一種衛(wèi)星干擾信號識別及IP地址反置的方法研究

李波 張振權 傅蕾

摘要：通信衛(wèi)星轉發(fā)器具有透明轉發(fā)的特性，容易受到敵我各種各樣的干擾，嚴重影響了衛(wèi)星通信質量，因此識別敵我信號并能對敵信號進行反干擾是一個非常重要的研究課題。文章通過研究頻譜感知技術和信號調(diào)制識別技術，通過指定頻段信號偵測感知對干擾信號偵測感知告警，從而完成對干擾信號的識別和檢測，同時利用衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器的IP數(shù)據(jù)包進行解析和挖掘、讓干擾源更加精確定位的目的，根據(jù)IP地址識別干擾源，并通知干擾源方停止干擾，進行相應處理。

關鍵詞：衛(wèi)星干擾；識別；反置；研究

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）31-0098-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

通信衛(wèi)星的轉發(fā)器一般都是透明轉發(fā)器，它直接對衛(wèi)星地球站發(fā)來的信號不進行任何處理而進行透明轉發(fā)，特別是對于FDMA方式下，通過不同載波頻率來區(qū)別不同轉發(fā)者之間的信號，因此轉發(fā)器會受到不同頻率、調(diào)制方式的各種干擾。這些干擾的形成主要是通過增大發(fā)射功率造成轉發(fā)器飽和或者形成三階交調(diào)、雜散等造成衛(wèi)星通信中斷，影響衛(wèi)星通信正常工作[1]。實現(xiàn)對干擾信號的識別首先就需要了解這些干擾信號的種類和產(chǎn)生方法，才能有效對干擾信號進行識別和檢測。而對衛(wèi)星干擾信號的識別主要是對其調(diào)制方式、編碼類型、調(diào)制速率等參數(shù)的識別，其中最主要的是干擾信號的調(diào)制方式的識別。對于衛(wèi)星信號調(diào)制方式的識別主要有人工識別和自動識別兩種。人工識別主要是通過頻譜的方式利用頻譜儀來測量觀察識別信號的一種方式，是比較古老的方式。但是隨著數(shù)字調(diào)制方式的發(fā)展，我們對數(shù)字調(diào)制和自動調(diào)制技術不僅僅通過頻譜的方式，更需要對信號的感知方式動態(tài)設置門限方式，通過數(shù)字頻譜算法獲得衛(wèi)星信號的調(diào)制方式和特征參數(shù)，從而區(qū)分是否為正常調(diào)制方信號[2]。

1 衛(wèi)星通信干擾的基礎理論

1.1 衛(wèi)星通信干擾的形式

干擾的實質是在頻域、時域、空域、能量（功率）域上使干擾信號和信號重疊，通過搜索截獲、參數(shù)測量、測向定位等方式來進行。根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)可能面臨的干擾威脅環(huán)境和干擾站所處的地理位置不同，造成干擾衛(wèi)星通信的形式主要有三種，地基干擾、天基干擾和空基干擾[3]。地基干擾主要是以地面固定站、車載和艦載等大型干擾為主，干擾功率大，常用寬帶阻塞式干擾來進行干擾衛(wèi)星轉發(fā)器。天基干擾主要通過航天器和低軌道衛(wèi)星為主，干擾功率小，但可以大范圍來干擾下行鏈路?？栈蓴_主要靠飛機等空間平臺為主，機動靈活，易于實現(xiàn)突發(fā)干擾，通常通過干擾下行鏈路的方式實現(xiàn)干擾。常見的通信干擾模型主要有兩大類：壓制式干擾和欺騙式干擾。壓制式干擾通常采用噪聲或者類噪聲的強干擾信號來遮蓋或淹沒通信信號，具有抗偵查、抗摧毀、抗入侵等特性，是衛(wèi)星通信抗干擾的主要研究對象。欺騙式干擾則是故意制造的虛假信號，一般應用在雷達通信中。

1.2 衛(wèi)星干擾方式及強度

對于衛(wèi)星通信來說，可以干擾的三個目標就是衛(wèi)星上行鏈路、通信衛(wèi)星、下行鏈路。對于上行鏈路的干擾主要是上行通信信號的瞄準式和轉發(fā)式干擾；對衛(wèi)星的干擾主要是干擾衛(wèi)星轉發(fā)器帶內(nèi)信號，特別是當功率將轉發(fā)器推向飽和后，通信鏈路就會癱瘓；下行干擾則是采用下行轉發(fā)式干擾，只有當干擾信號在信號頻帶內(nèi)才有效。衛(wèi)星信號的干擾主要是通過對衛(wèi)星轉發(fā)器的干擾，對于通信衛(wèi)星的干擾量是通過干擾強度來衡量和計算的。由于衛(wèi)星通信地球站和干擾站兩者與處于同步衛(wèi)星之間的距離基本接近，只要干擾站的EIRP值和通信站的EIRP值接近，就可以對正常通信形成干擾，因此干擾機的EIRP值和干擾頻段就是衡量其電子攻擊能力的主要指標。

