衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)綜述*

柴焱杰，孫繼銀，李琳琳，胡寅

(1第二炮兵工程學(xué)院，陜西西安 710025;2第二炮兵指揮學(xué)院，湖北武漢 430012)

0 引言

衛(wèi)星系統(tǒng)因為具有覆蓋范圍廣、傳輸質(zhì)量好、部署迅速、組網(wǎng)方便等特點，在軍事和民用領(lǐng)域都具有特別重要的實用價值。美國已建成國防衛(wèi)星通信系統(tǒng)、艦隊衛(wèi)星通信系統(tǒng)和空軍衛(wèi)星通信系統(tǒng)，承擔(dān)著70%以上的遠距離通信和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，確保了美國駐世界各地武裝力量的近實時指揮控制和管理［1］，成為 C3I系統(tǒng)的支柱。

不同類型的軍用衛(wèi)星有不同的防護措施。以美軍為例，其為光學(xué)成像衛(wèi)星研制“眼瞼”防護裝置，防止精密光學(xué)傳感器(如CCD相機)被激光損壞;對低地球軌道上的重要軍用衛(wèi)星進行抗輻射加固，提高它們在高空核爆條件下的生存能力;對通信衛(wèi)星采用高性能跳頻、自適應(yīng)調(diào)零天線等技術(shù);利用星座組網(wǎng)技術(shù)，確保重要的衛(wèi)星系統(tǒng)處于冗余狀態(tài);等等。

本文綜述通信衛(wèi)星的各種抗干擾技術(shù)?？垢蓴_是為對抗干擾方利用電磁能和定向能控制、攻擊微波電磁頻譜，以提高空間信息系統(tǒng)的生存能力所采取的反對抗方式和措施?？垢蓴_的目的是盡最大的努力抑制敵方對我方空間系統(tǒng)信息獲取、傳輸、處理和分配等能力的攻擊，以有效的措施保障空間信息系統(tǒng)的安全?？傊?，通信衛(wèi)星承擔(dān)著提供通信保障的任務(wù)，必須具有較強的抗干擾能力，因此深入廣泛地研究抗干擾技術(shù)，提高它的抗干擾能力和抗毀性，具有非常重要的意義。

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)面臨的干擾

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道非常脆弱，容易受到干擾和欺騙［2］。目前的干擾手段和方法是多種多樣的［3］。衛(wèi)星通信的通信路徑包含上行信道、下行信道和星間信道3個部分，因此衛(wèi)星通信系統(tǒng)面臨的干擾包括對衛(wèi)星通信上行信道的干擾、對衛(wèi)星通信星間信道的干擾及對衛(wèi)星通信下行信道的干擾［4］。

1.1 對衛(wèi)星通信上行信道的干擾

在對衛(wèi)星通信上行信道的干擾環(huán)境中，通信接收機在衛(wèi)星上，通信發(fā)射機和通信干擾機在地面(海面)或接近地面(大氣層以內(nèi))的空中，電磁干擾源包括陸地固定式干擾機、車載和艦載移動式干擾機、機載干擾機和干擾衛(wèi)星。對上行信道干擾時，為在通信發(fā)射機的輸出端取得1:1的干信比，干擾機的有效輻射功率要比通信機的有效輻射功率大成千上萬倍。通信方可以使用跳頻、擴頻等手段相對于干擾信號取得幾十dB的功率優(yōu)勢。衛(wèi)星接收機可以應(yīng)用天線自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)反干擾，使干擾效果進一步降低。

1.2 對衛(wèi)星通信星間信道的干擾

在組網(wǎng)的衛(wèi)星通信中，為實現(xiàn)環(huán)球通信，通信衛(wèi)星間必須有星間通信信道，星間通信一般采用窄波束的微波、毫米波，干擾通常發(fā)生在星間通信的收發(fā)路徑上?？垢蓴_措施除擴頻、跳頻外，還有很強的通信天線方向圖可選擇。

