衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)的展望

伏雨辰

【摘要】隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，以及在最新通信、定位和導(dǎo)航領(lǐng)域中的應(yīng)用，衛(wèi)星通信技術(shù)為各個(gè)領(lǐng)域提供了方便，從而也促進(jìn)了衛(wèi)星通信的快速發(fā)展。在實(shí)際的實(shí)施過程中，衛(wèi)星通信面臨的主要問題是保證各種干擾存在的情況下衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，這主要表現(xiàn)在抗干擾能力上。因此，本文分析了影響衛(wèi)星通信的因素以及當(dāng)前衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)的現(xiàn)狀，并展望其發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】衛(wèi)星通信;抗干擾技術(shù);多波束天線

中圖分類號(hào)：TN94 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.06..009

衛(wèi)星通信是一種無線通信，是以地球軌道上的衛(wèi)星作為中繼進(jìn)行無線電波發(fā)射或轉(zhuǎn)發(fā)的一種通信手段，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)衛(wèi)星用戶之間的全雙工通信，業(yè)務(wù)種類多，傳輸容量大，覆蓋范圍廣，通信質(zhì)量可靠。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和通信需求的增長(zhǎng)，衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展迅速，以其功能強(qiáng)大和成熟度好，在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用越來越普遍。在太空空間資源中，會(huì)出現(xiàn)如干擾衛(wèi)星，各國發(fā)射的衛(wèi)星擠占軌道資源等各種影響衛(wèi)星通信系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性的計(jì)劃，因此需要提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗干擾能力。

1. 衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)現(xiàn)狀

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)在現(xiàn)代通信中的應(yīng)用與發(fā)展，衛(wèi)星通信的使用已在各個(gè)領(lǐng)域更為普遍。因此，深入研究衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)、提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗干擾能力，是保障復(fù)雜電磁空間環(huán)境下衛(wèi)星通信不受干擾的重中之重。通信抗干擾技術(shù)包括信號(hào)調(diào)制方面、信號(hào)解調(diào)方面和波束轉(zhuǎn)換三個(gè)基本角度。從信號(hào)調(diào)制的角度來看，調(diào)制解調(diào)載波技術(shù)用于上行鏈路和下行鏈路加解密以對(duì)抗干擾方的電磁頻譜偵查和信號(hào)干擾。噪聲和干擾通過上行鏈路傳輸對(duì)整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)影響更大。上行鏈路受到干擾后會(huì)影響到通過這個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的所有衛(wèi)星用戶從而使衛(wèi)星的下行鏈路也受到干擾，破壞效力更強(qiáng)。由于衛(wèi)星暴露在空中且軌道確定，干擾方容易發(fā)現(xiàn)并易于實(shí)施干擾，而且上行鏈路受到干擾的轉(zhuǎn)發(fā)器（特別是透明轉(zhuǎn)發(fā)器會(huì)影響通過該轉(zhuǎn)發(fā)器的所有用戶。因此，干擾上行鏈路非常有效。

最常見的是壓制式電磁干擾，其次是欺騙式干擾。壓制式干擾的原理是在上行鏈路發(fā)射干擾源功率遠(yuǎn)大于有用信號(hào)功率的干擾信號(hào)，使接收機(jī)無法接收有用信號(hào)。欺騙式干擾是通過掌握干擾目標(biāo)信號(hào)，在對(duì)方信號(hào)的收發(fā)過程中對(duì)被干擾方信號(hào)造成有意的延遲、冒充成對(duì)方電臺(tái)截取情報(bào)、發(fā)送與對(duì)方信號(hào)相關(guān)性強(qiáng)的信號(hào)引起系統(tǒng)混亂等行為。而不是簡(jiǎn)單的在功率上實(shí)施壓制。本文中討論針對(duì)壓制式干擾的抗干擾技術(shù)。隨著信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，星上處理也是未來衛(wèi)星抗干擾措施的重要環(huán)節(jié)。如今，衛(wèi)星通信的抗干擾能力正在不斷提高，一些國外的衛(wèi)星抗干擾通信技術(shù)不再只采用單一的抗干擾措施，而是采用了多種抗干擾方案的組合，在信號(hào)的時(shí)域、頻域等方面均采取了加密手段，使干擾方難以偵測(cè)跟蹤破解捕獲。一個(gè)理想的具備抗干擾能力的衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)該具有強(qiáng)大的內(nèi)置信號(hào)處理和傳輸功能，針對(duì)不同類型的干擾具有不同的干擾抑制和消除措施。通常需綜合使用衛(wèi)星通信各個(gè)環(huán)節(jié)的抗干擾技術(shù)手段，以達(dá)成衛(wèi)星抗干擾通信能力。

