衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾性能評估指標體系研究

魯娜++張杰++馬東堂

摘 要： 抗干擾性能評估是衛(wèi)星通信系統(tǒng)研發(fā)中的一項基礎工作，要使得評估的結(jié)果更加有效可靠，建立一套科學合理的評估指標體系至關重要。給出了衛(wèi)星抗干擾評估指標體系建立的原則，分析了衛(wèi)星通信過程中所遇到的各類干擾威脅和相應的抗干擾手段及其對評估指標體系的影響，提出了評價系統(tǒng)物理層安全傳輸性能的指標，建立了一套衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾性能評估指標體系。

關鍵詞： 衛(wèi)星通信； 性能評估； 抗干擾； 指標體系

中圖分類號： TN927?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）19?0029?04

Study on anti?jamming performance evaluation index

system of satellite communication system

LU Na， ZHANG Jie， MA Dong?tang

（School of Electronic Science and Engineering， National University of Defense Technology， Changsha 410073， China）

Abstract： Anti?jamming performance evaluation is a basic work in developing a satellite communication system. It is crucial to establish a scientific and rational evaluation index system to make the assessment more valid and reliable. In this paper， a principle of establishing an anti?jamming evaluation index system is given， and then various jamming threaten， corresponding anti?jamming methods and their impact on evaluation index system are analyzed. Several evaluation indexes of physical layer security are discussed. An anti?jamming performance evaluation index system for satellite communication system was established.

Keywords： satellite communication； performance evaluation； anti?jamming； index system

0 引 言

當今衛(wèi)星通信受到各國的關注和青睞，但由于受在公開的軌道上運行這一自身條件的限制，會面臨電磁干擾、截獲甚至被摧毀的威脅。面對可能遇到的威脅，各國紛紛提高自身衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗干擾能力。美國為戰(zhàn)略和戰(zhàn)術兩種環(huán)境下的移動用戶研發(fā)了高抗干擾、高可靠性軍事星系統(tǒng)（MILSTAR），又研發(fā)了先進極高頻（AEHF）衛(wèi)星通信系統(tǒng)。它繼承了軍事星的諸多特點，能夠提供高安全性的、抗干擾的、不易截獲的、不易探測到的通信服務，同時提供“動中通”服務[1]。

性能評估作為一項基礎性工作，在系統(tǒng)的設計研發(fā)和使用過程中起著重要的作用。評估指標體系不僅能驗證系統(tǒng)的合理性，也可以為研發(fā)工作提供建議和研發(fā)方向。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾性能評估方面，目前尚沒有一套完備而有效的指標體系。為了突出重點，主要考慮電磁干擾和摧毀這兩類威脅，綜合分析跳頻技術、自適應調(diào)零天線技術和鏈路抗干擾技術等抗干擾手段在評估中的影響，引入衛(wèi)星通信物理層安全的概念和性能評價指標，建立了一套有效的衛(wèi)星抗干擾性能評估指標體系，為衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾技術研究提供基礎支撐。

1 抗干擾性能評估指標體系建立原則和過程

指標體系是為評估確定的層次化的準則和與方案相聯(lián)系的屬性集的總稱[2]。指標體系中的層次是構(gòu)成體系的骨骼，各個指標則是構(gòu)成體系的血肉。因此在選取指標時要遵循明確性、全面性、可行性和協(xié)調(diào)性的原則，在建立指標體系時要遵循完備性、獨立性、客觀性、簡練性、層次性、通用性和開放性的原則[3]。

在建立抗干擾性能評估指標體系的過程中，首先要對衛(wèi)星通信系統(tǒng)面臨的干擾威脅以及抗干擾手段進行分析，確定抗電磁干擾性能和抗摧毀威脅性能這兩個主要指標?？紤]到跳頻和天線在抗干擾過程中的重要作用以及網(wǎng)絡交換和物理層安全的影響，抗電磁干擾性能指標包括跳頻抗干擾性能、Smart AGC（SMART Automatic Gain Control）抗干擾性能、天線抗干擾性能、星上處理抗干擾性能、鏈路抗干擾性能、網(wǎng)絡交換抗干擾性能和物理層安全傳輸性能；抗摧毀威脅性能指標主要有可靠性、抗毀性和電子防御能力。在這些指標的基礎上，根據(jù)其自身特點，還要確定子指標，子指標要具備清晰化、可量化的特點。

