天地一體化網(wǎng)絡(luò)空間信息抗干擾技術(shù)

陳新龍+陳大可

摘要：基于空間信息抗干擾概念和典型系統(tǒng)抗干擾技術(shù)應(yīng)用分析，提出了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中空間信息系統(tǒng)在信息獲取、傳輸、存儲和處理過程中均面臨干擾的特點。指出了國際上空間信息抗干擾的新趨勢，如系統(tǒng)防護能力愈加全面、系統(tǒng)抗干擾能力不斷增強、衛(wèi)星組網(wǎng)日趨成熟、網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議標準化等，同時還指出中國空間信息抗干擾面臨的新問題，如多重干擾并存、“彈性”體系中的抗干擾能力生成、國際新環(huán)境下空間系統(tǒng)主動抗干擾等，并給出了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)空間信息抗干擾未來的研究方向建議。

關(guān)鍵詞：天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)；抗干擾；空間安全

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 （2016） 04-0049-005

得益于低成本火箭發(fā)射技術(shù)、微小衛(wèi)星平臺技術(shù)和載荷技術(shù)的迅猛發(fā)展，實現(xiàn)全球信息，特別是天基信息共享的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)正在全世界范圍內(nèi)引發(fā)廣泛關(guān)注[1]?？臻g信息系統(tǒng)作為一類在太空中組網(wǎng)應(yīng)用的特殊信息系統(tǒng)，因其應(yīng)用環(huán)境的特殊性以及獲取信息、傳輸信息的制約性，面臨著較地面信息系統(tǒng)更為復(fù)雜、特殊的抗干擾問題?？臻g信息抗干擾問題已經(jīng)成為影響這一網(wǎng)絡(luò)正常獲取信息、有效傳輸信息的關(guān)鍵問題之一，直接關(guān)系到空間信息在應(yīng)急救災(zāi)、智慧城市、國家安全等多個領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 空間信息抗干擾內(nèi)涵

“空間信息抗干擾”與“空間信息對抗”密不可分?？臻g信息[2]對抗是指“空間攻防中，以信息獲取、傳輸、存儲、處理過程為中心構(gòu)成的對抗。又稱空間信息戰(zhàn)。是一種信息化的作戰(zhàn)形態(tài)，通過破壞敵方信息內(nèi)容、基于信息過程、信息系統(tǒng)和信息網(wǎng)絡(luò)，同時保護己方的信息、信息過程、信息系統(tǒng)和信息網(wǎng)絡(luò)，取得制信息權(quán)?！备鶕?jù)上述定義，我們認為：空間信息抗干擾是指以空間信息獲取、傳輸、存儲、處理過程為中心，為保護己方信息、信息過程、信息系統(tǒng)和信息網(wǎng)絡(luò)，確保安全、有效地利用空間信息的技術(shù)手段。

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中，面臨干擾威脅的組成要素有空間段的衛(wèi)星系統(tǒng)，包括軌道段的衛(wèi)星，信息傳輸、處理過程的跟蹤控制鏈路（TT&C）和數(shù)據(jù)鏈路，以及地面段的地面站、用戶設(shè)備等，不同的空間系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施需要對抗的潛在干擾類型和環(huán)節(jié)也不同。文章針對空間信息傳輸、存儲和處理過程中的抗干擾技術(shù)，研究了其他一些國家相關(guān)系統(tǒng)和技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，分析了目前存在的主要問題，提出了未來的研究方向。

2 典型的空間系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

2.1 美軍通信衛(wèi)星抗干擾技術(shù)

