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。
低轨卫星网络
用户端上行频段
用户端下行频段
STARLINK
14 GHz—14.5 GHz
10.7 GHz—12.7 GHz
Oneweb
14 GHz—14.5 GHz
10.7 GHz—12.7 GHz
Kuiper
28.35 GHz—30 GHz
17.7 GHz—20.2 GHz
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：
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
罗德与施瓦茨解决方案 Our solution
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
结语 Summary
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。
文中大量的技术图示和描述来自罗德与施瓦茨公司发布的
《5G NTN启航：5G 非地面网络技术概论》
，请点击下面图示下载，作为背景资料阅读。
END
罗德与施瓦茨业务涵盖测试测量、技术系统、网络与网络安全，致力于打造一个更加安全、互联的世界。 成立90 年来，罗德与施瓦茨作为全球科技集团，通过发展尖端技术，不断突破技术界限。公司领先的产品和解决方案赋能众多行业客户，助其获得数字技术领导力。罗德与施瓦茨总部位于德国慕尼黑，作为一家私有企业，公司在全球范围内独立、长期、可持续地开展业务。
