天基數(shù)據(jù)鏈抗干擾問題研究*

趙國艷,周 林

(1.西北工業(yè)大學(xué),西安710072;2.解放軍91550部隊(duì)91分隊(duì),遼寧大連116023; 3.中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

天基數(shù)據(jù)鏈抗干擾問題研究*

趙國艷1,2,**,周 林3

(1.西北工業(yè)大學(xué),西安710072;2.解放軍91550部隊(duì)91分隊(duì),遼寧大連116023; 3.中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

針對(duì)天基數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用需求,對(duì)天基數(shù)據(jù)鏈的抗干擾特性進(jìn)行了研究,分析了增強(qiáng)天基數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)抗干擾能力涉及的主要技術(shù)手段,提出了用戶終端在設(shè)備研制中應(yīng)采取的措施,并在應(yīng)用方式上提出了一些建議,對(duì)于抗干擾天基數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)及設(shè)備的研制具有一定的參考價(jià)值。

中繼衛(wèi)星;天基數(shù)據(jù)鏈;用戶終端;抗干擾

1 引 言

高效的武器數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中起到的作用越來越明顯,確保信息鏈路的安全,是現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭取得勝利的重要保證。

隨著導(dǎo)彈武器作戰(zhàn)范圍的擴(kuò)大,采用天基方式進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路的建立是一種理想的方式,具有高覆蓋率、通信容量大等許多優(yōu)點(diǎn),但其容易受到敵方的截獲和干擾,也是不容忽視的問題,如何確保系統(tǒng)的抗干擾能力是設(shè)計(jì)天基數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的關(guān)鍵[1-3]。

美國等發(fā)達(dá)國家的預(yù)警衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星等衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng),均把系統(tǒng)的抗干擾能力作為主要性能之一,典型應(yīng)用如美國的Aerospace,采用了高速率自適應(yīng)天線、天線旁瓣對(duì)消、擴(kuò)頻調(diào)制、切斷干擾者反饋等途徑提高系統(tǒng)的抗干擾能力;美國的高抗干擾軍事衛(wèi)星系統(tǒng)Milstar,采用小型EHF頻段有源調(diào)零天線、自適應(yīng)波束形成技術(shù)、分時(shí)共用技術(shù)以及跳頻等技術(shù),實(shí)現(xiàn)了良好的抗干擾、抗截獲性能。

本文對(duì)天基數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)抗干擾涉及的主要問題進(jìn)行了探討,針對(duì)典型應(yīng)用對(duì)抗干擾能力進(jìn)行了簡單分析。

2 導(dǎo)彈武器天基數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的構(gòu)成

基于天基系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 天基數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.1 Architecture of space-based data link system

天基數(shù)據(jù)鏈由用戶終端、衛(wèi)星平臺(tái)和地面系統(tǒng)三部分組成。

(1)用戶終端

用戶終端安裝在導(dǎo)彈等武器平臺(tái)上,接收中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào),實(shí)現(xiàn)前向信號(hào)的接收解調(diào),并把解調(diào)數(shù)據(jù)送給平臺(tái),實(shí)現(xiàn)遙控等控制功能;同時(shí),接收平臺(tái)送來的返向遙測等數(shù)據(jù),通過調(diào)制、變頻和放大后通過天線發(fā)送給中繼衛(wèi)星,實(shí)現(xiàn)返向數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)平臺(tái)和需求的不同,其功能和性能要求也有較大的差別。

(2)衛(wèi)星平臺(tái)

衛(wèi)星平臺(tái)可為中繼衛(wèi)星,如性能要求不高時(shí),也可使用通信衛(wèi)星。

(3)地面系統(tǒng)

地面系統(tǒng)由地面接收站、指揮控制機(jī)構(gòu)等部分組成,實(shí)現(xiàn)遙控命令的發(fā)送,以及對(duì)返向數(shù)據(jù)的接收、分析、判斷,根據(jù)監(jiān)測情況進(jìn)行相應(yīng)處理等功能。

從數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)組成上可以看出,受干擾的環(huán)節(jié)主要包括衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、前向鏈路及返向鏈路三部分。

