衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)綜述

姚力

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衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)綜述

姚力

南京萊斯信息技術(shù)股份有限公司，江蘇 南京 210007

在地面環(huán)境特殊性的影響下，在地面網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不能將安全機(jī)制直接用在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，提升衛(wèi)星通信系統(tǒng)的干擾性特征具有一定的意義?；诖耍到y(tǒng)地分析與綜述了衛(wèi)星通信系統(tǒng)面臨的各類(lèi)干擾，并對(duì)當(dāng)前應(yīng)用的衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)的原理、特征以及相關(guān)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單的論述，包含擴(kuò)頻技術(shù)、星上處理技術(shù)及天線(xiàn)抗干擾技術(shù)等。在此基礎(chǔ)上，探討了該項(xiàng)技術(shù)研究的發(fā)展方向以及今后需要進(jìn)一步研究的相關(guān)內(nèi)容，進(jìn)而促進(jìn)我國(guó)衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)的提高。

衛(wèi)星通信；抗干擾技術(shù)；通信技術(shù)

引言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)是具有較好的傳輸質(zhì)量、覆蓋面積廣等特征，在一定的空間內(nèi)具有一定的通信能力的星座，能夠有效地與用戶(hù)終端以及路面站進(jìn)行合作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣象的測(cè)繪、導(dǎo)航定位、全球化移動(dòng)通信以及軍事國(guó)防等多個(gè)類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此，當(dāng)今在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在人們的生活中，已是一個(gè)重要的組成部分。

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的概述

衛(wèi)星針對(duì)各類(lèi)復(fù)雜的干擾性，難以對(duì)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行合理的應(yīng)付。所以，我們首先應(yīng)該了解所干擾的因素，分析有效的應(yīng)對(duì)措施，運(yùn)用抗干擾技術(shù)保障衛(wèi)星系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)調(diào)查，近十年來(lái)，世界多個(gè)國(guó)家提出的綜合性的衛(wèi)星寬帶業(yè)務(wù)的方案已經(jīng)達(dá)到了80～100個(gè)，能夠看出在新的社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)下，新型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)將趨向綜合性業(yè)務(wù)化、通信趨向?qū)拵Щ约盎ヂ?lián)網(wǎng)國(guó)際一體化、移動(dòng)數(shù)據(jù)終端多樣化的趨勢(shì)發(fā)展。因此，在這樣的背景下，互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)面臨著一定的挑戰(zhàn)。由于受到空間地域通信環(huán)境的影響，當(dāng)今已有的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)難以適用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)。本次研究主要是對(duì)通信衛(wèi)星的各類(lèi)抗干擾技術(shù)進(jìn)行綜述?？垢蓴_是為了能夠?qū)Ω蓴_方的方向以及電磁能進(jìn)行有效的控制，另外能夠供給微波電磁頻譜，提升空間信息系統(tǒng)的生存能力，因此運(yùn)用反對(duì)抗的方式和手段[1]。它的主要目的是最大限度抵制非認(rèn)證訪問(wèn)身份對(duì)系統(tǒng)信息的獲取、傳輸、處理以及分配等能力的攻擊，進(jìn)而采取良好的防護(hù)措施，確保我方空間信息系統(tǒng)的安全性?？傮w來(lái)說(shuō)，運(yùn)用衛(wèi)星能保障通信任務(wù)，具有強(qiáng)大的抗干擾性質(zhì)，為此應(yīng)針對(duì)抗干擾技術(shù)進(jìn)行深刻的研究，從而提升抗干擾能力與抗摧毀性。

2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)所面對(duì)的干擾性問(wèn)題

衛(wèi)星通信系統(tǒng)包含較為脆弱的信道，容易受到干擾和欺騙。當(dāng)前存在各類(lèi)干擾方式與手段，包含上行、下行與星間信道三個(gè)部分。所以，該系統(tǒng)當(dāng)前面對(duì)的干擾，也來(lái)自這三個(gè)方面。

2.1 上行信道干擾

針對(duì)上行道的干擾來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星通信接收機(jī)是在地面的發(fā)射機(jī)與干擾機(jī)大氣層中。電磁干擾衛(wèi)星包括車(chē)載式、固定式以及航載移動(dòng)式、機(jī)載式干擾衛(wèi)星。在針對(duì)上行信道進(jìn)行干擾的過(guò)程中，為了能夠在通信發(fā)射機(jī)的輸出位置，獲取1∶1的干擾信號(hào)比率，并且干擾機(jī)能夠有效地進(jìn)行發(fā)射，將發(fā)射功率有效的控制，為此應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通信干擾機(jī)。在通信的位置，可以運(yùn)用擴(kuò)頻、調(diào)頻的方式，與干擾信號(hào)相比能夠獲得幾十個(gè)dB功率，衛(wèi)星接收機(jī)可以降低干擾的效果[2]。

