卫星通信抗干扰的发展与应用研究

卫星通信抗干扰的发展与应用研究摘要：卫星通信自20世纪60年代投入运行以来，历经近60年的发展历史，早已被视为当今通信技术中极其重要的一种通信手段。卫星通信不仅具有通信距离远、覆盖面积广、布站灵活等特点，已普遍应用在了广播电视、个人移动通信及现代军事通信等领域。但是，卫星通信信号属于无线电磁波，很容易受到干扰、侦听、破坏及截获，因此通过多手段来解决卫星通信抗干扰已经成为现代卫星通信长足发展的当务之急。关键词：卫星通信；抗干扰1卫星通信干扰概述卫星通信系统中的干扰主要分为对卫星站的干扰和对通信卫星的干扰两类。对卫星站的干扰，即下行链路干扰一般采用空中平台干扰，由于空中平台干扰作业易被发现、易被摧毁，所以目前很少被用于实际应用中。由于通信卫星位于太空轨道上，因此对通信卫星进行干扰，即对上行链路信号实施干扰是目前比较常用的干扰手段，因为它可同时造成多条链路乃至多个卫星通信系统受到干扰的威胁。对通信卫星的干扰有各种各样的方式，以干扰设备装载平台来区分可分为地基、空基、天基3类[1].随着科技的发展，干扰设备功率越来越大，甚至达到上千千瓦量级，机载和星载干扰设备也有较快发展，对卫星通信构成较大威胁。卫星干扰一般分为以下两类：1.1跟踪式干扰跟踪式干扰是通过发射相同频率的干扰信号对卫星信道进行干扰的技术。敌方需要了解被干扰信道的频段和信号带宽等基本信息，通过发射相同频率和带宽的信号将目标信道进行干扰覆盖。在掌握目标卫星转发器的上行与下行信号的映射关系后，敌方通常采用对下行信号进行侦测观察、对上行信号进行干预扰乱的方法，即在信号收端接收到卫星下行链路信号后，控制单元共数据库内提取到相应的上行频率，在预定的时间内发射同频干扰信号。1.2阻塞式干扰阻塞式干扰是目前较常用的一种干扰技术，其干扰带宽一般远大于被干扰信号的工作频段范围。干扰方将干扰信号覆盖在目标信号所有可能的频段上，可对多个目标信号进行有效干扰，该技术可以通过发射大功率信号对特定频率范围内的所有信号信息干扰。由于阻塞式干扰不需要复杂的频率瞄准和信号引导设备，所以阻塞式干扰设备原理简单，但同时对发射功率要求较高，干扰功率不能集中，如果需要对多个信道中的每个目标信号进行干扰，则需要设计出功率很大的发射机，所有在阻塞式干扰中，最大的难题就是如何提高作用到目标接收机上的干扰功率。通常的做法是采用减少干扰频段、增加发射机数目等措施。2卫星通信抗干扰措施2.1扩展频谱技术目前，根据扩频方式的不同，主要分为直接序列扩频、跳频和直接/跳频混合扩频技术等方式[2].（1）直接序列扩频直接序列扩频（DS）就是用较大速率的伪随机码序列直接在信号的发端将信号的频谱扩展的技术，扩频可以使单位频带内的功率谱密度变低，从频谱上看，实现了将信号淹没在噪声里，敌方不易在噪声中识别信号的存在。而在信号收端，用相同的伪随机码去进行解扩频，便可恢复信号，又能将干扰能量抑制掉，从而有效地提高信号的噪声比，达到门限值。该技术具有频谱隐蔽性好，信号不容易被干扰的优点，而且顽存能力与伪随机序列长度成正相关。当干扰源较强时，可通过增加扩频比来提高系统抗干扰能力；若干扰源减弱，信道质量好时，可减少扩频比提高信息速率，以提高信道的利用率。（2）跳频跳频（FH）是将信号在多个载波频率间按预设跳频图案随机跳变，由于载波频率一直在切换，故又工作在突发传输状态，具有很强的抗干扰能力。对扩频带宽较宽的情况，跳频比直接序列扩频更为实用。