美軍的受保護通信衛(wèi)星系統(tǒng)經(jīng)歷了從“軍事星”（Milstar）到“先進極高頻”（AEHF）衛(wèi)星的更新?lián)Q代。在系統(tǒng)建設(shè)初期，鑒于當時的冷戰(zhàn)、核戰(zhàn)形勢，Milstar I衛(wèi)星突出強調(diào)核作戰(zhàn)條件下的防護性能；隨著冷戰(zhàn)結(jié)束，Milstar II衛(wèi)星弱化了核防護能力，提升了抗干擾能力及通信性能；而AEHF是美國新一代高防護性能的地球靜止軌道軍事通信衛(wèi)星系統(tǒng)，用于替代“軍事星”衛(wèi)星系統(tǒng)，代表了國際上抗干擾衛(wèi)星通信的最高水平。針對實時視頻、戰(zhàn)場圖像、目標數(shù)據(jù)等戰(zhàn)術(shù)信息傳輸?shù)男滦枨螅珹EHF進一步提升了通信速率、系統(tǒng)容量，在包括核戰(zhàn)爭在內(nèi)的各種規(guī)模戰(zhàn)爭中，為美軍關(guān)鍵戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)部隊提供防截獲、抗干擾、高保密和高生存能力的全球衛(wèi)星通信[3-4]。其在抗干擾方面的主要技術(shù)特點如下：

（1）業(yè)務(wù)容量和數(shù)據(jù)速率獲大幅提高

AEHF衛(wèi)星在Milstar-II衛(wèi)星低數(shù)據(jù)率載荷（LDR）和中數(shù)據(jù)率載荷（MDR）能力的基礎(chǔ)上，增加了擴展數(shù)據(jù)率載荷（XDR）能力，最大數(shù)據(jù)率提高到8.192 Mbit/s。AEHF衛(wèi)星的單星數(shù)據(jù)容量從Milstar-II衛(wèi)星的40 Mbit/s提高到430 Mbit/s，超過了Milstar衛(wèi)星通信系統(tǒng)的總和。星間鏈路數(shù)據(jù)率也由10 Mbit/s提到了60 Mbit/s。

（2）采取多重措施以增強抗干擾能力

采用波束成形網(wǎng)絡(luò)提供調(diào)零天線，對于潛在干擾，波束成形網(wǎng)絡(luò)將使天線自動調(diào)零，而在波束覆蓋范圍內(nèi)的合法用戶則可以正常使用衛(wèi)星，不需要由地面控制和干涉。而且，采用的波形本身也具有很強的抗干擾能力。此外，除了采用擴頻或跳頻技術(shù)實現(xiàn)低檢測概率和低截獲概率，還應(yīng)用了先進的加密技術(shù)，密鑰由美國國家安全局提供。

（3）星間鏈路能力提升互聯(lián)互通能力

系統(tǒng)中衛(wèi)星之間具有星間鏈路，與Milstar衛(wèi)星之間也有星間鏈路。AEHF星間鏈路通過V波段（60 GHz）星間鏈路天線實現(xiàn)，星間鏈路天線饋源可以在60 GHz的頻率上以5%的帶寬實現(xiàn)單脈沖跟蹤。

2.2 GPS系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的重要性和作用使其必然成為攻擊的靶子。雖然目前GPS系統(tǒng)采用了擴頻措施用于降低非授權(quán)用戶定位精度的選擇可用性（SA）措施（已取消），用于反電子欺騙和保密的反電子欺騙（AS）措施（P碼及Y碼）等，具備了一定的防護能力；但隨著攻擊技術(shù)的研究和發(fā)展，只需要以足夠高功率、具有適當時空特征的欺騙干擾信號，就可以在指定的威脅區(qū)域使GPS失效。為此美軍方提出了全新的GPS III計劃，重新設(shè)計天基導航和授時系統(tǒng)，包括衛(wèi)星設(shè)計、補充要求、信號增強及抗干擾。有效載荷抗干擾措施主要包括：

（1）提高空間信號的完善性，要求對星上故障或信號超差能在60 s內(nèi)發(fā)出通知。

（2）采用新的軍用M碼信號，結(jié)合新的M碼信號以抗拒非授權(quán)者使用，且能抵抗干擾。

（3）提高功率和點波束發(fā)射，采用高增益點波束天線，能對選定地區(qū)集中更高的功率。M碼信號至少增強20 dB，以對付干擾的威脅。

此外，針對衛(wèi)星導航在防欺騙方面的脆弱性，研究人員分別從信號體制、終端技術(shù)及外部輔助等3個方面提出了許多防欺騙技術(shù)[5-8]，開展了相關(guān)研究。