1.3 衛(wèi)星信號識別的感知算法

頻譜中信號的感知識別算法中，一個重要的參數(shù)是信號識別門限。由于受到掃描帶寬設置、噪聲強度和鄰近信號干擾等因素影響，一個固定的信號識別門限無法準確地識別各種信號。為解決這一問題，本系統(tǒng)的信號感知識別算法采用了動態(tài)識別門限參數(shù)，在給定的頻譜帶寬下，由采樣后的數(shù)據(jù)特征動態(tài)生成識別門限，以此識別各種信號。動態(tài)門限的方法大大提高了信號感知識別的準確性。實時的頻譜采樣數(shù)據(jù)存在著波動跳躍大的現(xiàn)象，對信號感知的準確性造成一定影響，為避免這種情況，系統(tǒng)使用了采樣平滑算法，通過對多次掃描的采樣數(shù)據(jù)進行暫存和平均計算，得到較為平滑的頻譜曲線[3]。

對于頻譜中存在的部分信號帶寬和強度不在關注范圍內(nèi)的信號，系統(tǒng)分別設置了信號帶寬和強度的識別門限參數(shù)，通過修改這些參數(shù)，系統(tǒng)對于帶寬和強度在設置以外的信號不會有感知動作。

2 衛(wèi)星干擾源的調(diào)制識別方法

在信號自動調(diào)制識別中，有很多信號參數(shù)可以作為信號的特征統(tǒng)計量，換言之，可以從不同角度去獲取信號特征。目前研究較多的主要有：瞬時特征、譜特征、高階累積量特征以及變換域特征（如小波特征參數(shù)）等。本文采用“基于譜相關特征”算法設計分類器實現(xiàn)BPSK、QPSK信號解調(diào)，采用“基于信號循環(huán)平穩(wěn)性譜特征提取”算法完成目標信號載波頻率、調(diào)制速率估計。

2.1 衛(wèi)星調(diào)制信號的調(diào)制識別

調(diào)制解調(diào)器設計及特征值選擇具體如下：首先，根據(jù)接收信號的循環(huán)頻譜呈現(xiàn)的“特征一”識別現(xiàn)頻段內(nèi)是否有信號存在，即識別信號與噪聲；其次，根據(jù)QPSK、BPSK循環(huán)頻譜呈現(xiàn)的“特征二”識別現(xiàn)有信號調(diào)制類型及識別是BPSK或QPSK。

特征二：循環(huán)頻譜在f=0時譜線最大值，與在alpha=0時譜線最大值比值。當輸入信號為QPSK，明顯小于1；當輸入信號為BPSK時，比值接近于1。根據(jù)實際測試將比值設定為0.5能夠以完全實現(xiàn)上述兩種調(diào)制方式識別[4]。由于QPSK信號循環(huán)譜在切面上的譜線最大值與切面上的譜線最大值的比值相當，而BPSK信號的該特征則不具有前者的特點，如圖3信號的循環(huán)譜圖所示：

2.2? 調(diào)制參數(shù)識別實現(xiàn)

本文采用“基于信號循環(huán)平穩(wěn)性譜特征提取”[5]算法實現(xiàn)了信號調(diào)制速率、調(diào)制載頻參數(shù)的識別。在通信理論中無線傳輸信號通常用隨機過程來定量描述，可用平穩(wěn)隨機過程描述的信號稱為平穩(wěn)信號，否則為非平穩(wěn)信號。循環(huán)平穩(wěn)信號作為非平穩(wěn)信號，其非平穩(wěn)性表現(xiàn)為周期平穩(wěn)性，信號呈現(xiàn)周期平穩(wěn)性，可根據(jù)所呈現(xiàn)的周期性的統(tǒng)計數(shù)字特性，分為二階、四階和八階等循環(huán)平穩(wěn)信號。課題涉及的BPSK、QPSK信號分別屬于二階、四階循環(huán)平穩(wěn)信號，對應信號二階譜函數(shù)如下：

信號平方表達式為：

[S（t）2=（rI（t）cos（ωct）+rQ（t）sin（ωct））2 =12（rI2（t）+rQ2（t））+12（rI2（t）-rQ2（t））cos（2ωct）+rI（t）rQ（t）sin（2ωct） ? ? ? ? （1）]

將上式第一項用U（t） 表示，第二、三項用D（t） 表示，對應二階功率譜：

BPSK信號

[U（f）=A2+B2Ti=-∞i=+∞[G（f）*G（f）]δ（f-iT）]

[D（f）=14[S（f-2fc）+S（f+2fc）]]? ?（2）

QPSK信號

[U（f）=A2+B2Ti=-∞i=+∞[G（f）*G（f）]δ（f-iT）]