干擾信號(hào)包括來自地面和空中的干擾,地面干擾以大功率干擾站為主,一般功率較大,常用來干擾衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器,轉(zhuǎn)發(fā)器阻塞造成無法正常進(jìn)行通信;而空中的干擾以飛機(jī)、衛(wèi)星等為平臺(tái),干擾距離短,干擾功率較大,可以對(duì)上下行鏈路進(jìn)行干擾,具有很強(qiáng)的干擾效果,對(duì)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)具有較大的破壞作用。

3 抗干擾問題考慮

3.1 工作頻段的選用

在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器支持的情況下,應(yīng)盡量選用較高頻率的工作頻段,對(duì)提高系統(tǒng)的抗干擾能力具有較大的好處。一方面工作頻率越高相同的天線口徑時(shí),其波束相對(duì)較窄,干擾信號(hào)進(jìn)入波束內(nèi)的功率較小;另一方面隨著工作頻段的提高,大功率干擾信號(hào)

產(chǎn)生相對(duì)較難,增加了敵人干擾的難度。

目前,中繼衛(wèi)星和許多通信衛(wèi)星系統(tǒng)均提供S、Ka等頻段服務(wù),從提高抗干擾性能上考慮,選用Ka頻段更具優(yōu)勢。

3.2 猝發(fā)通信

在要求高抗干擾的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中,可以考慮采用猝發(fā)通信方式,即無線信號(hào)只在特定的時(shí)間片進(jìn)行發(fā)射,發(fā)射時(shí)間極短,其余時(shí)間處于靜默狀態(tài),由于猝發(fā)通信具有隨機(jī)性和短暫性,能有效避開敵人的偵察和干擾,發(fā)射時(shí)采用功率較高的脈沖功率,勢必增加干擾的難度。

3.3 擴(kuò)頻等體制的應(yīng)用

擴(kuò)頻體制是提高抗干擾能力常用的技術(shù)手段,其本質(zhì)是將信號(hào)的頻譜展寬,擴(kuò)頻信號(hào)的頻譜越寬,在解擴(kuò)時(shí)落入有用信號(hào)帶內(nèi)的干擾功率越小,抗干擾能力也就愈強(qiáng)。

對(duì)于一個(gè)擴(kuò)頻體制的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng),當(dāng)存在干擾時(shí),系統(tǒng)的輸出信噪比可表示為[4]

式中,C為信號(hào)功率,N0為單邊噪聲譜密度,J為干擾信號(hào)總功率,W為擴(kuò)頻帶寬,Rb為信息速率。當(dāng)實(shí)際信噪比等于解調(diào)門限時(shí),并考慮損耗后可得系統(tǒng)的抗干擾容限為

式中,(Eb/N0)threshold為達(dá)到一定性能所需的解調(diào)門限信噪比,(Eb/N0)為實(shí)際信噪比,Ls為系統(tǒng)處理損失。

由上可知,改善抗干擾性能涉及的環(huán)節(jié)主要包括增加系統(tǒng)有用信號(hào)的信噪比、提高系統(tǒng)處理增益以及降低解調(diào)門限等。天基數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的鏈路余量較小,因此通過增加信噪比提高抗干擾的能力比較有限;處理增益的提高可采用擴(kuò)跳結(jié)合、高的碼鐘頻率等方式;而降低解調(diào)門限主要依靠高性能的信道編譯碼,可采用Turbo、LDPC等高效信道編碼、結(jié)合交織等技術(shù),以獲得更高的編碼增益。另外,降低解調(diào)損失、選用自相關(guān)性能優(yōu)良、周期較長的擴(kuò)頻序列也可提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

3.4 設(shè)備實(shí)現(xiàn)因素

設(shè)備本身的實(shí)現(xiàn)也對(duì)抗干擾能力起著至關(guān)重要的作用,主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

