衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)研究

王燕釗

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

0 引言

衛(wèi)星通信屬于無線通信技術(shù)范疇,是通過地面無線通信站,將軌道衛(wèi)星作為中繼而進行的通信活動。隨著現(xiàn)代科技水平的不斷提升,衛(wèi)星通信技術(shù)推動了通信行業(yè)的發(fā)展,并在社會發(fā)展的各個領(lǐng)域做出了重要貢獻。目前,雖然衛(wèi)星通信技術(shù)已經(jīng)逐步趨于成熟,但是通信干擾問題一直是衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展道路上不可忽視的阻礙?，F(xiàn)代通信衛(wèi)星大部分采用地球靜止同步軌道,使得頻譜資源的利用非常有限,這在很大程度上制約了衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展。文章對衛(wèi)星通信技術(shù)多種干擾因素進行了總結(jié),并在此基礎(chǔ)上開展了應(yīng)對策略的研究,以期實現(xiàn)促進衛(wèi)星通信安全與穩(wěn)定發(fā)展的目標。

1 衛(wèi)星通信干擾問題現(xiàn)狀分析

衛(wèi)星通信受到傳播距離遠、環(huán)境影響因素多、通信頻帶帶寬等多種因素的影響,在使用過程中存在著各類干擾,導(dǎo)致衛(wèi)星通信質(zhì)量下降。當前我國衛(wèi)星通信干擾問題主要體現(xiàn)在地面干擾、空間干擾和自然干擾3個方面。其中地面干擾包含地球站設(shè)備中的雜波干擾、電磁干擾、互調(diào)干擾、交叉極化干擾;空間干擾包含鄰星干擾、相鄰信道干擾以及因用戶的不規(guī)范操作等問題產(chǎn)生的干擾;自然干擾主要與自然環(huán)境有較大關(guān)系,包含雨衰、日凌、電離層閃爍、衛(wèi)星蝕等。文章主要對電磁干擾、通信系統(tǒng)干擾、自然環(huán)境干擾以及人為因素造成的干擾問題進行了詳細分析,并提出了相應(yīng)的解決策略。

2 衛(wèi)星通信干擾問題的影響因素分析

2.1 電磁干擾

電磁干擾是影響衛(wèi)星通信質(zhì)量的重要因素。在現(xiàn)代社會背景下,人們的生活、學(xué)習、工作均離不開電子設(shè)備。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,各類電子設(shè)備發(fā)出的電磁信號會對衛(wèi)星通信信號產(chǎn)生較為嚴重的信號干擾。特別是雷達系統(tǒng)、廣播信號以及微波通信等所產(chǎn)生的電磁干擾功率較大,嚴重干擾了衛(wèi)星通信。

2.2 通信系統(tǒng)干擾

衛(wèi)星通信系統(tǒng)在運行過程中,地面站和衛(wèi)星之間需要借助通信信號處理設(shè)備進行信號傳輸。隨著通信系統(tǒng)干擾技術(shù)的廣泛應(yīng)用,衛(wèi)星頻率資源不斷被開發(fā)利用,導(dǎo)致頻率資源匱乏。頻率資源的匱乏使得相近頻段之間的信號干擾問題頻發(fā),從而導(dǎo)致通信質(zhì)量快速下降[2]。

2.3 自然環(huán)境干擾

由于衛(wèi)星處在宇宙的自然環(huán)境之中,太陽所產(chǎn)生的噪聲、恒星的移動、大氣層中微粒輻射、電離層閃爍、太陽黑子異?；顒拥榷紩苯佑绊懶l(wèi)星通信系統(tǒng)的正常運行。

2.4 人為干擾

人為干擾主要以衛(wèi)星通信上下行信號的干擾為主,例如:信息盜用、頻率阻塞等。除此之外,人為干擾還包含轉(zhuǎn)發(fā)器盜用、惡意感染、同極化干擾、反極化干擾以及人為失誤等,均可能對衛(wèi)星通信活動帶來較大的負面影響。

3 抗干擾技術(shù)應(yīng)用策略

3.1 天線抗干擾技術(shù)

