīng)用層協(xié)議。

5　應(yīng)用前景

通過衛(wèi)星頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的研制，完成了對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器信號的實時監(jiān)測和自動分析，實現(xiàn)了頻譜監(jiān)測的智能化、自動化和網(wǎng)絡(luò)化，在通信衛(wèi)星的資源管理和衛(wèi)星通信系統(tǒng)的運行控制中具有廣泛的應(yīng)用前景，其應(yīng)用價值主要有：

⊙ 通過監(jiān)視衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率和頻率使用情況，評估轉(zhuǎn)發(fā)器的工作狀態(tài)和應(yīng)用效能，為運行管理決策提供依據(jù)。

⊙ 自動監(jiān)測業(yè)務(wù)載波的關(guān)鍵參數(shù)（如頻譜、中心頻率、帶寬、載噪比等），判別它們是否工作在指定范圍內(nèi)。

⊙ 實現(xiàn)各轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)異常信號的實時檢測和自動識別，評估信號的合法性，自動發(fā)現(xiàn)異常信號并及時告警，為干擾定位和故障排查提供支持。

⊙ 探測可用的頻譜空洞，形成可用的功率/頻率資源庫，提高衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源的利用率。

⊙ 通過對衛(wèi)星通信系統(tǒng)實施監(jiān)測，能夠及時發(fā)現(xiàn)故障和干擾，避免使用有干擾的信道，提高呼叫成功率。

參考文獻

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凌華推出新款A(yù)TX工業(yè)母板

近日，凌華科技推出最新ATX工業(yè)母板IMB-M43，它搭載英特爾第六代Intel Core i7/i5/i3（代號Skylake）系列處理器及Q170芯片組，具備極佳的運算及繪圖能力，最多支持五組PCIe插槽，PCIe接口可靈活配置，堅固穩(wěn)定的I/O接口設(shè)計，可滿足工業(yè)自動化客戶各種不同的應(yīng)用需求，為機器視覺及運動控制整合的應(yīng)用提供大幅降低成本的解決方案。

凌華科技IMB-M43 CPU性能較上一代產(chǎn)品提升10%，同時采用英特爾第九代圖形引擎，圖形處理性能提升30%，可支持更高速的硬件編碼，以及4K超高清圖像顯示。IMB-M43躍升的性能使客戶可掌握超快的速度，順利完成艱難的運算任務(wù)。

Design and Implementation of the Satellite Spectrum Monitoring System

Zhang Youzhi1,Ding Qiao3,Zuo Peng2,Zhang Gengxin3
(1.PLA Navy Ministry of Information,Beijing,100841;2.Military Representative Office at Factory 714,the General Staff of the Ministry of Information,Nanjing,210007;3.PLA University of Science and Technology,Nanjing,210007)

Abstract:On the basis of analyzing the necessity of building satellite spectrum monitoring system(SSMS),the designing purpose and solution of the SSMS was introduced,the main spectrum monitoring algorithms and the designing schemes of the spectrum monitoring management center and the spectrum monitoring equipment was given,and the function,qualification and application of SSMS was analyzed finally.

Keywords:Satellite Communication;Spectrum Monitoring;Automatic Recognition of Carrier parameters;Anomaly Detection

作者簡介：張有志，海軍司令部信息化部科研辦工程師，主要從事衛(wèi)星通信方面的工作。丁嶠，解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院學(xué)生。左鵬，總參信息化部駐714廠軍代室高級工程師，主要從事衛(wèi)星通信、短波通信方面的工作。張更新，解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院教授，主要從事衛(wèi)星通信、深空通信和衛(wèi)星導(dǎo)航方面的工作。

中圖分類號：TN927+.2，TN97文獻標示碼：A文章編碼：1672-7274（2016）03-0001-05

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.03.001