2.3 英國Skynet系列衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

英國的軍用通信衛(wèi)星天網(wǎng)（Skynet）迄今已發(fā)展到了第5代。Skynet-5衛(wèi)星體現(xiàn)了軍事衛(wèi)星通信的前沿，如星上載有特高頻和超高頻有效載荷，采用調(diào)零天線增強抗干擾能力，擁有多種可控點波束，并可通過銥星等提高其通信業(yè)務(wù)的覆蓋面。其主要性能和特點有：

（1）高性能的衛(wèi)星平臺

歐洲星-3000S衛(wèi)星平臺是在歐洲星-3000的基礎(chǔ)上專門研制而成的，其綜合性能世界領(lǐng)先，能夠滿足衛(wèi)星的設(shè)計和尺寸要求，可攜帶70臺以上的轉(zhuǎn)發(fā)器。

（2）高性能的星載設(shè)備

星載設(shè)備符合北約防核及防激光輻射設(shè)施安全標準。星載的超高頻和X頻段轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量是Skynet-4轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量的3倍多，且天線具有多點波束可旋轉(zhuǎn)性；通信容量是Skynet-4衛(wèi)星的5倍以上，通信速率也大幅提高，可提供安全可靠的實時加密話音和數(shù)據(jù)鏈路通信。

（3）靈活的覆蓋能力

具備覆蓋大西洋和印度洋的通信能力，裝備有先進的現(xiàn)代化通信設(shè)備，可為英軍提供安全、高效、大容量的軍事通信服務(wù)。衛(wèi)星的4副可控天線及超高頻和X頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，可根據(jù)任務(wù)需要將波束指向某一地區(qū)，使通信效率和靈活性大大提高。此外，還與美國軍用衛(wèi)星相互兼容和聯(lián)通，同時也與銥星、國際通信衛(wèi)星和國際移動衛(wèi)星等商業(yè)衛(wèi)星聯(lián)通，系統(tǒng)綜合利用率既靈活又高效。

（4）較強的抗干擾能力

采用調(diào)零天線增強了抗干擾能力，并且增加了硬度以防核輻射和激光侵蝕；同時采用如碼分多址、星上處理和多波束調(diào)零天線覆蓋等現(xiàn)代通信的高新技術(shù)，使得英軍在未來10年的信息化作戰(zhàn)能力和全球機動作戰(zhàn)保障能力等方面得到了進一步的提升。

（5）新型電子密鑰管理

安裝了新型密碼裝置，該系統(tǒng)中的CLERISY采用美國的電子密鑰管理系統(tǒng)標準協(xié)議。為通信保密管理人員提供自動管理、生成、分發(fā)、存儲、統(tǒng)計和訪問控制等功能。

2.4 俄羅斯通信衛(wèi)星抗干擾技術(shù)

俄羅斯衛(wèi)星通信起步早，擁有多個衛(wèi)星通信系統(tǒng)，陸?？杖姸佳b備有衛(wèi)星通信終端，但是數(shù)字化水平低，功率小，數(shù)據(jù)傳輸速率低，其能力遠低于美國等西方發(fā)達國家的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。其主要特點是依據(jù)較多種類的衛(wèi)星以及衛(wèi)星星座構(gòu)成相應(yīng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

2.5 其他相關(guān)技術(shù)發(fā)展

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，一些新型的防御措施也可以起到信息抗干擾防護的作用[9-10]，例如，空間網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議的標準化、在星間采用的具有高度保密性及抗干擾性的激光通信手段、衛(wèi)星軌道機動技術(shù)以保障衛(wèi)星正常工作以及“彈性”。

