問題與挑戰 Your challenge

低軌巨型星座作為商業航天的關鍵基礎設施，在全球范圍內已開始激烈的產業競爭。已有和擬建低軌衛星星座，無論是以通信還是遙感為核心服務能力，無線電頻譜都是其最基礎和核心的資源，也是產業發展的首要條件。

對于無線電頻譜監管、低軌星座運營商和相關系統制造商而言，基于低軌道巨型星座的一系列技術創新，對頻譜測量、終端頻譜監管和干擾監測定位等業務均構成了前所未有的挑戰。如下圖所示，基于低軌及其他軌道位置衛星組成的非地面網絡將協同地面的移動通信網和各類終端形成前所未有的無線電通信網形態。在地面的任意一點開展頻譜監測或干擾排查，都需要對深入了解低軌衛星通信技術并具備完善的技術設備。

圖1. 非地面網絡連接概述 （羅德與施瓦茨，5G 非地面網絡技術概述）

相比擁擠的中高軌，低軌衛星（通常認為是500-2000公里軌道范圍）具備諸如軌道資源多、距離地面近等優勢。但考慮到其頻軌特征、運行速度、過頂時間等特點，實際通信系統更趨向于大規模組網使用。

圖2.衛星軌道與地球大氣層關系 （羅德與施瓦茨，5G 非地面網絡技術概述）

圖3. 衛星軌道典型應用與軌道位置圖 （羅德與施瓦茨，5G 非地面網絡技術概述）

如圖2和圖3所示，低軌衛星的軌道位置帶來衛星相對地球的高速運動，相比中高軌衛星，單個衛星的過頂時間將縮短至數分鐘或數十分鐘（根據軌道位置不同）。這一關鍵特性，影響了低軌終端技術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）形態出現。考慮到低軌衛星的運行速度和過頂時間，如下圖4所示，VSAT需要實時根據星歷表信息對準衛星并修正多普勒頻移。這也引出低軌衛星VSAT終端的一個重要技術特征，即具備動態波束賦型的相控陣天線。相控陣天線的波束賦型的技術特征會對低軌衛星的終端監測帶來較大挑戰，即可監測信號范圍和波束情況高度相關。

圖4.衛星軌道典型應用與軌道位置圖 （羅德與施瓦茨，5G 非地面網絡技術概述）

挑戰1：低軌衛星VSAT相控陣天線帶來的強方向性監測挑戰

具備波束賦型的相控陣天線并不是新的技術，已經在雷達和5G通信領域有成熟應用。如下圖5所示，通過天線陣列，相控陣天線可以在3D空間內動態產生波束跟蹤低軌衛星從而實現通信。但隨著射頻半導體器件的快速發展，新一代低軌衛星的相控陣天線在尺寸和成本方面均有較大進展。特別是在尺寸方面，VSAT終端相控陣天線已可以實現諸如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測試）

圖6.低軌衛星終端相控陣天線

結合圖4和圖5所示，圖6中的VSAT天線可在地面通過相控陣天線使用波束跟蹤低軌衛星從而實現通信，同時波束具備良好的指向性，不易在大范圍內監測到其頻譜。

低軌衛星通信終端常見參數如下圖7所示。

圖7.低軌衛星終端典型參數表（羅德與施瓦茨，5G非地面網絡技術概述）

考慮到目前低軌星座的實際情況和手機直連的技術標準演進現狀，現階段主要以甚小口徑終端VSAT為主要監測對象。

根據圖1. 非地面網絡連接概述中展示的態勢，低軌衛星星座的終端特別是VSAT終端，當前還需與地面頻率進行區分。從全球范圍來看，已運營的低軌星座，其用戶端與衛星直接的連接，均在Ku和Ka頻段。

表1 主要低軌星座用戶端上下行頻段

根據公開信息，我國的GW和G60星座分別使用Ka和Ku頻段。我國銀河航天的“小蜘蛛”實驗星座，也在使用Ka頻段進行科研測試。

挑戰2：低軌衛星VSAT終端上行頻率范圍技術挑戰

對于衛星終端的頻譜監測和干擾定位需要關注其上行頻率，根據上述表1，頻率范圍基本在30GHz以下。在這個頻段進行監測和干擾定位，再加入指向天空的波束及其旁瓣，這給頻譜監測工程師和外場測試工程師帶來很多技術挑戰。例如樹木對Ku和Ka頻段的影響、接收機系統靈敏度對射頻前端的要求等。在干擾定位方面，如何結合移動監測站和便攜式設備快速發現干擾源也是亟待解決的技術難題。

圖8. 地球固定跟蹤區域碼信令舉例

挑戰3：星上波束賦型帶來的監測區域挑戰

通過圖8所示，低軌衛星的星座組網形式導致其需使用和5G系統類似的下行波束覆蓋。這導致終端所在區域在需要連接才有覆蓋，故需求對下行信號的頻譜監測來判斷區域內的覆蓋情況。因此對衛星下行波束賦型的監測也是當前NTN非地面通信的全新技術挑戰。

