機(jī)載衛(wèi)星通信導(dǎo)航設(shè)備抗干擾性能提升關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：機(jī)載衛(wèi)星通信導(dǎo)航設(shè)備易受自然環(huán)境、人為電磁輻射及系統(tǒng)內(nèi)部噪聲等多種干擾源影響，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量和導(dǎo)航精度。當(dāng)前抗干擾技術(shù)雖取得一定進(jìn)展，但仍面臨多徑效應(yīng)抑制、動態(tài)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)及高數(shù)據(jù)速率下抗干擾性能瓶頸等挑戰(zhàn)。提升抗干擾性能的關(guān)鍵技術(shù)主要包括采用先進(jìn)信號處理算法，如Rake接收、智能分集、Turbo/LDPC編碼等；設(shè)計智能自適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如自適應(yīng)天線陣列、波束賦形及機(jī)器學(xué)習(xí)輔助抗干擾策略；融合多元抗干擾技術(shù)，如MIMO、自適應(yīng)調(diào)制編碼及頻譜感知與智能分配技術(shù)。通過這些技術(shù)的綜合運(yùn)用和持續(xù)研發(fā)，有望實(shí)現(xiàn)機(jī)載衛(wèi)星通信導(dǎo)航在復(fù)雜電磁環(huán)境下的高可靠、高魯棒運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：機(jī)載衛(wèi)星通信導(dǎo)航設(shè)備抗干擾技術(shù)性能提升

中圖分類號：TN927.2ResearchontheKeyTechnologiesforImprovingtheAnti-JammingPerformanceofAirborneSatelliteCommunicationandNavigationEquipment

BAIXueqiYOURuiWANGJinlu

AviationFlightOfficerSchoolofAirForceEngineeringUniversity，Xinyang，HenanProvince，464000China

Abstract：Airbornesatellitecommunicationandnavigationequipmentissusceptibletomanyjammingsourcessuchasnaturalenvironment，artificialelectromagneticradiationandinternalnoiseofthesystem，whichseriouslyaffectsthe&n8S+CediRMbxijzx71NQivg==bsp;qualityofcommunicationandnavigationaccuracy.Althoughthecurrentanti-jammingtechnologyhasmadesomeprogress，itstillfacesmanychallenges，suchasmulti-patheffectsuppression，dynamiccomplexenvironmentadaptationandanti-jammingperformancebottleneckunderhighdatarate.Thekeytechnologiestoimprovetheanti-jammingperformancemainlyincludeadoptingadvancedsignalprocessingalgorithms，suchasRakereceiver，intelligentdiversity，Turbo/LDPCcoding，etc.;Designintelligentadaptivesystemarchitecture，suchasadaptiveantennaarrays，beamforming，andmachinelearningassistedanti-jammingstrategies;Integratingmultipleanti-interferencetechnologies，suchasMIMO，adaptivemodulationandcoding，andspectrumsensingandintelligentallocationtechnology.Throughthecomprehensiveapplicationandcontinuousresearchanddevelopmentofthesetechnologies，itisexpectedtoachievehighreliableandrobustoperationofairbornesatellitecommunicationandnavigationincomplexelectromagneticenvironment.

KeyWords：Airbornesatellitecommunication;Navigationequipment;Anti-jammingtechnology;Performanceimprovement

隨著機(jī)載衛(wèi)星通信導(dǎo)航系統(tǒng)在航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其在復(fù)雜多變的電磁環(huán)境中所面臨的自然環(huán)境干擾、人為電磁輻射及系統(tǒng)內(nèi)部噪聲等問題日益凸顯，嚴(yán)重影響了通信效能與導(dǎo)航精準(zhǔn)度。鑒于此，本文旨在克服多徑效應(yīng)、動態(tài)環(huán)境適應(yīng)及高速數(shù)據(jù)傳輸下的抗干擾瓶頸，以確保系統(tǒng)在各類干擾情形下仍能維持高效穩(wěn)定運(yùn)作，滿足現(xiàn)代航空對高可靠通信導(dǎo)航的嚴(yán)苛需求。

