随着美国Space X星链、华为Mate60卫星直连通信等卫星通信应用的快速发展，基于卫星空间通信技术已成为全球科技产业的焦点领域。巨型低轨卫星星座，将结合高轨卫星、导航卫星，深入融合6G等移动通信技术实现天地一体化通信的技术构想。

无论政府监管机构和商业运营机构，都将面临低轨卫星带来的前所未有的测试测量和监测挑战：

• 不断扩展的信号频率和带宽

• 应对从L波段到Ka波段的不同电磁环境和空口监测要求

• 低轨卫星快速追踪

• 复杂电磁环境及干扰分析

• 宽带信号记录和复杂信号分析

• 覆盖全球区域的大量的信号监测及验证需求

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问题与挑战 Your challenge

低轨巨型星座作为商业航天的关键基础设施，在全球范围内已开始激烈的产业竞争。已有和拟建低轨卫星星座，无论是以通信还是遥感为核心服务能力，无线电频谱都是其最基础和核心的资源，也是产业发展的首要条件。

对于无线电频谱监管、低轨星座运营商和相关系统制造商而言，基于低轨道巨型星座的一系列技术创新，对频谱测量、终端频谱监管和干扰监测定位等业务均构成了前所未有的挑战。如下图所示，基于低轨及其他轨道位置卫星组成的非地面网络将协同地面的移动通信网和各类终端形成前所未有的无线电通信网形态。在地面的任意一点开展频谱监测或干扰排查，都需要对深入了解低轨卫星通信技术并具备完善的技术设备。

图1. 非地面网络连接概述 （罗德与施瓦茨，5G 非地面网络技术概述）

相比拥挤的中高轨，低轨卫星（通常认为是500-2000公里轨道范围）具备诸如轨道资源多、距离地面近等优势。但考虑到其频轨特征、运行速度、过顶时间等特点，实际通信系统更趋向于大规模组网使用。

图2.卫星轨道与地球大气层关系 （罗德与施瓦茨，5G 非地面网络技术概述）

图3. 卫星轨道典型应用与轨道位置图 （罗德与施瓦茨，5G 非地面网络技术概述）             

如图2和图3所示，低轨卫星的轨道位置带来卫星相对地球的高速运动，相比中高轨卫星，单个卫星的过顶时间将缩短至数分钟或数十分钟（根据轨道位置不同）。这一关键特性，影响了低轨终端技术路线特别是高通量或高速率终端，基本都以VSAT（甚小口径终端）形态出现。考虑到低轨卫星的运行速度和过顶时间，如下图4所示，VSAT需要实时根据星历表信息对准卫星并修正多普勒频移。这也引出低轨卫星VSAT终端的一个重要技术特征，即具备动态波束赋型的相控阵天线。相控阵天线的波束赋型的技术特征会对低轨卫星的终端监测带来较大挑战，即可监测信号范围和波束情况高度相关。

图4.卫星轨道典型应用与轨道位置图 （罗德与施瓦茨，5G 非地面网络技术概述）

挑战1：低轨卫星VSAT相控阵天线带来的强方向性监测挑战

具备波束赋型的相控阵天线并不是新的技术，已经在雷达和5G通信领域有成熟应用。如下图5所示，通过天线阵列，相控阵天线可以在3D空间内动态产生波束跟踪低轨卫星从而实现通信。但随着射频半导体器件的快速发展，新一代低轨卫星的相控阵天线在尺寸和成本方面均有较大进展。特别是在尺寸方面，VSAT终端相控阵天线已可以实现诸如300*400mm的尺寸，如图6所示。

图5.相控阵天线原理与波束赋型示意图 （罗德与施瓦茨，相控阵天线OTA测试）

图6.低轨卫星终端相控阵天线 

结合图4和图5所示，图6中的VSAT天线可在地面通过相控阵天线使用波束跟踪低轨卫星从而实现通信，同时波束具备良好的指向性，不易在大范围内监测到其频谱。

低轨卫星通信终端常见参数如下图7所示。

图7.低轨卫星终端典型参数表（罗德与施瓦茨，5G非地面网络技术概述）

考虑到目前低轨星座的实际情况和手机直连的技术标准演进现状，现阶段主要以甚小口径终端VSAT为主要监测对象。

根据图1. 非地面网络连接概述中展示的态势，低轨卫星星座的终端特别是VSAT终端，当前还需与地面频率进行区分。从全球范围来看，已运营的低轨星座，其用户端与卫星直接的连接，均在Ku和Ka频段。