應用場景與技術要求Your task

應用場景：

低軌衛星終端上行信號頻譜監測與驗證；

合規與非合規低軌衛星終端信號監測與定位；

低軌衛星終端頻譜清頻率與干擾信號采集；

大型活動及重要區域低軌衛星終端頻譜監測及非合規終端定位；

技術需求分析：

需具備移動監測車和便攜式監測系統的快速監測和定位能力；

移動監測車系統需具備衛星上行和行下頻譜監測能力及特定實時帶寬；

考慮到NTN非地面網絡的整體規劃，移動監測系統和便攜式監測系統需具備覆蓋傳統通信頻率和低軌衛星通信頻率能力，需求從400MHz-40GHz（移動監測系統，含衛星下行）、400MHz-30GHz（便攜式監測系統，主要目標為低軌終端上行）;

要求具備可應對復雜電磁環境的接收機前端及可擴展性

要求具備信號記錄能力

羅德與施瓦茨解決方案 Our solution

方案1：基于現有移動監測站的頻段擴展方案

針對衛星終端的監測，是移動監測站所面臨的新任務。根據常規監測業務需求，移動監測站的頻段范圍無法覆蓋當前低軌衛星終端頻率范圍。例如，羅德與施瓦茨公司的經典數字寬帶接收機ESMD和ESME廣泛應用在各行業的移動監測站，本機最高頻率分別為26.5 GHz和18 GHz，亟待擴展升級，以便覆蓋對Ku和Ka頻段低軌衛星終端上行信號的頻段范圍，也可兼顧低軌星座下行信號到40GHz。

圖9. 移動監測站實例

針對此類頻段擴展需要，羅德與施瓦茨公司推出了R&SMC40，將移動監測站的頻段范圍擴展到40 GHz。憑借2 GHz的轉換帶寬，MC40可以在不改變主要監測設備的情況下，基于小巧的外形和開放的SCPI接口支持即插即用到移動監測站中。MC40內置了多組濾波器，抑制帶外信號干擾，從系統層面確保了接收性能。

圖10. MC40將監測接收機頻段擴展到40 GHz

方案2：配置R&S ESMW 超寬帶監測接收機

針對地面和衛星頻段信號的頻譜監測需求，羅德與施瓦茨推出了ESMW超寬帶監測接收機。接收機單機即可覆蓋到40 GHz的頻段范圍，具備2000MHz的實時帶寬，并可以輸出2000 MHz帶寬范圍內完整的I/Q數據供后續分析。ESMW具備豐富而開發的接口，所有的測量數據，包括頻譜數據、測量數據、解調數據、音頻數據、I/Q數據在內，都可以通過接口輸出，適合遠程操作或連接信號分析設備。

圖11. ESMW超寬帶監測接收機實現40 GHz頻段覆蓋 / 2000 MHz實時帶寬和完整I/Q輸出

方案3：便攜式監測設備對衛星終端信號的查找和定位-HE400DC和 HE800-DC30 手持式天線

PR200便攜式監測接收機在行業用戶得到了廣泛的應用，而帶有下變頻器的R&SHE400DC和HE800-DC30手持定向天線，進一步將 R&SPR200 便攜式監測接收機的頻率范圍擴展到20 GHz和33 GHz。

在和行業用戶合作進行的低軌衛星地面終端查找測試中，PR200配合HE800-DC30天線，可以在1公里甚至更遠的距離，可靠地對Ka頻段的衛星地面終端實現監測和定位。

圖12. HE800-DC30配合PR200實現Ka頻段衛星終端信號監測

方案4：I/Q數據的記錄和輸出

完整的I/Q數據記錄，是監測取證、后期深入分析的必要過程。羅德與施瓦茨所有的監測接收機，都有I/Q數據記錄功能，數據格式公開，除了高質量的I/Q數據外，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、可精確到納秒級別的高精度時間戳信息，可用于后期對現場信號環境的高精度還原或其它二次開發應用。

各種復雜的發射和干擾情況，可以通過信號分析軟件對I/Q數據的處理得以細節呈現和深入分析。

圖13. 基于完整I/Q數據重現復雜電磁環境

針對低軌衛星帶寬特征，ESMW接收機可以通過100 G接口，輸出完整的2000 MHz帶寬信號，覆蓋完整的下行鏈路。

圖14. 某低軌衛星用戶端下行鏈路完整I/Q記錄

結語Summary

無線電頻譜是開展低軌衛星巨型星座通信業務的基礎，相關的監管、測量和干擾排查也是推動其發展的重要技術議題。從技術挑戰和應用場景入手，本文介紹了羅德與施瓦茨公司融合移動監測站和便攜式監測接收機的快速監測與定位方案，希望可以助力工程師在外場外場完成干擾和非法終端的監測與定位任務。考慮到R&S監測設備在各行業的廣泛應用，文中的升級方案也可有效保護原有投資。
文中大量的技術圖示和描述來自羅德與施瓦茨公司發布的《5G NTN啟航：5G 非地面網絡技術概論》，請點擊下面圖示下載，作為背景資料閱讀。

羅德與施瓦茨業務涵蓋測試測量、技術系統、網絡與網絡安全，致力于打造一個更加安全、互聯的世界。成立90 年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團，通過發展尖端技術，不斷突破技術界限。公司領先的產品和解決方案賦能眾多行業客戶，助其獲得數字技術領導力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業，公司在全球范圍內獨立、長期、可持續地開展業務。