2. 基帶處理的抗干擾性分析

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的內(nèi)置中，有透明轉(zhuǎn)發(fā)器和內(nèi)置處理轉(zhuǎn)發(fā)器。透明應(yīng)答器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，僅完成增強(qiáng)信號(hào)并將上行鏈路的頻率搬移到下行鏈路發(fā)射頻率的功能。處理轉(zhuǎn)發(fā)器的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，它能對(duì)上行鏈路信號(hào)進(jìn)行處理加工，然后將其發(fā)送到下行鏈路或其他衛(wèi)星。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸比地面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸更長(zhǎng)，并且噪聲和傳輸損耗的影響嚴(yán)重。信號(hào)在傳輸過程中容易出現(xiàn)嚴(yán)重失真。這就要求系統(tǒng)采用具有良好糾錯(cuò)性能的糾錯(cuò)方法來保證通信質(zhì)量。在衛(wèi)星系統(tǒng)中使用的糾錯(cuò)編碼方法中，通常有RS編碼、LDPC碼和Turbo碼等。MUOS系統(tǒng)的內(nèi)置過程繼電器不使用解調(diào)和重新調(diào)制技術(shù)，而是重新輸入編碼和調(diào)制浮點(diǎn)信號(hào)。編碼方法使用TPC編碼方法。TPC代碼是一種非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)編碼方法，基于Chase解碼的迭代解碼方法可以顯示出色的糾錯(cuò)性能。TPC代碼已成為新一代衛(wèi)星通信和深井通信系統(tǒng)中的理想錯(cuò)誤控制方法。在整個(gè)傳輸過程中，MUOS系統(tǒng)的信息流必須兩次通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，并且集成處理和轉(zhuǎn)發(fā)主要在U2B連接的集成部分中完成。在復(fù)雜的信號(hào)處理?xiàng)l件下，B2U連接的接地接收端受到終端電源和其他不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)恢復(fù)的條件的限制。

3. 常用的衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)

3.1 .抗干擾天線技術(shù)

我國的衛(wèi)星通信應(yīng)用范圍很廣，容易受到干擾方來自信號(hào)源的干預(yù)。為了減少或消除干擾方干擾源的干擾，需要重視天線抗干擾技術(shù)的應(yīng)用。由于星載多波束天線技術(shù)可以靈活地調(diào)整衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器使用的波束，選擇沒有受到干擾的波束來轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，因此即使衛(wèi)星通信受到信號(hào)源的阻礙，也可以智能切換波束來避免接收受到干擾的信號(hào)源，提高通信的穩(wěn)定性，提供針對(duì)性的保護(hù)。應(yīng)用在地面段的抗干擾天線理論上以天線陣列的形式應(yīng)用，其基本原理是用輔助天線陣列接收干擾信號(hào)，在信號(hào)處理部分將主天線與輔助陣列天線的接收信號(hào)進(jìn)行對(duì)消，從而達(dá)到干擾抑制的目的，使接收到的下行鏈路干擾信號(hào)落入多個(gè)輔助天線形成的方向圖上的零陷，使得干擾無法進(jìn)入接收機(jī)，控制旁瓣的同時(shí)又能抑制干擾。但是這種采取自適應(yīng)旁瓣對(duì)消技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用上受到很多細(xì)節(jié)的制約，并不適于推廣應(yīng)用。比如說輔助天線的數(shù)目小于干擾源數(shù)目時(shí)對(duì)消干擾并不奏效，輔助天線的擺放位置會(huì)影響到零陷生成、干擾信號(hào)的多徑效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的性能影響、系統(tǒng)的旁瓣抬高使接收信號(hào)噪聲增強(qiáng)等。