對于衛(wèi)星通信信號傳輸而言,影響其傳輸質(zhì)量的因素很多且具有多樣性。因此,在實際工作中,為了能夠保證通信系統(tǒng)的正常運行,研究人員需要根據(jù)不同的情況制定具有針對性的解決方案,進而有效提升整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。目前,隨著通信產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,人們對信息共享以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笠苍絹碓礁?傳統(tǒng)的無線通信方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代社會的需求,因此必須采取更加先進、高效、穩(wěn)定的手段來提高工作效率,從而為衛(wèi)星通信提供保障。衛(wèi)星通信干擾是指由衛(wèi)星通信本身各種不利狀況引起的一種復(fù)雜現(xiàn)象,不僅會給衛(wèi)星通信系統(tǒng)造成嚴重的經(jīng)濟損失,還會使相關(guān)用戶遭受不必要的損失。在我國衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)中,天線抗干擾技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛,主要技術(shù)類型包含:自適應(yīng)凋零技術(shù)、多波束與智能天線技術(shù)。以多波束天線技術(shù)為例,多波束天線技術(shù)可以依據(jù)使用區(qū)域情況的變化發(fā)射天線指向,能夠滿足不同用戶的需求。天線抗干擾技術(shù)能夠減少衛(wèi)星通信系統(tǒng)中受到的干擾源數(shù)量并改善其整體性能,并且能更好地確保衛(wèi)星通信設(shè)備不受干擾影響。自適調(diào)零技術(shù)、多波束天線技術(shù)和智能天線技術(shù)具有不同的功能,能有效地提升衛(wèi)星通信系統(tǒng)的安全性與可靠性[3]。

3.2 擴展頻譜抗干擾技術(shù)

目前,人們對信息獲取的需求越來越大,衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸速度也逐漸加快。為了提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?研究人員需要采取適當?shù)拇胧﹣響?yīng)對衛(wèi)星平臺上突發(fā)的干擾,為后續(xù)的運營提供保障。擴展頻譜抗干擾技術(shù)主要用于解決衛(wèi)星通信信道帶寬有限的問題,通過使用一定頻率范圍內(nèi)的頻段進行擴頻處理以獲得足夠?qū)挼男诺廊萘?從而達到增強系統(tǒng)抗電磁干擾能力的目的。擴展頻譜抗干擾技術(shù)的應(yīng)用離不開DS和HF兩大核心技術(shù),其中,DS實際上是直接序列的擴頻技術(shù),可以實現(xiàn)對衛(wèi)星通信信號的擴展,能夠?qū)拵盘柡驼瓗盘杻煞N傳輸模式靈活切換,從而實現(xiàn)多種業(yè)務(wù)之間的相互補充,進一步增強衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。而HF則是一種跳頻技術(shù),利用這種技術(shù)形式對衛(wèi)星通信信號開展處理工作時,主要是采用變換載波頻率達到降低干擾量的目的,多用于帶寬較寬的寬帶。

3.3 編碼調(diào)制抗干擾技術(shù)

編碼調(diào)制抗干擾技術(shù)在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用較為廣泛,具有較強的抗干擾能力以及良好的兼容性。編碼調(diào)制抗干擾技術(shù)的主要作用是改正衛(wèi)星通信系統(tǒng)信號傳輸過程中發(fā)生的數(shù)據(jù)錯誤,尤其是當衛(wèi)星通信系統(tǒng)受到外界干擾出現(xiàn)故障時,能夠及時解決故障造成的通信中斷問題,使整個通信網(wǎng)絡(luò)得以正常運行,從而保證整個系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效地運轉(zhuǎn)。編碼調(diào)制抗干擾技術(shù)的工作原理是在發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)差錯時,利用卷積碼對誤碼率進行破譯校正,確定編碼工作流程是否正確,進而避免系統(tǒng)配置不當或其他原因?qū)е碌恼`碼現(xiàn)象,同時還能有效提升用戶設(shè)備的性能,提高系統(tǒng)整體水平。編碼調(diào)制抗干擾技術(shù)的發(fā)展也推動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進步與升級,并最終成為未來衛(wèi)星通信行業(yè)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

3.4 星上處理抗干擾技術(shù)

星上處理抗干擾技術(shù)主要用于解決透明轉(zhuǎn)發(fā)器的弊端,在保障衛(wèi)星通信系統(tǒng)的正常運行過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,在實際應(yīng)用中需要結(jié)合具體的工程情況才能做出合理的選擇。透明轉(zhuǎn)發(fā)器在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中運行時,很容易受到外界的干擾,如電磁輻射、射頻噪聲、無線電波傳播損耗等,因此需要采取措施來降低這些影響因素的影響,使得轉(zhuǎn)發(fā)器始終處于最佳狀態(tài),以確保衛(wèi)星信號的順利傳輸。星上處理抗干擾技術(shù)不僅可以為轉(zhuǎn)發(fā)器提供一個可靠的通道和一定程度的保護,而且能夠極大地增強轉(zhuǎn)發(fā)器的抗干擾能力,保證衛(wèi)星信號的安全傳送及完整傳遞,滿足客戶需求。

3.5 限幅與線性抗干擾技術(shù)