1機(jī)載衛(wèi)星通信導(dǎo)航系統(tǒng)干擾源分析

1.1自然環(huán)境干擾特性剖析

機(jī)載衛(wèi)星通信導(dǎo)航系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，受到的干擾因素眾多且復(fù)雜。其中，自然環(huán)境干擾特性是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。自然環(huán)境中的干擾主要包括但不限于太陽黑子活動引發(fā)的空間天氣現(xiàn)象，其產(chǎn)生的強(qiáng)烈電磁輻射可對衛(wèi)星信號產(chǎn)生嚴(yán)重衰減或失真，尤其是在高頻和極高頻波段。此外，電離層不規(guī)則變化也會導(dǎo)致信號的多徑傳播，增加信道的時延擴(kuò)展和頻率選擇性衰落，嚴(yán)重影響定位精度和通信質(zhì)量。

另外，雨衰、雪衰等氣象條件同樣會對衛(wèi)星通信導(dǎo)航信號產(chǎn)生吸收和散射效應(yīng)，尤其在Ka波段等較高頻率上表現(xiàn)尤為顯著。同時，地形地貌特征如山體阻擋、城市高樓反射等也會造成非視線傳播干擾，進(jìn)一步加大了通信導(dǎo)航系統(tǒng)的信號強(qiáng)度波動和穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。

1.2人為電磁輻射干擾源分類

在探討機(jī)載衛(wèi)星通信導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾源時，人為產(chǎn)生的電磁輻射干擾不容忽視。這類干擾主要源自各類無線電通信設(shè)備、雷達(dá)系統(tǒng)以及工業(yè)、科研、軍事等活動釋放出的大量電磁能量。人為電磁輻射干擾根據(jù)來源與特性可分為以下幾類。

（1）同頻或鄰頻通信設(shè)備干擾是常見的一種類型，包括地面基站、其他衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及其他航空器搭載的通信導(dǎo)航設(shè)備等，它們在同一或相近頻率范圍內(nèi)發(fā)射信號，導(dǎo)致接收端無法有效分離有用信號和干擾信號。

（2）雷達(dá)系統(tǒng)的高強(qiáng)度脈沖輻射也是重要的干擾源。軍用雷達(dá)在執(zhí)行探測任務(wù)時發(fā)出的強(qiáng)大脈沖信號覆蓋或淹沒衛(wèi)星導(dǎo)航信號[1]，特別是在機(jī)場附近、海防區(qū)域等雷達(dá)密集部署地帶，這種干擾尤為突出。

（3）無線電子戰(zhàn)裝備和電子對抗手段也有意無意地對衛(wèi)星通信導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成干擾。例如通過壓制式干擾、欺騙式干擾等方式，破壞機(jī)載衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正常工作。

（4）工業(yè)、科研活動中使用的各種電磁設(shè)備以及日益增多的無線電子設(shè)備群，如廣播電視臺、移動通信基站、微波爐、無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，都形成復(fù)雜的電磁環(huán)境背景噪聲，間接削弱衛(wèi)星通信導(dǎo)航信號的質(zhì)量。

2機(jī)載衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

2.1多徑效應(yīng)抑制技術(shù)難題

在機(jī)載衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)的研究與實(shí)踐中，多徑效應(yīng)抑制技術(shù)是一項(xiàng)長期存在的重大挑戰(zhàn)。多徑效應(yīng)是指衛(wèi)星信號在傳播過程中經(jīng)過不同路徑到達(dá)接收端，由于不同的路徑長度導(dǎo)致信號抵達(dá)時間各異，從而形成的延遲、相位差和衰落現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在城市環(huán)境中尤為顯著，建筑物、地形和其他物體引起的反射、折射和散射都會生成多重信號副本，最終導(dǎo)致的信號衰落和碼間干擾（Inter-SymbolInterference，ISI）問題，嚴(yán)重影響通信的可靠性和導(dǎo)航定位的精度。

目前，盡管已發(fā)展出一些應(yīng)對多徑效應(yīng)的技術(shù)，如rake接收機(jī)、RAKE分集技術(shù)、智能天線技術(shù)和空間分集技術(shù)等，但仍面臨諸多難題。一方面，由于多徑傳播環(huán)境的動態(tài)變化性，難以精確預(yù)測和實(shí)時追蹤每個信號路徑[2]；另一方面，現(xiàn)有技術(shù)在極端惡劣的多徑環(huán)境下，如嚴(yán)重的城市峽谷效應(yīng)或多徑快速切換場景下，往往無法充分補(bǔ)償信號損失，使得信噪比保持在滿足高質(zhì)量通信要求的水平。

此外，隨著機(jī)載通信系統(tǒng)朝著更高頻段和更高速率方向發(fā)展，如Ka波段及毫米波通信的應(yīng)用，多徑效應(yīng)對系統(tǒng)性能的影響更為突出，不僅要求更高的信號處理速度和算法復(fù)雜性，還對硬件實(shí)施提出了嚴(yán)格的要求。