[D（f）=SI（f）-SQ（f）]? ? ?（3）

從上式可知，BPSK信號二階功率譜在f=1/T、2fc和2fc±1/T存在離散譜線。QPSK信號二階功率譜僅在f=1/T存在離散譜線。根據(jù)上述分析過程，將信號四次方后做功率譜計算即可得到四階譜特征譜線。BPSK信號四階功率譜在f=1/T、2fc、2fc±1/T、4fc、4fc±1/T存在離散譜線；QPSK信號二階功率譜f=1/T、4fc、4fc±1/T存在離散譜線。我們通過離散的譜信號就能辨別出調(diào)制參數(shù)。

總之，調(diào)制識別在很多方面都有著重要的作用，在通信信號認證、干擾識別及頻譜管理等工作中，調(diào)制識別有助于提高區(qū)分用戶和確認干擾的能力，防止無線頻譜的非法利用，保證合法通信的正常進行。對目標信號特征進行選定，確定與相應的調(diào)制種類相聯(lián)系的取值范圍，再對實際信號進行特征測量，并根據(jù)結果對信號的調(diào)制進行分類判決[6]。本文采用的“基于信號循環(huán)平穩(wěn)性譜特征提取”算法能夠快速、有效實現(xiàn)BPSK、QPSK信號調(diào)制速率、調(diào)制載頻參數(shù)識別。

3 利用IP地址識別數(shù)據(jù)捕獲與反制信號發(fā)射

衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器目前都是將模擬信號轉變?yōu)镮P數(shù)字信號，接入數(shù)字傳輸網(wǎng)絡，本文對信號的類型、頻率、IP地址解調(diào)分析后，就可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫來判斷該信號是來自哪里的信號。當有干擾發(fā)生時，根據(jù)信號分析結果，結合信號特征，初步判斷干擾信號為我方干擾信號還是他方干擾信號。如果干擾信號初步判斷為我方干擾信號，則根據(jù)我方信號參數(shù)特征規(guī)律，遠程設置解調(diào)器參數(shù)，如果能夠解調(diào)出網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，則調(diào)用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)捕獲程序，捕獲網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，并根據(jù)捕獲的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)中源IP地址，從我方通信數(shù)據(jù)庫中查找該信號放射方，及時制止干擾的發(fā)生；如果干擾信號初步判斷為他方干擾信號，則根據(jù)信號分析結果，遠程設置調(diào)制器參數(shù)，發(fā)射一個覆蓋干擾信號帶寬，壓制干擾信號幅度的大電平高帶寬信號，使干擾信號無法通信。該部分是項目的執(zhí)行機構。根據(jù)干擾信號分析結果，遠程調(diào)節(jié)調(diào)制解調(diào)器的頻率、數(shù)據(jù)速率、解調(diào)方式、解碼方式等解調(diào)參數(shù)，努力使解調(diào)器鎖定，并盡力解調(diào)出數(shù)據(jù)包，通過網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包捕獲程序抓取網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，分析其中的網(wǎng)絡地址，并從數(shù)據(jù)庫中查找是否為已知IP地址，及時發(fā)現(xiàn)我方干擾并及時制止干擾繼續(xù)，達到消除干擾的目的。當發(fā)現(xiàn)干擾不是我方干擾時，遠程控制調(diào)制解調(diào)器參數(shù)，發(fā)射特定頻率、特定電平、特定帶寬的反制信號，對干擾信號實施再干擾，使干擾信號無法通信，達到干擾信號反制的目的。

4 結束語

衛(wèi)星通信是靠天上的通信衛(wèi)星來轉發(fā)無線電信號而進行的無線電通信，因為通信衛(wèi)星的轉發(fā)器一般都是透明轉發(fā)，且使用的絕大部分均為FDMA方式，因通信衛(wèi)星受自身通信方式及通信環(huán)境的限制，會受到各種各樣的干擾，主要是通過強烈的雜波信號讓對方衛(wèi)星接收機無法正確解調(diào)數(shù)據(jù)造成通信中斷。本文在分析通信衛(wèi)星通信干擾的方式的特點的基礎上，研究頻譜感知技術和信號調(diào)制識別技術，通過指定頻段信號偵測感知對干擾信號偵測感知告警，從而完成對干擾信號的識別和檢測?；谧V相關特征算法設計分類器實現(xiàn)BPSK、QPSK信號解調(diào)，采用“基于信號循環(huán)平穩(wěn)性譜特征提取”算法完成目標信號載波頻率、調(diào)制速率估計。最后基于衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器的IP輸出特性，利用衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器的IP數(shù)據(jù)包進行解析和挖掘、讓干擾源更加精確定位的目的，根據(jù)IP地址識別干擾源，并通知干擾源方停止干擾，進行相應處理，通過數(shù)據(jù)庫查詢?yōu)榉俏曳礁蓴_信號則通過遠程遙測調(diào)制解調(diào)器的方式控制相應發(fā)射參數(shù)對該處信號進行反置起到相應的作用，在實際工作中具有很強的現(xiàn)實指導意義。

參考文獻：

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[5] 王麗娜，王兵.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].2版.北京：國防工業(yè)出版社，2014.

[6] 陳小文.通信抗干擾和通信干擾綜合技術研究[D].成都：電子科技大學，2002.

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