1.3 對衛(wèi)星通信下行信道的干擾

在對衛(wèi)星通信下行信道的干擾環(huán)境中，通信發(fā)射機在衛(wèi)星上，通信接收機和通信干擾機在地面(海面)或接近地面(大氣層以內(nèi))的空中，電磁干擾源包括干擾衛(wèi)星和機載式、飛航式、傘掛式干擾機。干擾源對于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，干擾距離在視距以內(nèi)，通常比通信距離小10到幾百倍，干擾信號到通信接收機的傳輸損耗僅為通信信號的1%至1/10 000。因此，在功率和距離方面容易取得較大的優(yōu)勢，但在覆蓋面和信號輻射方向上通常處于劣勢。地面站可采用旁瓣遮擋技術(shù)或綜合抗干擾措施排除各種類型的干擾。

除以上干擾形式之外，一般無線通信系統(tǒng)中的干擾亦可被應(yīng)用于衛(wèi)星通信的對抗中，這些干擾可有多種分類方法。如按其形成方式可分為欺騙式干擾、攪擾式干擾和壓制式干擾;按其引導(dǎo)方式可分為定頻守候式干擾、連續(xù)搜索干擾、重點搜索干擾、跳頻跟蹤干擾、擴頻跟蹤干擾和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾;等等［5］。各種通信干擾既有一些物理上的共性，又有很大的特性差異，對通信信號造成的影響也不盡相同。因此，為了確保通信能正常進行，不能僅簡單地采用一種或幾種處理手段，而必須綜合采用多種抗干擾措施。

2 衛(wèi)星通信中常用的抗干擾技術(shù)

目前，衛(wèi)星通信中常用的抗干擾技術(shù)有天線抗干擾技術(shù)、擴頻技術(shù)、星上處理技術(shù)、自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)、擴展頻段技術(shù)、無線光通信技術(shù)、限幅技術(shù)等，這些技術(shù)都有其自身的特點。

2.1 天線抗干擾技術(shù)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)分布在不同的地域、空域，很容易受到干擾，所以抗干擾的首要目的是實現(xiàn)靈活的、優(yōu)化的衛(wèi)星覆蓋，使衛(wèi)星接收天線最大限度接收我方信號，同時“零化”敵方干擾。天線抗干擾技術(shù)是衛(wèi)星通信中最常用的抗干擾措施，包括自適應(yīng)調(diào)零、智能天線和相控陣天線等技術(shù)。

自適應(yīng)調(diào)零的原理是:在星上采用大型的、具有多波束的接收天線，組成一個賦形的天線照射到某一區(qū)域，當(dāng)衛(wèi)星檢測到干擾時，自動將干擾方向的點波束關(guān)閉，從而達到抗干擾的目的。利用自適應(yīng)調(diào)零多波束天線可以在干擾源方向產(chǎn)生深度調(diào)零，使干擾信號的電平減小25～35 dB。美軍“軍事星”(Milstar)上增加了8副點波段天線，其中2副為MDR(中數(shù)據(jù)率)調(diào)零天線，天線可自動調(diào)零，消除干擾［6］。

智能天線(smart antenna)是根據(jù)實際無線信道環(huán)境(包括干擾)變化實時自動地改變天線方向圖從而使本身性能保持最佳的一種天線系統(tǒng)，一個智能天線可同時抑制來自不同方向的多個敵方干擾，使信干比提高幾十dB。智能天線抗干擾的原理是:利用敵我信號在幅度、編碼、頻譜或空間方位的不同特征，通過信號處理器對各陣元進行自適應(yīng)加權(quán)處理，自動控制和優(yōu)化天線陣的方向圖，使天線的增益在我方信號方向上保持最大，在干擾方向增益最小，實現(xiàn)空間濾波。主要由3部分組成:天線陣列、信號通道和自適應(yīng)信號處理。天線陣列由按某種規(guī)律排列的單元天線(或稱陣元)構(gòu)成，陣元間隔應(yīng)小于相干距離。信號通道則為每個陣元的空間感應(yīng)信號提供物理通道，在信號通道中可進行放大、變頻、A/D(D/A)轉(zhuǎn)換等處理。自適應(yīng)信號處理由波束形成網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)算法構(gòu)成，是智能天線的核心部分。智能天線在抗干擾方面的潛在優(yōu)勢表現(xiàn)在快速定位、快速跟蹤，瞬時測頻，較高的隱蔽性和保密性等方面，并且在電磁兼容要求方面，智能天線的應(yīng)用亦能增加單位空間中可容納的電子設(shè)備數(shù)量［7］。