2.2動態(tài)復(fù)雜環(huán)境下抗干擾能力局限

在現(xiàn)代機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，尤其是在動態(tài)復(fù)雜的電磁環(huán)境下，保證有效的抗干擾能力是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。此類環(huán)境主要包括飛機(jī)在飛行過程中的高度變化、速度波動以及不斷變化的地貌特征，這些因素共同作用使得通信鏈路遭受多變且強(qiáng)烈的干擾，如其他無線電設(shè)備、雷達(dá)系統(tǒng)、敵對電子戰(zhàn)手段等產(chǎn)生的噪聲和有意干擾信號。

當(dāng)前的抗干擾技術(shù)，如頻率捷變、極化分集、自適應(yīng)編碼與調(diào)制，及采用抗干擾設(shè)計的智能天線陣列等，在一定程度上提高了通信的穩(wěn)定性和安全性。然而，在面對瞬息萬變的空中戰(zhàn)場環(huán)境或者密集的城市電磁環(huán)境時，仍表現(xiàn)出一定的局限性。

動態(tài)環(huán)境下的快速移動會導(dǎo)致衛(wèi)星信號強(qiáng)度快速衰減和多普勒頻移加劇，這對傳統(tǒng)抗干擾技術(shù)的跟蹤與補(bǔ)償機(jī)制提出了極高要求。機(jī)載平臺自身的機(jī)動性使得接收端視角快速變化，增加了天線指向控制和信號捕獲難度，尤其在對抗諸如窄帶瞄準(zhǔn)式干擾、寬帶阻塞干擾時，系統(tǒng)無法及時調(diào)整并維持有效通信。

此外，隨著無線通信頻譜資源日益緊張，衛(wèi)星通信系統(tǒng)與其他無線服務(wù)之間的電磁兼容問題也愈發(fā)嚴(yán)重，這進(jìn)一步加大了在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高可靠抗干擾通信的難度。

2.3高數(shù)據(jù)傳輸速率下的抗干擾技術(shù)瓶頸

當(dāng)前，機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)追求更高的吞吐量以滿足高清視頻傳輸、海量數(shù)據(jù)交換等需求，但在高數(shù)據(jù)速率條件下，系統(tǒng)對干擾信號的敏感度顯著增加，任何微小的噪聲和干擾都會對信號質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。

主要原因在于，隨著傳輸速率的提高，信號的頻帶利用率增大[3]，信號的能量集中度相對降低，導(dǎo)致信噪比在同等干擾條件下有所下降，對系統(tǒng)抗干擾性能的要求更加苛刻。此外，高速數(shù)據(jù)傳輸通常伴隨高級別的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，如正交頻分復(fù)用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）和正交幅度調(diào)制（QuadratureAmplitudeModulation，QAM）等技術(shù)，這些技術(shù)雖然能提高頻譜效率，但也引入了更大的符號間干擾（ISI）風(fēng)險和對載波同步精度的更高要求。

同時，高速通信系統(tǒng)在對抗惡意干擾時，比如窄帶瞄準(zhǔn)式干擾、脈沖干擾等，傳統(tǒng)的基于信道編碼和交織技術(shù)的抗干擾手段在有限的延遲容限內(nèi)難以完全恢復(fù)被干擾的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致誤碼率上升，進(jìn)而影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性。

另外，高數(shù)據(jù)速率下的衛(wèi)星通信系統(tǒng)在設(shè)計和實(shí)現(xiàn)上還需兼顧功耗、體積、重量等約束，這給抗干擾技術(shù)的研發(fā)帶來了額外的挑戰(zhàn)。

3機(jī)載衛(wèi)星通信導(dǎo)航設(shè)備抗干擾性能提升策略

3.1采用先進(jìn)信號處理算法提升抗擾性

在致力于提升機(jī)載衛(wèi)星通信導(dǎo)航設(shè)備的抗干擾性能方面，采用先進(jìn)的信號處理算法扮演著至關(guān)重要的角色?，F(xiàn)代信號處理技術(shù)以其強(qiáng)大的降噪、檢測、分離和跟蹤能力，能夠顯著增強(qiáng)系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境中的穩(wěn)定性和可靠性。