3.2 針對(duì)線性掃頻干擾、脈沖干擾的對(duì)抗方式

掃頻干擾是一種寬帶干擾的樣式，它利用一個(gè)窄帶信號(hào)，在一個(gè)周期內(nèi)重復(fù)掃描某一個(gè)頻段，只要掃描度達(dá)到一定的速率，就能使接收到的有用信號(hào)被干擾信號(hào)阻塞。線性掃頻信號(hào)的主要特點(diǎn)為幅度、相位隨時(shí)間的變化進(jìn)行成比例關(guān)系變化，線性掃頻信號(hào)在頻域不太具備明顯的信號(hào)識(shí)別的特點(diǎn)，因此要在頻域抵消掃頻信號(hào)干擾是很困難的。對(duì)抗這種方式的干擾，很難從已經(jīng)有干擾的接收信號(hào)中消除干擾信號(hào)。最有效的途徑是從頻域上避開有干擾信號(hào)的頻段進(jìn)行通信。由此提出兩種思路。一是開發(fā)拓展頻段進(jìn)行通信，外國軍方的星上增加了一個(gè)與軍事星兼容的EHF通信分系統(tǒng)，而且其艦隊(duì)廣播上行鏈路使用EHF頻段。該國的軍事星系統(tǒng)使用的星地鏈路在SHF頻段，而該國艦隊(duì)避開了SHF頻段不受基地電子設(shè)備的截獲和干擾;二是開發(fā)微波、毫米波、光通信。毫米波能透過高密度的等離子體，適合在航天技術(shù)中用于地面與衛(wèi)星、空間基地、航天飛機(jī)、飛船等通信系統(tǒng)。尤其在核爆炸后，一般通信會(huì)中斷，而毫米波通信能通過高密度的等離子體傳播，是核戰(zhàn)中能保障通信的一種手段。此外，毫米波還具有窄波束、高定向性、寬頻帶等特點(diǎn)，因此具有一定的抗偵察干擾能力。衛(wèi)星采用光通信時(shí)和電波之間不存在干擾問題，而且光通信能實(shí)現(xiàn)1GBITS/S以上的大容量衛(wèi)星通信，也是值得開發(fā)的新項(xiàng)目。

脈沖干擾又稱為部分時(shí)間干擾，將干擾集中在一個(gè)脈沖周期的某一時(shí)間里，來進(jìn)行集中發(fā)射的干擾模式。脈沖干擾的技術(shù)類似于部分頻段的噪聲干擾。區(qū)別在于，脈沖干擾是時(shí)間上的一部分，部分頻段噪聲干擾是頻譜上的一部分。在部分頻段噪聲干擾中，相當(dāng)于一次覆蓋的部分頻譜。短脈沖具有很寬的頻譜成分，因此很像寬帶噪聲。脈沖干擾通常分為相對(duì)規(guī)則脈沖干擾和隨機(jī)性的脈沖干擾。隨機(jī)脈沖干擾可以采用限幅噪聲對(duì)射頻信號(hào)調(diào)幅的方法得已實(shí)現(xiàn)，也可以采用偽隨機(jī)序列來進(jìn)行對(duì)射頻信號(hào)調(diào)幅的方法。脈沖干擾為瞬時(shí)干擾，功率相對(duì)較大并且持續(xù)時(shí)間較短。針對(duì)這種類型的干擾可以使用跳頻技術(shù)和直接序列擴(kuò)頻技術(shù)組合來對(duì)抗，跳頻通信的載波頻率是按照一定的偽隨機(jī)序列頻率進(jìn)行跳變的。它是用一個(gè)頻率控制器使載波頻率按調(diào)頻圖案要求，以規(guī)定的規(guī)律實(shí)現(xiàn)瞬間跳變。當(dāng)收、發(fā)兩個(gè)頻率合成器同步跳變時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)通信。跳頻速率是衡量跳頻臺(tái)的一個(gè)重要指標(biāo)，當(dāng)跳頻速率很快時(shí)，一般偵察設(shè)備難以偵測(cè)，難對(duì)準(zhǔn)跳頻通信的頻率。由于跳頻為寬頻帶，使用阻塞式干擾也難以用足夠的功率覆蓋跳頻通信的頻帶寬度。

3.3 星上處理抗干擾技術(shù)

星上處理抗干擾技術(shù)主要介紹星上SMART AGC技術(shù)。該技術(shù)檢測(cè)到接收信號(hào)有強(qiáng)干擾時(shí)，通過包絡(luò)自適應(yīng)變換產(chǎn)生零區(qū)，使強(qiáng)干擾信號(hào)落入零區(qū)，有用信號(hào)偏移而不受干擾。它完全模塊化，對(duì)有用信號(hào)基本上是透明的。因此，只要在現(xiàn)有的透明轉(zhuǎn)發(fā)器前端的接收射頻或中頻插入SMART AGC模塊，而不需要對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器和地面系統(tǒng)做其他改變。采用SMART AGC模塊的衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器與DS擴(kuò)頻技術(shù)結(jié)合使用，能有效抑制上行強(qiáng)干擾并避免轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)入飽和的惡劣狀態(tài)。衛(wèi)星的透明轉(zhuǎn)發(fā)器最容易受到干擾，在這種情況下，可以通過使用星上的抗干擾技術(shù)來最大程度地避免對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器的干擾，未來的發(fā)展前景也非常廣闊。

4. 結(jié)束語

綜上所述，盡管衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，但其在真正應(yīng)用上的提升空間還很大，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中融合應(yīng)用起來需要考慮的制約條件、技術(shù)細(xì)節(jié)還很多。應(yīng)該加大對(duì)衛(wèi)星通信新技術(shù)研究的投入，以科學(xué)先進(jìn)的技術(shù)不斷提高我國的衛(wèi)星抗干擾能力，充分發(fā)揮其功能。

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