用相控陣天線在空域進行波束合成來抑制強干擾也是保障衛(wèi)星正常通信的一種關(guān)鍵技術(shù)，其運行時可根據(jù)戰(zhàn)場形勢的變化控制星上發(fā)射天線指向，使波束覆蓋范圍隨用戶運動作相應(yīng)變化，還可恰當(dāng)選擇衛(wèi)星天線波束形狀來提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力。其中一個重要的問題是如何在盡可能短的時間里估計出多個干擾方向然后進行調(diào)零。陶海紅等人［8］提出了基于免疫遺傳算法的自適應(yīng)天線調(diào)零方法，在低SNR，快拍數(shù)少的情況下，對收斂速度和精度以及波束保形上做了很多改進。

2.2 擴頻技術(shù)

擴頻抗干擾技術(shù)已成為衛(wèi)星通信中最基本的抗干擾技術(shù)［9］。擴頻技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號用一個與其無關(guān)的碼序列來擴展頻譜，使其帶寬遠遠超過傳輸所需要的最小帶寬;在接收端用相同的碼序列對其進行同步接收、解擴，以便使信號恢復(fù)到原始狀態(tài)。擴頻技術(shù)的優(yōu)點有:安全保密，不干擾其他電信設(shè)備，抗干擾性能強，抗噪聲能力強，不怕衰落，可頻率復(fù)用等。擴頻系統(tǒng)根據(jù)頻譜擴展的不同方式可分為直接序列擴頻(DS)方式和跳變頻率(FH)方式。

直接序列擴頻直接用具有高碼率的擴頻碼序列在發(fā)送端擴展信號的頻譜，而在接收端用相同的擴頻碼序列解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。直接序列擴頻抗干擾技術(shù)由于提出較早，理論較成熟且易于實現(xiàn)，因此在衛(wèi)星通信抗干擾系統(tǒng)中廣泛采用，獲得深入研究。早在1966年，美國的第1顆軍事通信衛(wèi)星DSCS I就使用了擴頻多址技術(shù)。美軍目前正在使用的Milstar、租賃衛(wèi)星LEASAT和艦隊通信衛(wèi)星FLTSATCOM系統(tǒng)也采用了直接擴頻和星上解擴技術(shù)。為克服直接序列擴頻在強干擾情況下的低SNR，文獻［10］提出了使用訓(xùn)練隊列將輸出信號進行盲處理的算法。

跳頻通信是收發(fā)雙方傳輸信號的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進行離散變化的通信方式，即通信中使用的載波頻率受偽隨機變化碼的控制而隨機跳變。從實現(xiàn)方式來說，“跳頻”是一種用碼序列進行多頻頻移鍵控的通信方式，也是一種碼控載頻跳變的通信系統(tǒng)。從時域上來看，跳頻信號是一個多頻率的頻移鍵控信號;從頻域上來看，跳頻信號的頻譜是一個在很寬頻帶上以不等間隔隨機跳變的信號。跳頻控制器為核心部件，包括跳頻圖案產(chǎn)生、同步、自適應(yīng)控制等功能;頻合器在跳頻控制器的控制下合成所需頻率;數(shù)據(jù)終端對數(shù)據(jù)進行差錯控制。跳頻通信作為擴頻通信的一種，因其良好的抗干擾性和保密性而廣泛應(yīng)用于軍事通信中。對跳頻系統(tǒng)的限制在于頻率合成器的高速轉(zhuǎn)換而無雜波產(chǎn)生，其一項重要參數(shù)是頻率的跳變速率，它很大程度上決定了跳頻通信系統(tǒng)抗跟蹤式干擾的能力，因此跳頻技術(shù)一直向更高的速率發(fā)展。由于衛(wèi)星工作頻帶很寬，為了在不同的轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)都能工作，通常要求地面設(shè)備必須覆蓋500 MHz以上帶寬，要在如此寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)快速、精細(xì)的跳頻，難度很大［11］。