針對多徑傳播導(dǎo)致的信號衰落和延遲問題，可以運(yùn)用rake接收機(jī)技術(shù)和智能分集接收技術(shù)，通過聯(lián)合多個信號副本最大化信噪比，從而抵消多徑效應(yīng)帶來的負(fù)面影響。同時，利用自適應(yīng)濾波算法，如最小均方誤差（LeastMeanSquares，LMS）方法和遞歸最小二乘（RecursiveLeastSquares，RLS）等算法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時對多徑信號的估計和抵消[4]。

針對噪聲干擾，可應(yīng)用先進(jìn)的信道編碼技術(shù)如Turbo碼、LDPC碼，結(jié)合交織技術(shù)，有效抵抗突發(fā)性噪聲干擾，降低誤碼率。而在數(shù)據(jù)解調(diào)環(huán)節(jié)，采用最大似然序列檢測（MaximumLikelihoodSequenceDetection，MLSD）技術(shù)和軟判決譯碼（SoftDecisionTrellisCoding，SDTC）等技術(shù)，能夠在低信噪比條件下依舊保持較高的解調(diào)正確率。

針對人為干擾，可以運(yùn)用認(rèn)知無線電（CognitiveRadio，CR）技術(shù)和自適應(yīng)調(diào)制編碼（AdaptiveModulationandCoding，AMC）技術(shù)，使系統(tǒng)具備根據(jù)實(shí)時信道狀態(tài)自動調(diào)整傳輸參數(shù)的能力，以最優(yōu)化的方式應(yīng)對各種未知和動態(tài)干擾環(huán)境。

通過盲源分離（BlindSourceSeparation，BSS）和獨(dú)立成分分析（IndependentComponentAnalysis，ICA）等信號分離技術(shù)，可以從復(fù)雜的混合信號中有效地提取出純凈的衛(wèi)星通信導(dǎo)航信號。

3.2設(shè)計智能自適應(yīng)抗干擾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在強(qiáng)化機(jī)載衛(wèi)星通信導(dǎo)航設(shè)備抗干擾性能的過程中，設(shè)計智能自適應(yīng)抗干擾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一種極具潛力的發(fā)展方向。智能自適應(yīng)系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時變化的外部環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)，自主調(diào)整工作參數(shù)和算法策略，從而有效地應(yīng)對各種復(fù)雜、不確定的干擾情況。

構(gòu)建具備自適應(yīng)天線陣列的通信系統(tǒng)，利用波束賦形技術(shù)，可以根據(jù)干擾源的位置和強(qiáng)度動態(tài)調(diào)整天線增益方向[5]，實(shí)現(xiàn)對有用信號的最優(yōu)接收和對干擾信號的最大抑制。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DeepNeuralNetwork，DNN）和強(qiáng)化學(xué)習(xí)（ReinforcementLearning，RL），可以hE1sn4sHO/57jDxw7CpJYp1SAfQz0zDdvaFrp5LZtDc=實(shí)時預(yù)測和識別干擾類型，進(jìn)而快速調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)以達(dá)到最佳抗干擾效果。

通過引入自適應(yīng)調(diào)制和編碼方案，系統(tǒng)可根據(jù)信道狀況和干擾級別靈活選擇最優(yōu)的調(diào)制方式和編碼率，確保在復(fù)雜環(huán)境下也能實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率和高可靠性的通信。此外，自適應(yīng)濾波器的設(shè)計和應(yīng)用也極為關(guān)鍵，它可以實(shí)時估計和抵消噪聲、多徑效應(yīng)以及有意干擾，最大程度減少其對衛(wèi)星通信導(dǎo)航信號的影響。

智能化的抗干擾系統(tǒng)應(yīng)具備自我診斷和修復(fù)能力，能在出現(xiàn)故障或遭遇未知干擾時迅速響應(yīng)并恢復(fù)通信導(dǎo)航功能。結(jié)合故障預(yù)測與健康管理技術(shù)（PrognosticsandHealthManagement，PHM），通過實(shí)時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，確保系統(tǒng)始終處于最優(yōu)的抗干擾工作狀態(tài)。

3.3融合多種抗干擾技術(shù)以增強(qiáng)魯棒性

提升機(jī)載衛(wèi)星通信導(dǎo)航設(shè)備的抗干擾性能，一個重要的策略是深度融合多種抗干擾技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高性能、高魯棒性運(yùn)作。這種融合策略旨在從不同層面和維度對抗各種復(fù)雜、多變的干擾源，確保在嚴(yán)酷的電磁環(huán)境下，衛(wèi)星通信導(dǎo)航信號的獲取、傳輸和處理能力始終保持在高水平。