表1 主要低轨星座用户端上下行频段

根据公开信息，我国的GW和G60星座分别使用Ka和Ku频段。我国银河航天的“小蜘蛛”实验星座，也在使用Ka频段进行科研测试。

挑战2：低轨卫星VSAT终端上行频率范围技术挑战

对于卫星终端的频谱监测和干扰定位需要关注其上行频率，根据上述表1，频率范围基本在30GHz以下。在这个频段进行监测和干扰定位，再加入指向天空的波束及其旁瓣，这给频谱监测工程师和外场测试工程师带来很多技术挑战。例如树木对Ku和Ka频段的影响、接收机系统灵敏度对射频前端的要求等。在干扰定位方面，如何结合移动监测站和便携式设备快速发现干扰源也是亟待解决的技术难题。

图8. 地球固定跟踪区域码信令举例

挑战3：星上波束赋型带来的监测区域挑战

通过图8所示，低轨卫星的星座组网形式导致其需使用和5G系统类似的下行波束覆盖。这导致终端所在区域在需要连接才有覆盖，故需求对下行信号的频谱监测来判断区域内的覆盖情况。因此对卫星下行波束赋型的监测也是当前NTN非地面通信的全新技术挑战。

应用场景与技术要求Your task

应用场景：

• 低轨卫星终端上行信号频谱监测与验证；

• 合规与非合规低轨卫星终端信号监测与定位；

• 低轨卫星终端频谱清频率与干扰信号采集；

• 大型活动及重要区域低轨卫星终端频谱监测及非合规终端定位；

技术需求分析：

• 需具备移动监测车和便携式监测系统的快速监测和定位能力；

• 移动监测车系统需具备卫星上行和行下频谱监测能力及特定实时带宽；

• 考虑到NTN非地面网络的整体规划，移动监测系统和便携式监测系统需具备覆盖传统通信频率和低轨卫星通信频率能力，需求从400MHz-40GHz（移动监测系统，含卫星下行）、400MHz-30GHz（便携式监测系统，主要目标为低轨终端上行）;

• 要求具备可应对复杂电磁环境的接收机前端及可扩展性

• 要求具备信号记录能力

本文以低轨卫星信号作为示例演示了从宽带接收机监测信号到后期的信号验证分析全过程，希望可以助力卫星监管及运营客户更好地完成低轨卫星星座的在轨监测、信号验证和分析业务。

罗德与施瓦茨针对低轨卫星在轨测试推出了以ESMW超宽带接收机（点击下载产品手册）、CA210信号分析软件（点击下载产品手册）和DDF550测向机为核心的模块化测试系统。ESMW超宽带接收机频段范围可至40 GHz，实时带宽及可输出的数字中频带宽均可达2 GHz，与其配套的抛物面天线可追踪移动的低轨卫星，从而实现卫星下行信号的有效接收。接收机配套的全向天线可接收周边区域存在的卫星终端上行信号，在开阔场地接收半径近10公里。ESMW将接收到的信号以数字中频的形式输出至中频记录仪存储，CA210信号分析软件可分析存储的卫星信号，从时域、频域和调制域对信号进行分析。对于卫星下行信号CA210可得到频点、带宽、电平、帧长、OFDM参数（包括符号时长、符号保护间隔时长、子载波数目、子载波调制方式）等参数；对于终端上行信号（该信号存在单次通话过程中频率切换的问题），软件可得到终端使用过的全部频点、带宽、电平、调制方式、符号速率等参数，还可确定同一场景中并行存在的终端数目。同时系统配套的DDF550测向机可给出终端的地理位置及移动轨迹。

图1 低轨卫星模块化在轨测试系统外形图

我们首先以某低轨卫星下行信号为例说明罗德与施瓦茨公司低轨卫星在轨测试系统的能力。通过抛物面天线、ESMW接收机及中频记录仪我们记录了一段完整的该卫星下行信号。进而通过CA210信号分析软件读取该信号，查看信号频谱图与时频图如下：

图2 某低轨卫星下行信号频谱图与时频图

我们首先测量信号的带宽，通过在时频图上选取一段信号我们可以得到该信号带宽为240 MHz。

图3 某低轨卫星下行信号带宽

随后我们使用CA210软件的自相关分析功能对选中的这段信号进行处理，从图4的自相关结果中可以看出该信号存在明显相关峰，进而通过光标测量峰间距可得到该信号的帧长为1.33 ms。