2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)面臨的主要干擾威脅和主要抗

干擾手段

2.1 主要干擾威脅

由于衛(wèi)星運行在特定的軌道和高度，因此不具備隱蔽性，這就使得衛(wèi)星會面臨來自各個方面各種類型的干擾。按照鏈路的不同，常分為上行干擾、星間干擾和下行干擾三種。就上行干擾和下行干擾而言，通常是偵查到上行信號從而干擾下行信號，或者是偵查到下行信號而去干擾上行信號。通常是對上行鏈路實施干擾，這是由于衛(wèi)星的軌道和高度固定，易于瞄準；而對下行鏈路的干擾而言，由于通信終端的距離不定，有些相隔很遠，這使得在干擾時需要消耗更大的功率。但是對于距離相隔很近的終端，下行干擾也是很有效的[4]。

就具體的威脅來說，主要考慮電磁干擾和摧毀兩大類，下面就這兩類威脅進行具體分析。

電磁干擾可以分為壓制式干擾、欺騙式干擾和靈巧干擾三類。具體分類如圖1所示。

壓制式干擾是最常見的干擾樣式，脈沖干擾、跟蹤干擾等都是一些典型的壓制式干擾。例如在快速跳頻通信中，利用跟蹤干擾的方式會有很好的干擾效果，但是干擾效果同時也受到跳頻通信和干擾之間的跳速等參數(shù)的限制[5]。

隨著抗干擾技術的發(fā)展，壓制式干擾的功率將大幅度增大，加大了干擾設備的復雜度和規(guī)模。然而干擾設備的發(fā)展趨勢是靈巧性、隱蔽性、便捷性等，這對干擾樣式提出了更高的要求。靈巧干擾是一種新的干擾樣式，主要考慮以下兩個方面的“靈巧”：第一種是針對通信過程步驟中的各個特征實施干擾。常規(guī)的干擾研究只關心信號本身的特征，而忽略了通信的過程特征。然而一次完整的通信過程應包括同步引導、幀同步、訓練序列等步驟，每一個步驟對準確通信均有重要作用。靈巧干擾根據(jù)通信信號的調(diào)制、傳輸、解調(diào)等環(huán)節(jié)特點設計干擾[6]。第二種是可以利用地基干擾機、空基干擾機、天基干擾機的組合形式對通信系統(tǒng)進行干擾。由于各種干擾機的特性不同，組合在一起后可以擴大干擾的頻率范圍，同時可以減少干擾功率。同時，針對不同的干擾目標，可通過調(diào)整干擾機的數(shù)量和位置來達到較好的干擾效果。

除了常見的電磁干擾對衛(wèi)星通信的影響，本文還將分析衛(wèi)星對抗摧毀的問題。在激光武器等高能武器迅速發(fā)展的今天，利用他們對衛(wèi)星進行的硬摧毀也是不可忽視的一個重要方面。與電磁干擾不同的是，利用定向能武器干擾需要付出更高的代價和成本，但是效果也是電磁干擾無法媲美的。如果說電磁干擾只是導致不能接受正確的指令和不能正常工作，那么定向能武器則可以使整個系統(tǒng)致盲甚至是徹底摧毀。因此，在必要時，即使是要付出更多的代價，定向能武器也是更好的選擇。雖然這類干擾的效果很好，但是也受到一些客觀因素的限制，例如制導精度、擊毀方式和技術難度等都是急需考慮的問題[7]。衛(wèi)星所面臨的摧毀威脅如圖2所示。