2.2 星間信道干擾

組網(wǎng)衛(wèi)星通信中，為了能夠達(dá)到環(huán)球目的，因此通信衛(wèi)星間應(yīng)存有一定的通信信道，在一般情況下是運(yùn)用在毫米波與微米之間，并且其干擾在一般情況下會(huì)出現(xiàn)在通信接收與發(fā)送的途徑中。抗干擾方式不僅具有擴(kuò)頻與調(diào)頻性質(zhì)，還具備非常強(qiáng)大的通信天線(xiàn)方向圖，能夠進(jìn)行有效的選擇[3]。

2.3 下行信道干擾

下行信道的干擾環(huán)境中，通信發(fā)射機(jī)是在衛(wèi)星的上方。通信干擾機(jī)與通信接收機(jī)在接觸地面的空氣中。一般情況下電磁干擾源包含傘掛式、飛航式等干擾機(jī)[4]。對(duì)于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器來(lái)說(shuō)，干擾源可在視距內(nèi)的距離進(jìn)行干擾。因此，在距離和功率上具有一定的優(yōu)勢(shì)。但是其在信號(hào)的發(fā)射和信號(hào)的覆蓋面積上具有一定的劣勢(shì)。除了以上干擾形式外，一般在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的干擾技術(shù)也可以應(yīng)用在衛(wèi)星通信對(duì)抗中，運(yùn)用在通信系統(tǒng)中，也能將其運(yùn)用在通信系統(tǒng)的干擾之中，能夠?qū)⑵涓蓴_劃分成許多種分類(lèi)方式。例如，按照干擾的形式，能夠分成攪擾式、壓制式與欺騙式干擾；根據(jù)引導(dǎo)的方式，又可以分成連續(xù)搜索、重點(diǎn)搜索以及擴(kuò)頻跟蹤干擾等[5]。各類(lèi)通信干擾一方面具備物理上的共同性質(zhì)；另一方面又存在著較大的差異性，并且能夠?qū)νㄐ判盘?hào)產(chǎn)生一定的影響，具有不同的形式。因?yàn)?，為了能夠更好地保障通信正常運(yùn)行，不是依靠單一的或是幾類(lèi)處理方式，而是要全面系統(tǒng)地使用多類(lèi)抗干擾的手段[6]。

3 衛(wèi)星通信中應(yīng)用的抗干擾技術(shù)

3.1 天線(xiàn)抗干擾技術(shù)

在衛(wèi)星通信技術(shù)中運(yùn)用的天線(xiàn)抗干擾技術(shù)，是一種極為常見(jiàn)的抗干擾方式，它包含智能天線(xiàn)、調(diào)零等。另外，自適應(yīng)調(diào)零運(yùn)行原理，使用星上大型并且具有多道波束接收天線(xiàn)，能夠構(gòu)成賦形天線(xiàn)，并且能夠?qū)⑵湔丈涞侥骋豢臻g。衛(wèi)星檢測(cè)到干擾信號(hào)時(shí)，將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉干擾方向的點(diǎn)波，為此能夠?qū)崿F(xiàn)抗干擾動(dòng)機(jī)；智能天線(xiàn)抗干擾原理，可以運(yùn)用到敵我雙方的信號(hào)中，進(jìn)行編碼、幅度以及頻譜等，或是針對(duì)空間方位特點(diǎn)的不同，運(yùn)用信號(hào)處理器的作用，做出自適應(yīng)的處理，對(duì)天線(xiàn)陣的方向圖，進(jìn)行自動(dòng)控制與優(yōu)化，可以讓天線(xiàn)的增益作用，最大限度體現(xiàn)在我方的信號(hào)方向上，能夠使波束覆蓋范圍隨用戶(hù)運(yùn)動(dòng)作相應(yīng)變化，還可恰當(dāng)對(duì)衛(wèi)星天線(xiàn)波束形狀進(jìn)行選擇，進(jìn)而能夠提高通信系統(tǒng)抗干擾性。例如，圖1衛(wèi)星通信系統(tǒng)可用于不同的空間、地域中，容易受到不同技術(shù)的干擾，可達(dá)成最初干擾的動(dòng)機(jī)，進(jìn)而充分體現(xiàn)出衛(wèi)星通信系統(tǒng)的靈活性，另外也能促使衛(wèi)星接收線(xiàn)最大限度接收我方信號(hào)。此外，能夠有效控制敵方對(duì)我方的干擾。

圖1 衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)