图4 某低轨卫星下行信号自相关分析

图5 使用光标测量帧长

进一步分析该信号的OFDM参数，CA210循环自相关分析功能给出的OFDM符号总时长呈现规律相关峰，使用光标测量后OFDM符号时长（含保护间隔）为4.44us：

图6 OFDM符号总时长测量

CA210的OFDM自相关分析给出的符号中数据体时长为4.267us：

图7 OFDM符号数据体时长测量

因此可得到符号保护间隔时长0.17 us：

图8 OFDM符号总时长、数据体时长和保护间隔时长测量值

测量得到的一个OFDM符号时长为4.267 us，而信号带宽为240 MHz，假设子载波资源全部得到使用，可将OFDM信号的采样率视为240 MSamples/s，因此在一个OFDM符号内总的采样点数为4.267*240=1024.08，取整后即一个符号时长内总共有1024个采样点。根据图9所示的OFDM调制原理，由于在一个OFDM符号内，采样点数等于其子载波数目，因此相应的子载波数目（FFT点数）为1024。

图9 OFDM调制原理图（引用自《R&S CA210信号分析软件操作手册》）

CA210具备OFDM测量参数正确性验证与调节功能，在参数列表中输入测量得到的信号参数，如采样率240 MSamples/s、子载波数目1024，符号保护时隙长度对应的采样点数为41（测量得到的符号保护时隙长度为0.17 us，对应采样点数为0.17*240=41）。随后从时频图上按照测量的帧长1.33 ms框选一帧信号交由CA210计算参数估计值相应的信号最大归一化相关测度均值和栅格，如图10所示。图中最大归一化相关测度均值出现多处随机峰，最大归一化相关测度栅格出现水平方向斜线，这说明参数误差较大，需要进行参数调节。

备注：单帧信号的最大归一化相关测度均值为明显单峰、最大归一化相关测度栅格为垂线说明估计参数正确。对于多帧信号最大归一化相关测度均值为明显多峰、最大归一化相关测度栅格为多段交错垂线说明估计参数正确。

图10 保护时隙为41个采样点的OFDM参数估计误差

在采样率、子载波数目和保护时隙长度三个参数中，有可能存在误差的参数为保护时隙长度，因此从正反两个方向调节该参数值，当该参数值为32即32/240=0.133时，最大归一化相关测度均值和栅格均提示参数正确，误差极小，参见图11。因此可确定保护时隙长度为0.133 us。根据新测得的保护时隙长度可更新符号总时长为0.133+4.267=4.4us。

图11 保护时隙为32个符号的OFDM参数估计误差

根据被测信号的带宽和子载波数目，可以得到每个子载波的带宽约为240/1024=234 kHz。因此从信号边沿抽取一个子载波进行调制方式分析，首先查看其瞬时频率图：

图12 子载波瞬时频率图

瞬时频率的直方分布未出现具有一定频率间隔的相关峰，因此排除FSK调制的可能性。进而查看其瞬时相位图：

图13 子载波瞬时相位图

瞬时相位图中除去相位畸变点，整体呈现规律性相位变化特征，可测得的最小相位步进约为60°，大部分最小相位步进在90° 10°的范围内，考虑到该信号为空间实际信号，因此可以判断被测信号使用了四相位调制。进而继续查看信号的瞬时幅度图。

图14 子载波可测得的最小相位步进

瞬时幅度图呈现幅度调制特征，结合四相位调制和瞬时频率的分析结果，因此被测样本应使用了QAM4调制。

图15 子载波瞬时幅度图

通过上述测量过程，我们得到了某低轨卫星宽带下行信号的频点、带宽、帧长、OFDM符号时长、OFDM符号保护间隔时长、OFDM子载波数目与子载波调制方式，从而为后续OFDM信号解调提供了依据，验证了罗德与施瓦茨公司低轨卫星在轨测试系统对卫星到终端下行宽带信号的接收与分析能力。