2.3 星上處理技術(shù)

星上處理可以使上、下行鏈路之間去耦，減少或消除上行干擾對下行鏈路的干擾作用，同時設(shè)法避免轉(zhuǎn)發(fā)器被推向飽和。星上處理技術(shù)包括有:星上信號解調(diào)再生、解跳/再跳、解擴/再擴、譯碼/編碼、速率變換、多波束交換、智能自動增益控制(SMART AGC)，以及多址/復(fù)用方式轉(zhuǎn)換(如上行CDMA或FDMA變換成TDMA)等等。在美軍Milstar衛(wèi)星系統(tǒng)中，上行采用FDMA和全頻帶跳頻，下行采用TDMA和快速跳頻。這樣可充分利用行波管放大器的功率，功率的增加可減小用戶端的天線尺寸，上行的功率不需要很大就可滿足需要，從而降低了對地面站設(shè)備的要求。

2.4 自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)

自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)(ACM)是一種具有信道自適應(yīng)特性、適用于衛(wèi)星等使用無線信道通信的傳輸技術(shù)，它建立在信道估計的基礎(chǔ)之上，通過回傳信道將信道狀態(tài)信息傳送給發(fā)送端，使其根據(jù)不同的信噪比自適應(yīng)地改變編碼方式和調(diào)制方式。當(dāng)信噪比較低時，使用較低的信息速率;當(dāng)信噪比較大時，采用較高的信息速率，這樣總體上使信道利用率比固定速率的系統(tǒng)得到提高，從而使系統(tǒng)高效可靠傳輸，整體性能達到最優(yōu)。決定自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)性能的因素有自適應(yīng)回路延時、鏈路狀態(tài)估計算法和調(diào)制編碼方案的粒度。與非自適應(yīng)方案相比，自適應(yīng)編碼調(diào)制大約可以提供20 dB的功率增益［12］。選擇具有更大功率效能、更高頻帶利用率的編碼調(diào)制方案將進一步提升自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)的性能。目前比較典型的自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)包括自適應(yīng)網(wǎng)格編碼調(diào)制、Turbo碼自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)、自適應(yīng)比特交織編碼調(diào)制技術(shù)等。

2.5 擴展頻段技術(shù)

EHF(極高頻)對應(yīng)頻段為30～300 GHz，相當(dāng)于民用衛(wèi)星的Ka頻段，使用EHF能夠有效減小天線尺寸，取得更高的數(shù)據(jù)傳輸率［13］，具有良好的抗干擾性能和較大的帶寬，缺點是對雨等因素較敏感。對EHF的研究開始于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過幾十年的努力，已經(jīng)日趨成熟，進入實用階段。美軍正在發(fā)展的未來軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)先進極高頻(AEHF)衛(wèi)星系統(tǒng)用于取代Milstar系統(tǒng)，其容量是Milstar-2衛(wèi)星的12倍，數(shù)據(jù)傳輸率比后者高10倍。法國于2006年8月發(fā)射的第2顆第3代軍用通信衛(wèi)星“錫拉庫斯”3B也采用了擴展頻段，在EHF和SHF波段上運行。英國1988年至2001年發(fā)射的天網(wǎng)1～4和2007年3月入軌的天網(wǎng)5A系列軍用衛(wèi)星，也使用了多種頻段，具有抗核電磁脈沖(EMP)能力和反阻塞功能。

2.6 無線光通信技術(shù)