2.2 主要抗干擾手段及其性能評價指標

衛(wèi)星通信系統(tǒng)所采用的抗電磁干擾的技術手段很多，常用的有跳頻技術、自適應調(diào)零天線技術、多波束天線技術、Smart AGC技術等，這些常常被用到抵抗電磁干擾威脅上。對于跳頻技術而言，在面臨窄帶噪聲、脈沖干擾這類在部分頻段干擾的情況時，跳頻能發(fā)揮很好的抗干擾效果，甚至有些還具有檢測功能，這樣就可以避開干擾頻段；但是對轉(zhuǎn)發(fā)式、跟蹤式干擾的抵抗效果一般。如果要抵抗這些干擾，就對跳速提出了一定要求。同時，對于跳頻系統(tǒng)自身而言，跳頻帶寬、跳頻碼長度、同步時間、跳頻增益和干擾容限這幾個基本的因素是衡量跳頻抗干擾效果的關鍵[8]。

Smart AGC是一種新型的自適應衛(wèi)星抗干擾技術，由于其理想的抗干擾性能，已被應用于美國軍事衛(wèi)星通信中[9]。在實施抗干擾的過程中，輸入信干比對抗干擾效果的影響很大，因此在性能評估時要考慮這一指標。對于天線抗干擾技術而言，由于不同的天線有著不同的抗干擾特點，因此天線的樣式是一個關鍵的問題，在樣式多變不定的情況下，天線的數(shù)量、覆蓋率和絕對增益都會影響抗干擾效果。除此之外，星上處理抗干擾能力也是需要重視的方面。由于透明轉(zhuǎn)發(fā)器自身的抗干擾能力限制，使得現(xiàn)在的星上主要采用處理轉(zhuǎn)發(fā)器，其處理轉(zhuǎn)發(fā)能力和信號再生能力都是衡量轉(zhuǎn)發(fā)器性能的重要指標，其次還需要考慮其編碼增益。另外，網(wǎng)絡交換的抗干擾能力也影響了衛(wèi)星通信抗干擾水平，主要關注的指標有服務容量、路由開銷、擁塞率、路由切換時延和網(wǎng)絡平均吞吐量。最后，鏈路的抗干擾能力選用干擾容限這一指標。

物理層安全傳輸性能是近年來提高無線通信系統(tǒng)抗偵測能力的一種新的技術手段。利用無線信道自身特性之間的差異性（如衰落、信號混合和噪聲）和隨機性，來提高合法用戶之間信息傳輸?shù)陌踩?。物理層安全性能評價目前尚沒有公認的性能評價指標。目前已提出的評價指標主要有保密容量、保密速率、保密中斷概率、保密區(qū)域等。

保密容量是指合法用戶能夠以完全保密的方式進行通信時的最大信息傳輸速率。保密中斷概率是指系統(tǒng)的保密傳輸速率小于某一特定門限速率的概率，當保密傳輸速率小于此門限速率時即認為保密中斷，此時發(fā)送者不應試圖給合法接收者發(fā)送任何信息，即不能達到完全保密的概率。影響系統(tǒng)保密容量及系統(tǒng)中斷概率的主要因素是合法用戶信道的信噪比與竊聽用戶信道的信噪比。前者相對于后者越大，保密容量就越大，在相同的信息傳輸速率下，中斷概率也就越小[10]。

在評價抗摧毀威脅時，不會像分析抗電磁威脅時一樣從各個不同的具體的抗干擾技術出發(fā)，而是從最基本的可靠性、抗毀性和電子防御能力三個大的方面進行評價。對于可靠性，它要既能反映出衛(wèi)星自身可用的時間限制，也能反映出衛(wèi)星在出現(xiàn)故障的情況下能夠正常完成任務的能力。衛(wèi)星使用壽命可以體現(xiàn)第一項，第二項可以通過星上設備的備份情況、地面故障修復率和運控系統(tǒng)的冗余度體現(xiàn)?？箽允菓獙男噪娮庸艋蛴谰眯晕锢砥茐牡牡钟芰?，主要從網(wǎng)絡拓撲層的冗余性設計、設備層的硬件備份和設備的可維修概率這三個方面評價。電子對抗已經(jīng)是未來衛(wèi)星通信過程中不容忽視的一個方面，它反映衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信對抗能力，主要有抗干擾措施、處理增益和干擾容限、反欺騙能力以及電磁兼容性這幾個評價指標。