我们再选取某低轨卫星的终端上行信号进行分析验证。通过CA210软件回放ESMW接收到的终端信号我们可以观察到终端在通话过程中进行了多次频率切换：

图16 某低轨卫星终端频率切换示意图

图17 同时存在两部终端的场景（显示终端A频谱）

图18 同时存在两部终端的场景（显示终端B频谱）

进而选取一部终端信号进行帧长分析：

图19 终端信号自相关分析结果图

在图19中使用光标可测量出终端信号的帧周期为90 ms，如图20所示：

图20 终端信号帧周期

在图20中使用光标还可测量出终端信号时隙长度为8.28 ms，如图21所示：

图21 终端信号时隙长度

对选取的信号进行自动调制分析，得到信号的调制方式为PSK4A，符号速率为50 kB。

图22 终端信号调制参数分析

通过上述测量过程，我们得到了某低轨卫星窄带终端上行信号的频点、带宽、帧周期、终端信号时长、调制方式与符号速率。

在ESMW接收到终端信号的同时，DDF550测向机还可对终端进行测向，由于终端存在频率切换现象，因此我们令测向机工作在宽带模式，并行提供80 MHz带宽内各个信道的测向结果，进而依据相邻信道来波方向的聚类结果确定卫星终端的方向、位置与移动轨迹。

方案1：基于现有移动监测站的频段扩展方案

针对卫星终端的监测，是移动监测站所面临的新任务。根据常规监测业务需求，移动监测站的频段范围无法覆盖当前低轨卫星终端频率范围。例如，罗德与施瓦茨公司的经典数字宽带接收机ESMD和ESME广泛应用在各行业的移动监测站，本机最高频率分别为26.5 GHz和18 GHz，亟待扩展升级，以便覆盖对Ku和Ka频段低轨卫星终端上行信号的频段范围，也可兼顾低轨星座下行信号到40 GHz。

图9.  移动监测站实例

针对此类频段扩展需要，罗德与施瓦茨公司推出了R&S®MC40，将移动监测站的频段范围扩展到40 GHz。凭借2 GHz的转换带宽，MC40可以在不改变主要监测设备的情况下，基于小巧的外形和开放的SCPI接口支持即插即用到移动监测站中。MC40内置了多组滤波器，抑制带外信号干扰，从系统层面确保了接收性能。

图10. MC40将监测接收机频段扩展到40 GHz

方案2：配置R&S ESMW 超宽带监测接收机

针对地面和卫星频段信号的频谱监测需求，罗德与施瓦茨推出了ESMW超宽带监测接收机。接收机单机即可覆盖到40 GHz的频段范围，具备2000 MHz的实时带宽，并可以输出2000 MHz带宽范围内完整的I/Q数据供后续分析。ESMW具备丰富而开发的接口，所有的测量数据，包括频谱数据、测量数据、解调数据、音频数据、I/Q数据在内，都可以通过接口输出，适合远程操作或连接信号分析设备。

图11. ESMW超宽带监测接收机实现40 GHz频段覆盖 / 2000 MHz实时带宽和完整I/Q输出

方案3：便携式监测设备对卫星终端信号的查找和定位-HE400DC和 HE800-DC30 手持式天线

PR200便携式监测接收机在行业用户得到了广泛的应用，而带有下变频器的R&S®HE400DC和HE800-DC30手持定向天线，进一步将 R&S®PR200 便携式监测接收机的频率范围扩展到20 GHz和33 GHz。

在和行业用户合作进行的低轨卫星地面终端查找测试中，PR200配合HE800-DC30天线，可以在1公里甚至更远的距离，可靠地对Ka频段的卫星地面终端实现监测和定位。

图12. HE800-DC30配合PR200实现Ka频段卫星终端信号监测

方案4：I/Q数据的记录和输出

完整的I/Q数据记录，是监测取证、后期深入分析的必要过程。罗德与施瓦茨所有的监测接收机，都有I/Q数据记录功能，数据格式公开，除了高质量的I/Q数据外，在I/Q文件中，还记录了载频、带宽、采样率、端口电压、天线k因子、可精确到纳秒级别的高精度时间戳信息，可用于后期对现场信号环境的高精度还原或其它二次开发应用。

各种复杂的发射和干扰情况，可以通过信号分析软件对I/Q数据的处理得以细节呈现和深入分析。

图13. 基于完整I/Q数据重现复杂电磁环境

针对低轨卫星带宽特征，ESMW接收机可以通过100 G接口，输出完整的2000 MHz带宽信号，覆盖完整的下行链路。

图14. 某低轨卫星用户端下行链路完整I/Q记录

全新高性能快速部署监测定位系统

应用场景与技术要求Your task

应用场景：

• 在大型体育场/馆或开放场地召开的大型活动的前期电磁环境测试、现场保护性监测、突发干扰监测与定位；

• 在无固定监测技术设施的情况下，在特殊时期对关键基础设施无线电干扰或用频问题的不间断监测与干扰定位；

技术需求分析- 超短波及6GHz以下频段技术需求：

• 根据无线电业务划分，20MHz-6GHz的无线电信号需综合场外大功率发射台和场内应用的叠加效应，同时会受到密集建筑物造成的多径效应影响，故需求大口径测向天线应对信号多径带来的信号测向问题；