(1)終端天線

自適應(yīng)調(diào)零天線是對(duì)抗壓制式干擾的有效手段,目前應(yīng)用比較廣泛,當(dāng)發(fā)現(xiàn)輸入信號(hào)存在干擾時(shí),通過自適應(yīng)算法控制天線波束的形成,在干擾信號(hào)的方向獲得較深的零點(diǎn),減小進(jìn)入接收機(jī)干擾信號(hào)的功率。

(2)射頻信道

設(shè)備信道的設(shè)計(jì)主要是確保較大的動(dòng)態(tài)范圍、防止電路出現(xiàn)飽和及信號(hào)阻塞等[5],具體可包括加強(qiáng)濾波、Smart AGC[6]、抗脈沖干擾抑制等技術(shù)手段。

(3)信號(hào)處理

由于采用了擴(kuò)頻體制,輸入信噪比較低,如果電路中仍采取傳統(tǒng)的信號(hào)總能量檢測方式進(jìn)行增益的控制,可能造成在不同的輸入信號(hào)電平狀態(tài)下有用信號(hào)電平的大范圍變化甚至飽和,同時(shí)還會(huì)造成噪聲功率在有用信號(hào)限幅狀態(tài)下的進(jìn)一步放大,造成在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的輸出信噪比的變化,導(dǎo)致設(shè)備抗干擾能力的下降,因此需進(jìn)行相干AGC的應(yīng)用,即通過環(huán)路提取輸入信號(hào)的強(qiáng)度,實(shí)施相干AGC控制,實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大的相干控制,同時(shí)保持有用信號(hào)始終處于線性狀態(tài),使A/D的性能達(dá)到最佳。

同時(shí),在天基數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中,由于信號(hào)較弱,接收時(shí)采用相干解調(diào)的方式,偽碼、載波等信號(hào)的捕獲跟蹤是設(shè)備工作的基礎(chǔ),在對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)的同時(shí),對(duì)干擾信號(hào)等效為擴(kuò)頻處理,因此比較敏感的環(huán)節(jié)是低通濾波器及環(huán)路帶寬的設(shè)計(jì),需對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),在保持?jǐn)?shù)據(jù)通過的情況下應(yīng)減小低通濾波器和環(huán)路濾波器的帶寬,盡可能地降低干擾信號(hào)進(jìn)入后端的解調(diào)器,避免造成傳輸性能的降低。

4 典型應(yīng)用及性能估計(jì)

實(shí)際應(yīng)用中,前向鏈路的抗干擾性能尤為重要,下面針對(duì)典型應(yīng)用,在用戶終端設(shè)備層面,對(duì)天基數(shù)據(jù)鏈前向鏈路的抗干擾性能進(jìn)行分析和評(píng)估。

假設(shè)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)衛(wèi)星至用戶終端的主要技術(shù)體制如下:工作頻段為Ka頻段,調(diào)制方式為BPSK,傳輸速率為10 kb/s,天線形式為調(diào)零天線;信道編碼RS+卷積級(jí)聯(lián);擴(kuò)頻方式為直接序列擴(kuò)頻,擴(kuò)頻碼速率3 Mchip/s;接收信噪比Eb/N0=10.0 dB;解調(diào)性能為1×10-6。

(1)自適應(yīng)調(diào)零天線

自適應(yīng)調(diào)零天線主要由天線陣元、自適應(yīng)信號(hào)處理器以及調(diào)整加權(quán)網(wǎng)絡(luò)等組成,通過自適應(yīng)算法在干擾方向形成深的零點(diǎn)。采用的自適應(yīng)算法比較多,有MUSIC、PI等多種算法,一般能夠帶來30～40 dB的抗干擾能力,是提高系統(tǒng)抗干擾能力的主要手段之一。

(2)設(shè)備因素

在設(shè)備實(shí)現(xiàn)上,采用擴(kuò)頻體制和FFT干擾抑制技術(shù)[7],通過仿真對(duì)抗干擾性能進(jìn)行驗(yàn)證,仿真原理如圖2所示。

圖2 抗干擾性能仿真原理Fig.2 Simulation principle of anti-jamming

首先考慮沒有干擾信號(hào)存在和有干擾信號(hào)存在時(shí)的性能,仿真性能曲線分別如圖3和圖4所示。

圖3 沒有干擾信號(hào)時(shí)的誤比特性能曲線Fig.3 BER performance curves without interference signal

