北斗衛(wèi)星用戶機電磁波干擾解決方案初探

■ 長江水利委員會上游水文局：王敏力 王建

北斗衛(wèi)星通信技術已經(jīng)成功廣泛應用于各個領域，如軍事、農(nóng)業(yè)、水利、防災救災等。它的優(yōu)點是傳輸距離遠，不受天氣、地理環(huán)境等限制。特別是在水文、氣象的遠程自動測報方面發(fā)揮了不可替代的作用。另一方面，移動通信技術也在飛速發(fā)展，各運營商在各大城市的通信基站布設，也帶來了干擾衛(wèi)星信號的問題，包括5G在內(nèi)的移動通信基站數(shù)量越來越多，密度也越來越大。據(jù)2021年12月20日召開的全國工業(yè)和信息化會議，我國建成開通5G基站超過130萬個，5G終端用戶達到4.97億戶。另據(jù)12月23日，中國信息通信研究院在年度深度觀察報告會上，工業(yè)和信息化部總工程師韓夏介紹，預計到2022年底，我國5G基站數(shù)將超過200萬個，5G終端連接數(shù)將達到6億。因此，兩者不可避免會出現(xiàn)距離較近的情況。由于衛(wèi)星的信號強度相對移動通信基站的信號強度要小太多，當移動通訊基站的信號強度超過了一定范圍，北斗衛(wèi)星通信就會受到影響、甚至不能正常工作。這種情況已經(jīng)在現(xiàn)實中出現(xiàn)。本文根據(jù)實際遇到的具體情況，通過試驗、測試，確定了基站等干擾信號通過衛(wèi)星天線、水平方向干擾北斗衛(wèi)星。采用金屬面反射加吸波材料吸收干擾電磁波的原理，在天線帽（一體機）周圍安裝桶狀隔離保護層，實現(xiàn)衰減干擾電磁波，保證北斗衛(wèi)星正常工作的目的。

1.影響實例

2019年在實際工作中發(fā)現(xiàn)，一個有30多個遙測站的中心站，北斗衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)信號時有時無，時常出現(xiàn)不能接收數(shù)據(jù)的情況，經(jīng)重新啟動后又能夠恢復正常工作。用北斗衛(wèi)星測試軟件測試結果顯示是信號強度不夠，經(jīng)過最初判斷，首先認為是衛(wèi)星天線（包括天線帽和饋線）部分存在有故障，隨后進行了更換。但當更換了新的天線，并對饋線部分添加了屏蔽外套，經(jīng)測試問題仍然存在。經(jīng)過再次分析，又判斷在衛(wèi)星終端機可能存在有故障，隨后再次更換了新的終端機，經(jīng)過測試，信號強度仍然達不到正常標準（如圖1），（另，“通道功率電平”在工作中，測試正常數(shù)值應為-153~-154dBW[3]以上，即-153~-154dBW[3]、-151~-152dBW[4]、>151dBW[5]），問題始終沒能解決。為了確認使用的設備是否有問題，我們把整套衛(wèi)星通訊設備搬到空曠的地方重新進行了全方位的測試，結果顯示信號強度正常（如圖2，通道1功率電平：>-151dBW[5]；通道2功率電平：-153~-154dBW[3]），發(fā)送和接收數(shù)據(jù)功能也完全正常。從本次測試可以得出結論，設備完全正常。在確認設備本身沒有問題后，再次回到工作現(xiàn)場查找原因，此時才注意到距離衛(wèi)星天線約80m處有2個新建移動通信基站。

為了確認是否是受移動通信基站的原因，我們聯(lián)系到移動通訊公司的工作人員。

通過協(xié)商，暫時關停附近的基站。隨后，在基站沒有工作的情況下進行了一系列的測試，結果是信號強度恢復正常，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能也均恢復正常。因此，最終確定中心站北斗衛(wèi)星工作不正常的原因為：附近的移動通信基站信號的干擾所致。

圖1：中心站測試結果Figure1 :CentralStation TestResults

圖2：在附近測試結果Figure2:Nearby testresults

1.1 其它相關的論述

根據(jù)工信部發(fā)布的2019年1月發(fā)布的關于《3000－5000MHz頻段第五代移動通信基站與衛(wèi)星地球站等無線電臺（站）干擾協(xié)調(diào)管理辦法》所述的干擾定義是：“一、干擾保護標準”：“根據(jù)國際電聯(lián)ITU-RS.2199-0報告，當衛(wèi)星地球站接收到的干擾信號總功率超過-60dBm時，將產(chǎn)生飽和干擾，導致衛(wèi)星地球站無法正常工作?！备蓴_的范圍是：“對于工作在3700－4200MHz頻段的衛(wèi)星地球站，如果衛(wèi)星地球站已采用濾波和抗飽和措施且指標滿足附件4的要求，工作在3400－3600MHz頻段內(nèi)的室外5G基站的協(xié)調(diào)區(qū)可減小為以衛(wèi)星地球站為中心、半徑100米的圓形區(qū)域，否則協(xié)調(diào)區(qū)為以衛(wèi)星地球站為中心、半徑2公里的圓形區(qū)域”。

從目前已經(jīng)規(guī)劃和正式給四大運營商商用的5G信號頻率分配來看，中國電信、中國廣電、中國聯(lián)通、中國移動運營商的頻率分配如表1-表4、圖3所示。