目前在工程实践中，主要针对跳频速率和跳频带宽范围进行重点研究，前者可以增大敌方对我方卫星信号的跟踪和干扰的难度，后者则可以大幅提高卫星通信系统的抗干扰处理增益。其中智能跳频已经成功应用到工程实践当中，并表现出其优越的抗干扰性能，当跳频系统某个频率段受到干扰时，可以智能识别出已经被跟踪的频率，系统随即改变跳频频率集，在未被干扰的频段进行跳频工作。自适应跳频式克服跳频"1/3干扰频点门限"的有效手段，智能跳频技术不仅可以自动改变跳频频率图案，还可以自动改变跳频的速率。（3）直接/跳频混合扩频技术在DS的基础上增加了信道频率变换的功能，整合了直接序列扩频和跳频两种扩频方式的优点，因而能更有效地对抗干扰。直接/跳频混合扩频技术是指在直扩通信的过程中，扩频频谱的中心频率在一个相对扩频带宽内按预定的跳频图案快速抖动，与简单的直接序列扩频通信相比，该技术虽然不具备额外的抗干扰能力，不过却可大幅度提高系统的抗截获、抗干扰性能[3].不过直接/跳频混合扩频技术对接收端的载波捕获和定时同步要求较高，否则无法跟踪快速跳变的载波信号，对硬件要求和软件设计都提出了很高的要求，目前该技术在国内仍然处于理论研究中，尚未应用到实际工程应用中。2.2天线抗干扰技术天线抗干扰技术是指通过波束成形及灵活覆盖技术，使天线能最大限度地接收我方信号的同时"零化"敌方干扰，具体包括智能调零天线、多波束天线等。（1）智能调零天线智能调零天线通过改变天线的方向图，可以智能调整卫星信号的起始位置，使之面向敌方干扰信号方向并降低旁瓣波束来达到抗干扰的目的。智能调零天线利用敌我信号在振幅、频率和空间方位的区别，通过智能加权处理天线各单位阵列，达到天线阵方向图的智能控制和优化处理，在干扰信号来源方向上制造深度调零，调零深度一般最高可达近30dB,并降低旁瓣信号来抑制干扰，大幅提高卫星信号抗干扰能力。智能调零天线技术在抑制窄带干扰、宽带干扰、同频干扰和邻星干扰等场景中发挥了比较重要的作用。（2）多波束天线多波束天线可以按照实际应用场景中的频谱特性，自动将波束切换至我方卫星信号的频率需求范围，提高卫星通信的抗干扰能力。如果一个或多个卫星通道被敌方干扰时，立刻停止使用这些通道，保留其他卫星通道，这样可以最大程度的降低敌方干扰对我方卫星通信系统的影响。目前常用的多波束天线主要包括3种类型，即防范设施多波束天线、透射式多波束天线和直接辐射相控阵多波束天线。2.3卫星载荷抗干扰技术卫星载荷转发器根据其对接收到的信号是否进行处理，可分为星上透明转发器和星上处理转发器两种，一般情况下，在卫星载荷技术的微小提高都可以成倍提升整个卫星通信系统的各项性能。卫星载荷抗干扰技术不仅可以我方保护转发器不被敌方信号干扰、而且可以防止信道堵塞，是目前提高整个卫星系统抗干扰能力的最直接、最有效的手段。针对星上透明转发器抗干扰处理通常采用SmartAGC技术。该技术通过智能包络置换来实现对地方信号的抗干扰能力，可以大幅提高卫星通信系统的三抗能力。该技术可以自动检查链路是否受到敌方干扰，可以智能作出包络处理决定。在卫星转发器前端利用SmartAGC干扰技术，可以有效降低上行强干扰对转发器功放功率的掠夺。相对于星上透明转发器的卫星载荷抗干扰技术而言，星上处理转发器具有明显的抗干扰优势。星上处理转发器可以对上行干扰加以识别处理，使其影响减到最小或加以消除。其基本功能包括上行信号解跳频、解扩频、信息译码和信息分接；下行信号的信息编码、信息复接、信号调制、信号扩频和信号跳频等[4].结语抗干扰卫星通信系统除具有常规