圖4 有干擾信號(hào)時(shí)的誤比特性能曲線(J/S=40 dB)Fig.4 BER performance curves with interference signal(J/S=40 dB)

從圖3可以看出,在沒有干擾信號(hào)時(shí),通過解調(diào)后的性能曲線與理論非常吻合。由圖4可知:存在干擾信號(hào)時(shí),不采用抗干擾措施,其性能下降非?？?。

在有干擾信號(hào)存在時(shí),通過干擾抑制算法對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制,提高設(shè)備的抗干擾能力,干擾抑制采用N-Sigma自適應(yīng)門限判決算法[8],其門限設(shè)置為μ+Mσ,其中M為加權(quán)系數(shù),μ和σ由下述公式確定:

FFT運(yùn)算點(diǎn)數(shù)選為4 096點(diǎn),干擾信號(hào)帶寬為有用信號(hào)帶寬的20%,由低通濾波器進(jìn)行模擬,經(jīng)過MATLAB仿真,其干擾抑制效果如圖5所示。

圖5 窄帶干擾抑制效果圖Fig.5 Effect of narrow-band interference suppression

從圖5可以看出,通過抑制算法,有效地去除了窄帶干擾信號(hào),但由于有用信號(hào)也被去除了一部分,造成了信噪比的損失,當(dāng)J/S為20 dB、30 dB、40 dB、50 dB時(shí),其信噪比損失情況如表1所示。

表1 窄帶干擾抑制下的信噪比損失Table 1 SNR loss under the condition of narrow-band interference suppression

由上述分析可知,抗干擾算法能對(duì)50 dB以上的窄帶干擾信號(hào)進(jìn)行有效抑制,結(jié)合擴(kuò)頻設(shè)備具有較強(qiáng)的抗干擾能力,受A/D動(dòng)態(tài)等因素的影響,設(shè)備自身的抗干擾能力一般可做到40～50 dB以上,加上天線對(duì)干擾的抑制,前向鏈路的抗窄帶干擾容限可達(dá)80 dB以上。

5 其他抗干擾策略

在實(shí)際工程中,也可從應(yīng)用上采取一些抗干擾策略。

(1)變速率應(yīng)用

擴(kuò)頻增益與信息速率密切相關(guān),當(dāng)系統(tǒng)遭到干擾引起性能大幅降低時(shí),可以按照預(yù)定的協(xié)議自適應(yīng)降低信息速率,提高擴(kuò)頻增益,此時(shí)只對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸,當(dāng)系統(tǒng)性能恢復(fù)后,則提高傳輸速率,保證系統(tǒng)在受干擾的情況下,實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)傳輸功能。

(2)采用多天線工作方式

在要求有很高抗干擾的能力時(shí),可以采用安裝多副天線的形式,在天線的安裝上選擇合適的角度,分別對(duì)應(yīng)不同的衛(wèi)星工作,干擾信號(hào)以及接收天線都具有一定的方向性,不會(huì)同時(shí)對(duì)兩個(gè)天線都造成強(qiáng)的干擾,只要設(shè)計(jì)合理,可以確保當(dāng)一個(gè)受到干擾時(shí),另一個(gè)仍維持正常的工作。

(3)切換工作頻率

通過地面對(duì)系統(tǒng)性能的監(jiān)測,當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性能下降時(shí),可以通過前向的控制指令等方式切換系統(tǒng)的工作頻率,避開干擾信號(hào)。

(4)組合應(yīng)用

與通信衛(wèi)星系統(tǒng)、地基系統(tǒng)等進(jìn)行兼容設(shè)計(jì),相互作為備份,當(dāng)出現(xiàn)干擾時(shí),可以在不同系統(tǒng)之間進(jìn)行切換,避免系統(tǒng)受干擾而出現(xiàn)無法工作的情況。