從中可以看到，中國電信、中國聯(lián)通的工作頻率（3300~3400MHz、3400~3600MHz）剛好處于衛(wèi)星接收頻段（3400~4200MHz），且5G信號的強度必然遠大于衛(wèi)星信號。因此，5G信號必定會干擾附近的衛(wèi)星信號接收。

現(xiàn)在，一個基站上面可能單獨存在2G、3G、4G、5G的信號，也可能同時存在。信號源越多、功率越大，因此對北斗衛(wèi)星用戶機的干擾的問題已經(jīng)是實際存在的。

1.2 干擾的途徑、方向

首先來分析衛(wèi)星終端機，衛(wèi)星終端機一般放置在室內(nèi)，多數(shù)情況下還是放置在機柜內(nèi)，而機柜普遍具有屏蔽電磁波的作用，所以可以判定終端機沒有受到干擾的條件；其二是天線饋線，饋線較長（1.5米），并且在室外，可能引入干擾，但通過加裝屏蔽線的試驗，沒有受到明顯的影響，說明饋線的屏蔽效果很好，沒有問題；通過排除，最終確定了電磁波干擾的入口就在天線帽。由于天線必須與天上的衛(wèi)星之間交換無線電信息，不可能遮擋和屏蔽。因此，確定干擾是由北斗衛(wèi)星用戶機的天線帽引入的。

表1：中國電信標準IMT頻率

表2：中國廣電標準IMT頻率

表3：中國聯(lián)通標準IMT頻率

表4：中國移動標準IMT頻率

干擾方向，衛(wèi)星天線一般的安裝位置在地面或者房頂上面，同樣移動通信基站同樣是在房頂（或山頂上），兩者基本上是在水平方向。確定干擾的方向主要來自水平方向。

1.3 解決方案

由于在之前的建設中，移動通信基站與衛(wèi)星站點的位置沒有協(xié)調(diào)，也沒有相關規(guī)定并按照執(zhí)行。因此，現(xiàn)在搬遷基站或北斗衛(wèi)星用戶機使其達到規(guī)定的距離要求的方法是不現(xiàn)實的。解決的辦法只能在保持現(xiàn)有位置不動的基礎上想辦法。確定了干擾的來源、路徑、方向等問題后，就有解決的具體方案。

圖3：四大運營商5G頻譜分配情況

通過上面的分析和試驗，確定干擾源主要來自水平方向（天線安裝在房頂?shù)那闆r下）。因此，只要在水平和地面方向對干擾電磁波進行良好的屏蔽，只讓天空方向的電磁波暢通，北斗衛(wèi)星用戶機就能夠正常工作。

具體抗干擾設備的制作方法是：設計一個外層采用光滑的金屬面，內(nèi)層采用優(yōu)質專業(yè)級吸波（包括隔熱）材料制作而成的圓柱形桶狀屏蔽裝置。而且，必須注意的是，屏蔽裝置頂部方向一定不能用金屬材料遮擋，這是為了保持北斗衛(wèi)星通信信號正常暢通的必要設計。該抗干擾設備的工作原理為：由于設備外形為一個表面光滑的金屬制桶狀，在水平方向360度（包括底面方向，兼顧防其它干擾：如大功率WIFI、甚至人為的）干擾。首先，電磁波最先接觸到抗干擾設備的表面，被光滑的金屬表面反射，衰減了一部分；其次，未反射的電磁波經(jīng)過吸波材料層吸收；最終，使干擾電磁波最終的衰減能達到20-30db。經(jīng)多次反復的測試，該抗電磁波干擾設備確實起到了設計的目的，能做到確保北斗衛(wèi)星用戶機的正常工作。

2.結論與展望

在采用上述方案后，前訴中心站北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸正常，成功的解決了問題。避免了搬遷中心站或移動通信基站。而中心站由于辦公樓的范圍限制是不可能搬遷的；搬遷兩個移動通信基站的成本是非常大的。本方案具有：結構簡單、原理清晰，能夠全方向360 度抗電磁波干擾、抗干擾頻段寬（10M-10GM），抗干擾能力強（達到20-30db的衰減幅度）等優(yōu)點。既不用搬遷、重建移動通信基站或北斗衛(wèi)星用戶站來解決目前存在由于兩者較近有干擾的現(xiàn)實問題；同時也為新的北斗衛(wèi)星用戶站的建設降低了難度；為北斗衛(wèi)星通信技術在各個領域更好的推廣應用提供了一點幫助。

由于目前5G系統(tǒng)已經(jīng)正式開始運營，隨著用戶的增多，5G基站的發(fā)射功率會不同程度增大。而且隨著北斗衛(wèi)星通信和5G移動通信的普及和飛速發(fā)展，今后衛(wèi)星地球站信號受5G干擾的問題會更加嚴峻，兩者在城鎮(zhèn)不可避免存在上述情況，前面所述中心站的問題只是一個代表，在目前，同樣的問題早已普遍存在，隨著二者在數(shù)量上的不斷增加，同樣的問題會越來越多。衛(wèi)星地球站應該根據(jù)工作中具體存在的情況，系統(tǒng)全面地對現(xiàn)有設施進行評估測試及改造，將5G信號可能帶來的干擾降至最低。解決上述問題，特別是對抗洪搶險、防災救災有不小的貢獻。