3.2 星上處理技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)可以減小上行鏈路對(duì)于下行鏈路的干擾，與此同時(shí)制定出相應(yīng)的措施，防止轉(zhuǎn)發(fā)器出現(xiàn)飽和的現(xiàn)象。星上處理技術(shù)在一般情況下包括將信號(hào)再生進(jìn)行調(diào)節(jié)、多波束交換、速率變換等[7]。為此能夠?qū)⑵涑浞诌\(yùn)用到行波管的放大器上，當(dāng)功率增大時(shí)能夠?qū)⒂行Ы档涂蛻?hù)端的天線(xiàn)尺寸，另外上行功率不需要很大，就能夠滿(mǎn)足相應(yīng)的需求，也能降低對(duì)地面站的設(shè)備需求。

3.3 擴(kuò)頻技術(shù)

擴(kuò)頻技術(shù)這一抗干擾技術(shù)，已成為當(dāng)今衛(wèi)星通信中的一項(xiàng)通用技術(shù)。它屬于一種新型的傳輸方式，它應(yīng)用與它自身無(wú)關(guān)系的序列碼以及擴(kuò)展頻譜，進(jìn)而在提升使用大寬帶傳輸時(shí)，可在最小寬帶中傳輸；接收終端的位置運(yùn)用同樣的序列碼，可以對(duì)它一同進(jìn)行接擴(kuò)，能使通信信號(hào)恢復(fù)到原始狀態(tài)[8]。其優(yōu)點(diǎn)是具有很好的安全保密性，不會(huì)對(duì)其他的電信設(shè)備產(chǎn)生干擾，而且它的抗干擾性、抗噪聲性，也非常強(qiáng)大，無(wú)須擔(dān)心衰落的問(wèn)題，其頻率還能夠重復(fù)使用。根據(jù)不同的頻譜擴(kuò)展方法，可以分為直接序列擴(kuò)頻和跳變頻率方法。另外，前者可以直接應(yīng)用于具有高概率擴(kuò)頻的序列。如圖2信號(hào)頻譜可以在發(fā)送端擴(kuò)展，并且相同的擴(kuò)頻碼序列用于在接收端位置解擴(kuò)，但是在接收端，后者是根據(jù)一開(kāi)始建立的規(guī)則接收和發(fā)送雙方傳輸信號(hào)的載波頻率，以制定合理的離散變化通信模式，并使用載頻進(jìn)行通信，能夠隨機(jī)更改控制編碼以及將要出現(xiàn)跳轉(zhuǎn)的情況。從完成模式的角度來(lái)看，它是一種使用代碼序列來(lái)完成多頻移位鍵的通信模式。因?yàn)樾l(wèi)星工作的頻帶較寬，為了能夠在不同的轉(zhuǎn)發(fā)器間正常工作，在一般的情況下需要在地面設(shè)備覆蓋超過(guò)500?Hz的寬帶。想要在這樣寬的頻帶當(dāng)中，完成快速、精細(xì)的跳頻，可以說(shuō)存在著極大的難度。

圖2 擴(kuò)頻技術(shù)

3.4 限幅技術(shù)

該技術(shù)是當(dāng)今普遍應(yīng)用的一種干擾技術(shù)，其主要目的是為了能夠防止轉(zhuǎn)發(fā)器中的功率放大器出現(xiàn)問(wèn)題。受到上行干擾的推動(dòng)，使其處于邊緣或者飽和的狀態(tài)。最佳的限幅器，應(yīng)具有一定特質(zhì)的限幅性，當(dāng)高功率信號(hào)輸入時(shí)，信號(hào)遞減度會(huì)逐漸升高，也就是較高的隔離度；而在低的時(shí)候僅僅有一種非常小的插入損耗。當(dāng)前，發(fā)展最快的碳化硅第3代寬帶隙半導(dǎo)體材料，是非常具有使用前景的微波功率器件材料，它的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、熱導(dǎo)率性能及電子飽和漂移速度等，分別是硅的8倍、3倍和2倍。在對(duì)幅值進(jìn)行限制的額過(guò)程中，由于具有一定的非線(xiàn)性的效果，會(huì)使較強(qiáng)的信號(hào)抵制較小的信號(hào)，因此信噪比會(huì)下降，它最大能夠達(dá)到dB。與其相比，軟線(xiàn)幅和硬線(xiàn)幅大約有4?dB的性能改良。

3.5 無(wú)線(xiàn)光通信技術(shù)