6 結(jié)束語

抗干擾設(shè)計(jì)是天基數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮的技術(shù)問題之一,本文結(jié)合工程實(shí)際,對(duì)提高抗干擾的技術(shù)途徑進(jìn)行了簡單分析,說明通過多種抗干擾措施的綜合應(yīng)用,可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈武器天基數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)對(duì)抗干擾性能的需求,對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

[1] 雷厲.空間信息系統(tǒng)安全與防護(hù)技術(shù)[J].電訊技術(shù), 2003,43(1):1-5. LEI Li.Security and Protection Technology of Space Information System[J].TelecommunicationEngineering, 2003,43(1):1-5.(in Chinese)

[2] 梁文權(quán),馮書興.航天測控對(duì)抗在未來戰(zhàn)爭中的應(yīng)用[J].電訊技術(shù),2005,45(2):23-25. LIANG Wen-quan,FENG Shu-xing.Application of Confrontation Based Aerospace Measurement and Control in Future Wars[J].Telecommunication Engineering,2005, 45(2):23-25.(in Chinese)

[3] 張芹,南建設(shè).測控鏈路干擾防護(hù)措施[J].電訊技術(shù), 2005,45(5):11-13. ZHANG Qin,NAN Jian-she.Anti-jamming Measures for TT&C Links[J].Telecommunication Engineering,2005, 45(5):11-13.(in Chinese)

[4] Peterson R L,Ziemer R E,Borth D E.擴(kuò)頻通信導(dǎo)論[M].沈麗麗,侯永宏,馬蘭,等,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006. Peterson R L,Ziemer R E,Borth D E.Introduction to Spread Spectrum Communications[M].Translated by SHEN Li-li,HOU Yong-hong,MA Lan,et al.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2006.(in Chinese)

[5] Kaplan E D.GPS原理與應(yīng)用[M].邱致和,王萬義,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2001. Kaplan E D.GPS Principle and Application[M].Translated by QIU Zhi-he,WANG Wan-yi.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2001.(in Chinese)

[6] 張邦寧,魏安全,郭道省,等.通信抗干擾技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社2006. ZHANG Bang-ning,WEI An-quan,GUO Dao-xing,et al.Communication Anti-jamming Technology[M].Beijing:Machine Press,2006.(in Chinese)

[7] Dipietro R C.An FFT based technique for suppressing narrow-band interference in PN spread-spectrum communication systems[C]//Proceedings of 1989 International Conference on ASSP.Scotland:IEEE,1989:1360-1363. [8] Capozza P T.A Single-chip narrow band frequency-domain excisor for a Global Positioning System(GPS)receiver[J].IEEE Journal of Solid State Circuits,2000,35 (3):401-411.

ZHAO Guo-yan was born in Dandong,Liaoning Province,in 1965.She is now a senior engineer.Her research concerns TT&C technology.

Email:lovezgy@163.com

周 林(1971—),男,四川蓬安人,高級(jí)工程師,主要從事航天外測相關(guān)技術(shù)研究。

ZHOU Lin was born in Peng′an,Sichuan Province,in 1971.He is now a senior engineer.His research concerns TT&C technology.

Email:zl_zty_2005@163.com

Study on Anti-Jamming Issues of Space-based Data Link

ZHAO Guo-yan1,2,ZHOU Lin3
(1.Northwestern Polytechnical University,Xi′an 710072,China;2.Unit 91subunit,Unit 91550 of PLA,Dalian 116023,China; 3.Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

This paper addresses the anti-jamming characteristics of space-based data link with respect to its application requirements.The main technical means for strengthening anti-jamming ability of spacebased data link system are describe.Then anti-jamming measures that user terminals should take during system development are proposed,and some advices on application methods are also suggested,which is of reference value for developing space-based anti-jamming data link system and equipment.

data relay satellite;space-based data link;user terminal;anti-jamming

date:2013-05-28;Revised date:2013-10-28

**通訊作者:lovezgy@163.com Corresponding author:lovezgy@163.com

TN97

A

1001-893X(2013)11-1412-05

趙國艷(1965—),女,遼寧丹東人,高級(jí)工程師,主要從事航天遙、外測相關(guān)技術(shù)研究;

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.11.003

2013-05-28;

2013-10-28