• 频段内无线电频谱有较多复用情况，密集区域复杂电磁环境需求大口径测向天线的无源和有源模式可切换及具备精密射频前端的接收机，以便应对不同的环境要求；

• 频段内包括水平极化广播电视信号和其他不同极化信号，需求天线极化可变；

根据业务模式，发现干扰后需求便携式监测测向接收机和定向天线，实现干扰的抵近查找；

• 结合各类复杂干扰场景和信号留证（记录）分析需求，需求接收机系统具备信号I/Q信号记录功能和信号时频联合分析功能；

技术需求分析- 6GHz-30GHz频段要求：

• 根据在大型活动中常用的无线电业务， 最高频率至30GHz可满足要求，因此频率要求达到30GHz；

• 在SHF频段，收到信号传播特性限制，需求定向天线及相关有源放大器；

系统架构要求：

• 具备自供电，可为天线系统和监测测向设备供电；

• 可快速移动，便于快速部署；

为助力无线电监管用户应对不断变化的需求和技术挑战，罗德与施瓦茨发布创新性的快速部署监测测向解决方案，在全球范围内享有盛誉的PR200（可点击下载）便携式监测测向接收机将可连接高性能的大口径相关干涉监测测向一体化天线，实现真正意义的快速部署并兼顾监测测向性能，有效提高在大型活动中的监测测向技术能力，减轻监测工程师的工作负担并提高无线电安全保障能力。

特别是在可搬移或半固定状态下，监测工程师可以在发现干扰信号或故障设备信号后，立即携带PR200及其配套定向天线组开展抵近干扰信号定位。这种架构不仅减少了投入设备的数量和投资，还可提高系统的使用效率并符合监测测向业务开展逻辑。

罗德与施瓦茨的某客户使用电动助力推车平台搭建了快速部署的监测测向系统，结构图为实际比例尺，可看到PR200接收机通过单线束连接到ADD597（可点击下载）监测测向天线，在20MHz-8GHz频率范围内的开展监测和测向业务。在发现可疑信号后，监测工程师可立即从电动推车平台上取下PR200实施干扰源抵近定位。 电动助力推车可有效减轻工作人员负担，并实现半固定长期监测。

基于电动推车的快速部署监测测向系统

系统组成：

• R&S PR200便携式监测测向接收机

• R&S ADD597 监测测向一体化天线

• 电动推车平台及配件 （图片参考客户自建系统，非R&S产品）

系统核心技术参数：

• 监测测向频率范围：20MHz-8GHz

• 监测测向一体化天线，20MHz-8GHz垂直水平极化

• 20MHz-1.3GHz天线有源无源可切换

• 突发短时信号捕获能力100% POI: 750ns

• 测向能力：40MHz宽带测向

• 40MHz IQ数据的输出

• 开放软件接口，支持系统二次开发和集成

系统支持R&S 台式接收机ESMW、ESME和ESMD及紧凑型接收机EM200与PR200复用ADD597测向天线，即系统可无缝升级为多接收通道系统。系统支持车载安装。

频段扫描结合测向功能图示

实时频谱与瀑布图功能图示

时分信号分析-门控频谱功能图示（可通过时域门定位时分系统上行干扰）

信号手动与自动测向功能图示

综上所述，罗德与施瓦茨公司的模块化低轨卫星在轨测试系统能够实现卫星与终端间上下行信号的接收、存储、分析测试与终端定位，可获取信号的详实参数。

同时该系统还可完成众多甚高频频段、移动通信频段的无线电管理任务，有效提高了用户的资产使用价值。

无线电频谱是开展低轨卫星巨型星座通信业务的基础，相关的监管、测量和干扰排查也是推动其发展的重要技术议题。从技术挑战和应用场景入手，本文介绍了罗德与施瓦茨公司融合移动监测站和便携式监测接收机的快速监测与定位方案，希望可以助力工程师在外场外场完成干扰和非法终端的监测与定位任务。考虑到R&S监测设备在各行业的广泛应用，文中的升级方案也可有效保护原有投资。

原文始发于微信公众号（太空安全）：Starlink卫星信号在轨监测测试与分析与终端干扰监测与定位解决方案