2.5.1 CCSDS通信安全協(xié)議

民用空間鏈路采用國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）標準，美國和歐洲軍用航天器也在推廣CCSDS標準。CCSDS協(xié)議較為廣泛的應(yīng)用集中在鏈路協(xié)議。鏈路層安全協(xié)議只能hop-hop級，但是空間鏈路可以考慮采用鏈路層以上的安全協(xié)議實現(xiàn)端到端的安全性[11-13]。對于現(xiàn)有的鏈路層通信安全協(xié)議來說，主要考慮CCSDS標準中的空間通信協(xié)議規(guī)范-安全協(xié)議（SCPS-SP）和地面成熟的互聯(lián)網(wǎng)安全（IPSec）協(xié)議。

2.5.2 空間激光通信技術(shù)

空間激光通信是以激光作為信號載體，在自由空間信道和大氣信道中傳輸，實現(xiàn)信息交換。較于微波通信，在傳輸速率和容量方面，激光通信具有頻帶寬、潛在傳輸速率高的優(yōu)勢；在通信安全性方面，激光通信具有保密性好以及抗干擾這一明顯優(yōu)勢；此外，激光通信終端體積小、重量輕、功耗低，非常適合衛(wèi)星搭載。美國把激光通信作為航天技術(shù)重點發(fā)展的18個領(lǐng)域之一。發(fā)展包括月球激光通信演示（LLCD）項目、火星激光項目等。其中，LLCD項目是世界上首次進行深空激光通信在軌演示驗證的項目。該體制也為美國國家航空航天局（NASA）今后發(fā)展深空激光通信的主要方式。

2.5.3 衛(wèi)星軌道機動技術(shù)

美國在軌運行的高級光電成像偵察衛(wèi)星“鎖眼”具有極強的機動變軌能力，燃料用完后可由航天飛機對其進行在軌加注，因而可隨時調(diào)整衛(wèi)星軌道。利用衛(wèi)星自身機動能力，既能夠機動靈活地在軌道上運行，躲避反衛(wèi)星武器的攻擊進行被動防御，又可以在其上安裝空間監(jiān)視裝置，攻擊告警裝置和針對威脅的對抗裝置，部署在主衛(wèi)星周圍進行伴飛，當發(fā)現(xiàn)有針對衛(wèi)星的攻擊行為時，可以針對攻擊進行誘騙、阻擋或攔截等主動防御?？梢哉f，該系統(tǒng)是美軍對空間防御問題進行長時間思考的結(jié)果[14]。

2.5.4 靈活的“小空間”系統(tǒng)

“小空間”系統(tǒng)因研制周期相對較短，具有快速響應(yīng)、按需發(fā)射、靈活組網(wǎng)、成本可控的獨特優(yōu)勢，可顯著增強美國的空間系統(tǒng)彈性 [15]。作為探索小衛(wèi)星邁向作戰(zhàn)應(yīng)用的重要項目，美國的“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”（ORS）項目已經(jīng)取得顯著進展。該類系統(tǒng)既可降低技術(shù)風險，節(jié)約研制費用，縮短研制周期，又可以增強空間系統(tǒng)的靈活性和強健性，空間單個節(jié)點失效將不會造成整個系統(tǒng)服務(wù)能力失效。

3 空間信息抗干擾發(fā)展趨勢分析

（1）大力發(fā)展軍事通信衛(wèi)星的抗干擾能力

通過發(fā)展星載高分辨率多波束自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)、極高頻（EHF）抗干擾技術(shù)、直擴（DS-SS）和跳頻（FH）、跳時（TH）技術(shù)及其混合技術(shù)、星上再生處理技術(shù)等，消除對方的強干擾，保證衛(wèi)星安全穩(wěn)定運行。如美國的抗干擾系列衛(wèi)星AEHF，英國的Skynet系列衛(wèi)星等代表了當今世界衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)的最高水平，并且保證了衛(wèi)星具有很強的抗干擾功能。

（2）系統(tǒng)防護能力愈加全面

根據(jù)可能面臨的各種干擾威脅，美軍對抗干擾衛(wèi)星通信系統(tǒng)都進行了全面的防護設(shè)計，在系統(tǒng)平臺、載荷、測控鏈路、通信鏈路等各方面都進行了精心考慮，采用了各種先進的電子防御手段，確保系統(tǒng)沒有明顯的短板，能夠?qū)垢鞣N形式的干擾威脅。英、法等國空間系統(tǒng)也針對潛在的干擾采取了較為全面的防護設(shè)計。空間信息抗干擾技術(shù)正向抗核輻射、高可控、高防護能力方向發(fā)展。