將無(wú)線(xiàn)光通信技術(shù)作為大氣中的傳輸媒介，可有效傳輸成光信號(hào)，但是僅限接收與傳輸?shù)倪^(guò)程中。在進(jìn)行對(duì)點(diǎn)的傳輸過(guò)程中，每個(gè)終端都將配備接收機(jī)、光發(fā)射機(jī)，為此能夠達(dá)到通信雙工的效果[9]。除此之外，光發(fā)射的光源會(huì)受到電信號(hào)的控制和調(diào)節(jié)，將其作為天線(xiàn)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)大氣信道對(duì)信號(hào)的傳遞，使信號(hào)反映在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡之上。在接收機(jī)中，望遠(yuǎn)鏡收集到的信號(hào)，能夠?qū)⑵渚劢褂诠怆姍z器之中，之后再將該信號(hào)轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)。該技術(shù)具有以下幾種優(yōu)勢(shì)：頻帶寬、頻率速度快，具有豐富的頻譜資源，可以用于紅外光的傳輸系統(tǒng)的工作頻段上，一般會(huì)超過(guò)300?GHz。這一頻段的使用在全球范圍內(nèi)，都不會(huì)受到管制；而且有著透明的協(xié)議、靈活便捷的架設(shè)、極強(qiáng)的安全保密性，從而與電波間，并不會(huì)存在干擾性的問(wèn)題。除去美國(guó)之外，歐洲ESA、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，也在逐漸加深對(duì)無(wú)線(xiàn)光通信技術(shù)的研究。

3.6 自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)具有信道自適應(yīng)性質(zhì)，可以運(yùn)用到衛(wèi)星當(dāng)中，也能應(yīng)用到無(wú)線(xiàn)信道通信傳輸技術(shù)，能夠在估計(jì)信道的基礎(chǔ)上，通過(guò)信道回傳將信道所形成的信息，傳送到發(fā)送的終端，可以將其根據(jù)不同的信噪比，調(diào)節(jié)方式和轉(zhuǎn)變編碼的自身適應(yīng)能力，在信噪比較低時(shí)，應(yīng)用較低的信息速率，為此能夠使得整體的利用率，可以在固定的速率系統(tǒng)中獲得較為顯著的提升，進(jìn)而讓系統(tǒng)能夠高效地進(jìn)行可靠的傳輸，并起到總體性能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的目的。

4 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

本文提到的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，能夠適用于編碼技術(shù)的調(diào)制，只能是在頻域或是時(shí)域之內(nèi)，針對(duì)不同類(lèi)型的傳輸參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，為此能夠更好地適用于信道變化。由于運(yùn)用不同類(lèi)型的發(fā)射天線(xiàn)，因此其所能夠發(fā)射的信號(hào)會(huì)經(jīng)歷信號(hào)的衰落現(xiàn)象具有一定的差異性，實(shí)際上是為了能夠?qū)⒋祟?lèi)算法與多天線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，從而提高衛(wèi)星通信技術(shù)的精確度。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，目前新型的技術(shù)不斷延伸于衛(wèi)星技術(shù)中，并且結(jié)合多天線(xiàn)分集技術(shù)。無(wú)線(xiàn)光線(xiàn)技術(shù)具有一定的難點(diǎn)，一般表現(xiàn)在大氣的粒子中，能夠?qū)⒐饩€(xiàn)散發(fā)與吸收，保障激光的安全性以及信號(hào)的傳送效率與速度，但是信號(hào)質(zhì)量和傳輸距離方面的矛盾，還依然存在。所以對(duì)這些問(wèn)題的研究，已成為未來(lái)在衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)方面，取得突破性進(jìn)行進(jìn)展的一個(gè)重要研究方向。

5 結(jié)論

綜上所述，隨著我國(guó)綜合國(guó)力的不斷增強(qiáng)，在衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)方面的研究，也在逐漸深化。隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展以及呈現(xiàn)出多網(wǎng)聯(lián)合的趨勢(shì)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有通信成本低、覆蓋面廣、不受空間地域的限制，能夠應(yīng)用的資源較為豐富，是建設(shè)全球化無(wú)縫隙互聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的重要構(gòu)成部分，能夠最大限度確保我方空間信息系統(tǒng)的安全。所以，本文對(duì)衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)進(jìn)行研究綜述，便顯得尤為重要。

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Summary of Anti-Jamming Technology for Satellite Communication

Yao Li

Nanjing LES Information Technology Co., Ltd., Jiangsu Nanjing 210007

Under the influence of the speciality of the ground environment, the safety mechanism cannot be directly used in the satellite communication system in the terrestrial network. It is of certain significance to enhance the interference characteristics of the satellite communication system. Based on this, the paper systematically analyzes and reviews various types of interference faced by satellite communication systems, and briefly discusses the principles, characteristics and related research status of the currently applied satellite communication anti-interference technology, including spread spectrum technology, on-board processing technology and antenna anti-interference technology. On this basis, the development direction of this technology research and related content that needs further research in the future are discussed, and then the anti-jamming technology of satellite communication in China is promoted.

satellite communication; anti-jamming technology; communication technology

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