3 衛(wèi)星抗干擾性能評估指標體系

衛(wèi)星抗干擾性能評估指標體系要對各方面的影響因素進行規(guī)整并進行層次劃分。衛(wèi)星抗干擾性能評估指標體系如圖3所示。

由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，耗資大，在層次的考慮上要兼顧全面，將指標體系分為四層。第一層衛(wèi)星是總目標層。由于衛(wèi)星面臨的干擾是多方面的，主要是電磁干擾和摧毀威脅兩個大的方面，因此第二層是以抗電磁干擾和抗摧毀威脅這兩點為子目標。第三層從十個方面對上一層進行補充，這十項指標相互協(xié)調(diào)，基本全面地滿足上一層指標的要求。第四層所選取的指標是對上一層的具體化，具有可量化和清晰化的特點，可以通過這些指標對衛(wèi)星的抗干擾性能進行直觀的評估[11]。

該體系主要從兩大干擾威脅出發(fā)進行建立。在電磁干擾部分，綜合考慮了常用的抗干擾手段，包括跳頻技術、Smart AGC技術、天線的選擇和星上處理能力，同時考慮具體的鏈路和網(wǎng)絡交換抗干擾性能及物理層安全傳輸性能方面，基本能夠體現(xiàn)抗電磁干擾性能；在摧毀威脅部分，由于和電磁干擾的性質(zhì)和方式都不同，因此從可靠性、抗毀性和電子防御三個大的方面進行概括，較為完整地闡述了抗干擾性能的各個方面。

4 結(jié) 語

抗干擾性能評估指標體系的建立是一個復雜的過程，本文對電磁干擾和摧毀威脅兩個方面進行了具體的研究。如今的抗干擾方式也很多，對幾種典型常用的抗干擾手段進行了分析，其中包含了評價物理層安全傳輸性能的相關指標。本文建立的衛(wèi)星抗干擾性能評估指標體系可為衛(wèi)星通信系統(tǒng)總體性能評估奠定基礎。

參考文獻

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該體系主要從兩大干擾威脅出發(fā)進行建立。在電磁干擾部分，綜合考慮了常用的抗干擾手段，包括跳頻技術、Smart AGC技術、天線的選擇和星上處理能力，同時考慮具體的鏈路和網(wǎng)絡交換抗干擾性能及物理層安全傳輸性能方面，基本能夠體現(xiàn)抗電磁干擾性能；在摧毀威脅部分，由于和電磁干擾的性質(zhì)和方式都不同，因此從可靠性、抗毀性和電子防御三個大的方面進行概括，較為完整地闡述了抗干擾性能的各個方面。

4 結(jié) 語

抗干擾性能評估指標體系的建立是一個復雜的過程，本文對電磁干擾和摧毀威脅兩個方面進行了具體的研究。如今的抗干擾方式也很多，對幾種典型常用的抗干擾手段進行了分析，其中包含了評價物理層安全傳輸性能的相關指標。本文建立的衛(wèi)星抗干擾性能評估指標體系可為衛(wèi)星通信系統(tǒng)總體性能評估奠定基礎。

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4 結(jié) 語

抗干擾性能評估指標體系的建立是一個復雜的過程，本文對電磁干擾和摧毀威脅兩個方面進行了具體的研究。如今的抗干擾方式也很多，對幾種典型常用的抗干擾手段進行了分析，其中包含了評價物理層安全傳輸性能的相關指標。本文建立的衛(wèi)星抗干擾性能評估指標體系可為衛(wèi)星通信系統(tǒng)總體性能評估奠定基礎。

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