（3）系統(tǒng)抗干擾能力不斷增強

從Milstar-I系統(tǒng)的單用戶最高速率為2.4 kbit/s，但是單星容量不到0.5 Mbit/s，發(fā)展到Milstar-II系統(tǒng)的單用戶最高速率1.544 Mbit/s，單星容量40 Mbit/s，到AEHF系統(tǒng)單用戶最高速率達8 Mbit/s、單星容量430 Mbit/s，其規(guī)劃的下一代系統(tǒng)單用戶最高速率為45 Mbit/s，單星容量近10 Gbit/s?？臻g信息抗干擾技術(shù)正朝著超大容量、超寬帶、高速率保密通信的方向發(fā)展。

（4）衛(wèi)星組網(wǎng)日趨成熟

無論是美國的軍事星系列，還是英國的Skynet系列，或是借用商業(yè)衛(wèi)星的軍事通信，均為組網(wǎng)應(yīng)用方式，既有高軌衛(wèi)星組網(wǎng)，又有中、低軌衛(wèi)星組網(wǎng)。衛(wèi)星組網(wǎng)在很大程度上增加了衛(wèi)星的自主性，提高了衛(wèi)星系統(tǒng)的抗干擾和抗毀能力。

（5）網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議標準化

無論是歐洲航天局（ESA）還是NASA，都對CCSDS中規(guī)定的標準大力推廣。在民用航天方面，已經(jīng)得到大量應(yīng)用，在軍用航天方面，也在推廣。采取的安全方案往往簡潔明了，易于執(zhí)行。

4 空間信息抗干擾存在的問題

上面介紹了近年來典型空間信息系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的主要研究成果，這些工作都取得了一定成效，但隨著新技術(shù)和干擾/攻擊手段的不斷發(fā)展，目前仍有幾個方面的相關(guān)問題有待解決。

（1）多重干擾并存下的空間信息系統(tǒng)可用性問題

對空間信息系統(tǒng)的干擾手段是多樣的，抗干擾的措施也層出不窮，但是現(xiàn)在還沒有一種抗干擾技術(shù)可以抵御任何干擾?？梢哉f，空間信息系統(tǒng)的抗干擾是一項系統(tǒng)工程，它要綜合考慮到干擾方可能采用哪些干擾手段的最低通信需求，或者自然干擾的特征是什么，并根據(jù)其具體環(huán)境來選擇相應(yīng)的抗干擾手段。

（2）“彈性”體系中的抗干擾能力生成問題

未來空間信息網(wǎng)絡(luò)不僅通過單一手段進行信息安全防護，網(wǎng)絡(luò)中的路由技術(shù)可以是跨層設(shè)計，通信鏈路中的抗干擾手段可從信息層面到信號層面都進行防護，并采用多種新型的手段，防止信息被截獲或者篡改。

（3）國際新環(huán)境下的空間系統(tǒng)主動抗干擾問題

從目前以美國為首等發(fā)達國家發(fā)布的空間戰(zhàn)略中可以看到，其對于空間網(wǎng)絡(luò)的安全觀發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變，從以往的基于安全防護的基調(diào)轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾涌臻g威懾力，但同時也表明開展航天國際合作的態(tài)度。

5 結(jié)束語

信息網(wǎng)絡(luò)抗干擾問題不容忽視，需要客觀分析面臨的潛在干擾威脅，特別是空間信息系統(tǒng)的抗干擾問題，尋找切實可行的技術(shù)方案。文中，我們討論了空間信息抗干擾的概念內(nèi)涵，研究了典型空間系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)發(fā)展，總結(jié)了空間系統(tǒng)防護能力、抗干擾技術(shù)手段、應(yīng)用模式、協(xié)議標準化等方面與空間信息抗干擾相關(guān)發(fā)展趨勢，并探討了這些技術(shù)存在的問題。

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