在信號接收端，可以通過多元異構(gòu)信號接收技術(shù)，如分集接收、MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)等，充分利用信號的空間多樣性，分散和抵消干擾影響。同時，利用自適應(yīng)濾波、盲源分離、干擾抵消等信號處理算法，精確區(qū)分和消除來自多徑傳播、多用戶共享頻譜以及惡意干擾的不利因素。

在通信協(xié)議層面，采用先進(jìn)的信道編碼技術(shù)，如Turbo碼、LDPC碼以及糾錯編碼配合交織技術(shù)，增強(qiáng)信號在噪聲和干擾環(huán)境下的錯誤檢測與糾正能力。此外，自適應(yīng)調(diào)制與編碼（AdaptiveModulationandCoding，AMC）、動態(tài)頻率選擇（DynamicFrequencySelection，DFS）等技術(shù)的融合應(yīng)用[6]，能夠根據(jù)實(shí)時信道狀態(tài)和干擾程度動態(tài)調(diào)整通信參數(shù)，實(shí)現(xiàn)資源的最佳利用和性能優(yōu)化。

在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計上，采用認(rèn)知無線電和頻譜共享技術(shù)，讓系統(tǒng)具備感知周圍電磁環(huán)境、智能分配和利用頻譜資源的能力，從而有效避開干擾源或在有干擾的情況下仍然保持通信能力。同時，通過物理層安全技術(shù)，如擴(kuò)頻、跳頻、加密等手段，增強(qiáng)系統(tǒng)抵御有意干擾和竊聽攻擊的能力。

提升機(jī)載衛(wèi)星通信導(dǎo)航設(shè)備的抗干擾性能涉及多元融合技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用，涵蓋信號處理算法優(yōu)化、智能自適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及頻譜管理與安全防護(hù)等方面。通過Rake接收、智能分集、先進(jìn)編碼調(diào)制、自適應(yīng)波束賦形等技術(shù)，系統(tǒng)可在復(fù)雜動態(tài)環(huán)境中高效抑制多徑效應(yīng)、噪聲及人為干擾，確保信號質(zhì)量和通信導(dǎo)航效能。未來發(fā)展趨勢將更加強(qiáng)調(diào)跨層次綜合抗干擾能力的構(gòu)建，結(jié)合智能學(xué)習(xí)與預(yù)測性維護(hù)，實(shí)現(xiàn)全方位、全天候、全場景的高可靠、高魯棒通信導(dǎo)航服務(wù)。

4結(jié)語

本文通過對機(jī)載衛(wèi)星通信導(dǎo)航設(shè)備所面臨的自然環(huán)境、人為電磁輻射及系統(tǒng)內(nèi)部噪聲等多重干擾源的深入剖析，明確了當(dāng)前抗干擾技術(shù)在多徑效應(yīng)抑制、動態(tài)環(huán)境適應(yīng)及高數(shù)據(jù)速率下的抗干擾性能瓶頸。為解決這些挑戰(zhàn)，研究提出了三大核心技術(shù)方向：采用先進(jìn)信號處理算法以改善信號質(zhì)量；設(shè)計智能自適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以應(yīng)對復(fù)雜電磁環(huán)境變化；融合多元抗干擾技術(shù)以增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性。其中，諸如Rake接收、智能分集、Turbo/LDPC編碼、自適應(yīng)天線陣列、波束賦形、MIMO、自適應(yīng)調(diào)制編碼及頻譜感知與智能分配技術(shù)等已被證實(shí)對于提升抗干擾性能具有重要作用。

通過綜合運(yùn)用上述技術(shù)手段，并持續(xù)進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，未來有望突破抗干擾性能瓶頸，確保機(jī)載衛(wèi)星通信導(dǎo)航系統(tǒng)在各類復(fù)雜電磁環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高可靠、高魯棒的運(yùn)行，滿足現(xiàn)代航空領(lǐng)域?qū)νㄐ艑?dǎo)航的高標(biāo)準(zhǔn)需求。展望未來，結(jié)合智能學(xué)習(xí)、預(yù)測性維護(hù)等先進(jìn)技術(shù)，將進(jìn)一步推動機(jī)載衛(wèi)星通信導(dǎo)航設(shè)備在抗干擾性能上的全面提升，為實(shí)現(xiàn)全方位、全天候、全場景下的穩(wěn)定高效通信導(dǎo)航服務(wù)奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。

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