限幅與線性抗干擾技術(shù)可以有效避免上行鏈路對透明轉(zhuǎn)發(fā)器造成的干擾,降低轉(zhuǎn)發(fā)器出現(xiàn)誤跳或者跳轉(zhuǎn)的概率和轉(zhuǎn)發(fā)器的故障率。軟限幅轉(zhuǎn)發(fā)器主要是對衛(wèi)星通信信號進行壓縮后再傳輸至地面終端。與軟限幅轉(zhuǎn)發(fā)器相比,硬限幅轉(zhuǎn)發(fā)器是對一些大的信號進行壓縮處理。二者都具有一定的抗干擾能力,但就整體技術(shù)實施效果而言,軟限幅轉(zhuǎn)發(fā)器的抗干擾能力較強。

3.6 衛(wèi)星載荷抗干擾技術(shù)

衛(wèi)星載荷抗干擾技術(shù)的使用范圍非常廣泛,也是當前改善整體抗干擾能力最直接有效的方法。衛(wèi)星載荷抗干擾技術(shù)既抑制干擾,又能有效地避免通信鏈路阻塞。星載轉(zhuǎn)發(fā)器的處理方式是通過轉(zhuǎn)發(fā)器的前端直接接收多用戶信號,并根據(jù)相應(yīng)的策略,將信號進行濾波處理,然后將濾波后的信號通過衛(wèi)星平臺的轉(zhuǎn)發(fā)器進行轉(zhuǎn)發(fā),實現(xiàn)通信。該方式可以實現(xiàn)對干擾信號的抑制和干擾后信號的恢復(fù)。星載處理應(yīng)答機則是一種在衛(wèi)星上實現(xiàn)對鏈路的檢測、干擾識別和干擾處理,并提供應(yīng)答信號的設(shè)備。星載處理應(yīng)答機具有比傳統(tǒng)應(yīng)答機更好的抗干擾性能,能夠有效地解決通信鏈路阻塞問題[4]。

4 衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著我國社會的快速發(fā)展,科學(xué)技術(shù)也在不斷創(chuàng)新,衛(wèi)星通信干擾技術(shù)必然會實現(xiàn)創(chuàng)新性發(fā)展。根據(jù)當前衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展情況,未來衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)會將通信天線波瓣控制以及微反射弧作為重點研究內(nèi)容和方向,以達到提高衛(wèi)星通信天線開發(fā)利用效率的目的,提高衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)的智能化水平,同時提高衛(wèi)星通信信號的傳送效率。此外,對衛(wèi)星抗干擾調(diào)制器進行改造,通過融入先進的信息技術(shù),提高抗干擾能力;對衛(wèi)星通信信號的抗干擾方法進行更廣范疇的試驗探究,從而可以適應(yīng)比較復(fù)雜以及多樣的外部環(huán)境,進而提升數(shù)字程控交換數(shù)據(jù)發(fā)送的質(zhì)量和效率;在無線光通信的基礎(chǔ)上進一步延伸和擴展,要充分展現(xiàn)高效的技術(shù)以及寬帶寬和頻譜資源的優(yōu)勢,這樣就可以最大程度地強化衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗干擾能力[5]。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人工智能技術(shù)研究的不斷深入,衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)也會朝著更高層次的方向發(fā)展。未來,首先,研究人員將在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,加入一定的反饋函數(shù),賦予其更多的實際記憶能力,并通過循環(huán)反饋與內(nèi)存服務(wù),實現(xiàn)對誤差的高效計算,并對模型的權(quán)重結(jié)構(gòu)進行動態(tài)優(yōu)化與調(diào)整。其次,構(gòu)造 LSTM深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)。為了便于對各路徑中的數(shù)據(jù)進行分析與篩選,研究人員將構(gòu)造一個 LSTM深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)。由于這種模型具有一定的記憶能力,在訓(xùn)練時只需將訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)即可。研究人員可以通過循環(huán)反饋與內(nèi)存服務(wù)進行對誤差的高效計算。再次,為了使得系統(tǒng)能夠?qū)剐l(wèi)星干擾,研究人員需要加強有源探測技術(shù)。在這種情況下,研究人員將使用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Network,CNN)進行檢測。由于 CNN具有很強的分類能力,它可以進行自我學(xué)習和自我調(diào)整,從而提高系統(tǒng)的抗擾動性能。最后,提出一種基于深度學(xué)習的擾動反饋機制。為了提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗擾動性能,研究人員將提出一種基于深度學(xué)習的擾動反饋機制。這種機制可以在接收端對信號進行擾動分析,從而提高系統(tǒng)的抗擾動性能。

5 結(jié)語

綜上所述,衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)是一種新型的高新技術(shù),它將隨著衛(wèi)星通信事業(yè)的發(fā)展而得到越來越廣泛的應(yīng)用,同時也將為我國通信業(yè)的快速發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)的研究必將給世界通信業(yè)帶來新的機遇和挑戰(zhàn),也為解決傳統(tǒng)通信手段面臨的諸多問題提供新思路,使人類社會能更加科學(xué)地實現(xiàn)信息資源的共享和利用。