無線光通信(FSO)是以大氣作為傳輸媒質(zhì)來進行光信號傳送的，只要在收發(fā)兩個端機之間存在無遮擋的視距路徑和足夠的光發(fā)射功率，通信就可以進行。FSO是物理層傳輸設(shè)備，任何傳輸協(xié)議均可容易地疊加上去，對語音、數(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務(wù)可以實現(xiàn)透明傳送。一個無線光通信系統(tǒng)包括3個基本部分:發(fā)射機、信道和接收機。在點對點傳輸?shù)那闆r下，每一端都設(shè)有光發(fā)射機和光接收機，可以實現(xiàn)全雙工的通信。光發(fā)射機的光源受到電信號的調(diào)制，通過作為天線的光學(xué)望遠鏡，將光信號通過大氣信道傳送到接收機望遠鏡;在接收機中，望遠鏡收集接收光信號并將它聚焦在光電檢測器中，光電檢測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。FSO具有的優(yōu)點有:頻帶寬，速率高;頻譜資源豐富，多采用紅外光傳輸，系統(tǒng)的工作頻段在300 GHz以上，該頻段的應(yīng)用在全球不受管制;協(xié)議透明;架設(shè)靈活便捷;安全保密性強，與電波之間不存在干擾問題;成本低［14］。除美國之外，歐洲ESA、日本等國也在大力研究光通信技術(shù)，激光空間鏈路技術(shù)正向長波長、大容量、遠距離、低功耗、小型化、一體化以及星間組網(wǎng)的方向發(fā)展。

2.7 限幅技術(shù)

限幅技術(shù)是目前星上廣泛采用的一種抗干擾措施，作用是避免轉(zhuǎn)發(fā)器中的功率放大器被上行干擾推向飽和。理想的限幅器，應(yīng)該具有這樣的限幅特性:在輸入高功率信號時具有很高的信號衰減，即隔離度(isolation)高;在低的輸入信號功率時只有一個很小的插入損耗(insertion loss)。限幅分為軟限幅和硬限幅。硬限幅轉(zhuǎn)發(fā)器完全工作在非線性狀態(tài)，大信號壓縮小信號，連續(xù)波干擾引起的壓縮比最為嚴(yán)重。PIN限幅器是保護后面靈敏接收機電路不被自身發(fā)射脈沖泄漏功率和其他靠近的大功率微波信號燒毀的重要器件，目前發(fā)展最快也極具應(yīng)用前景的微波功率器件材料是碳化硅第3代寬帶隙半導(dǎo)體材料，碳化硅的擊穿電場強度是硅的8倍，熱導(dǎo)率性能是硅的3倍，電子飽和漂移速度是硅的2倍，這些優(yōu)點有利于提高器件的抗輻射性能，熱穩(wěn)定性以及工作頻率，文獻［15］對其進行了仿真驗證。軟限幅轉(zhuǎn)發(fā)器工作在線性區(qū)和限幅區(qū)2個區(qū)域，壓縮比不僅同干信比和干擾類型有關(guān)，還跟限幅門限有關(guān)。在限幅過程中由于非線性的作用，會產(chǎn)生強信號抑制小信號，使信噪比下降，最大可達6 dB，相對而言，軟限幅較硬限幅有大約4 dB的性能改善。

3 衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)的發(fā)展趨勢

本文提到的無線通信系統(tǒng)中，自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)只是在時域、頻域內(nèi)動態(tài)調(diào)整各種傳輸參數(shù)以適應(yīng)信道的變化。由于經(jīng)不同發(fā)射天線發(fā)送的信號所經(jīng)歷的信道衰落情況也各不相同，這為自適應(yīng)調(diào)制編碼算法與多天線系統(tǒng)的結(jié)合提供了可能。因此，在最新的技術(shù)中，自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)擴展到空域，與多天線分集技術(shù)結(jié)合。FSO目前存在的難點問題主要集中在大氣信道中粒子對光線的散射與吸收，收發(fā)端對準(zhǔn)，激光的安全性，傳輸速率，傳輸距離與信號質(zhì)量的矛盾等方面，這些問題影響了傳輸?shù)目煽啃裕瑢@些問題的研究成為FSO的發(fā)展方向。混合擴頻技術(shù)和自適應(yīng)擴頻技術(shù)的研究，如借助混沌序列和密碼序列設(shè)計原理，尋找性能更佳的跳擴頻碼，并結(jié)合自適應(yīng)技術(shù)，設(shè)計相應(yīng)的同步算法等，是擴頻技術(shù)中值得進一步研究的問題。

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