對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的星地一體對(duì)抗技術(shù)初探

賈鐵燕，崔 寧

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081; 2.中國(guó)人民解放軍96902部隊(duì)，北京 100015)

0 引言

世界高新技術(shù)的迅速發(fā)展，正改變著當(dāng)今戰(zhàn)爭(zhēng)的模式，高技術(shù)下戰(zhàn)爭(zhēng)的特點(diǎn)將是陸、海、空、天、地、網(wǎng)、電等多維度立體化信息戰(zhàn)，交戰(zhàn)雙方在戰(zhàn)爭(zhēng)中進(jìn)行全時(shí)空的信息較量，爭(zhēng)奪對(duì)信息的控制權(quán)，以贏得戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利。信息戰(zhàn)是建筑于指揮、控制、通信、情報(bào)、偵察、監(jiān)視等一系列能力的基礎(chǔ)之上，通信作為系統(tǒng)的神經(jīng)與紐帶，占有舉足輕重的地位，而衛(wèi)星通信由于其不可取代的空間優(yōu)勢(shì)經(jīng)常被作為干線鏈路使用，是高速度、高強(qiáng)度、高技術(shù)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的重要組成部分，因此研究對(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)的對(duì)抗技術(shù)，成為掌握戰(zhàn)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)的關(guān)鍵之一。

本文正是針對(duì)應(yīng)用廣泛的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，從無(wú)線通信網(wǎng)的對(duì)抗技術(shù)入手，對(duì)天基平臺(tái)與陸基平臺(tái)相結(jié)合的天地一體衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)抗技術(shù)進(jìn)行了初步探討。

1 對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)的攻擊技術(shù)

無(wú)線通信網(wǎng)通過(guò)電磁波進(jìn)行傳輸，因此在電磁波覆蓋區(qū)域內(nèi)，所有的用戶均能夠接觸到網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膬?nèi)容，無(wú)線鏈路信道的這種開(kāi)放特性，為實(shí)施攻擊提供了便利條件。

針對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)的攻擊策略可以簡(jiǎn)單地劃分為被動(dòng)式攻擊與主動(dòng)式攻擊兩大類(lèi)：被動(dòng)攻擊指攻擊者并不實(shí)施攻擊行為，攻擊的目的主要是收集信息，而不是對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)造成破壞，被動(dòng)攻擊的主要形式是無(wú)線竊聽(tīng)，通過(guò)無(wú)線竊聽(tīng)、截獲無(wú)線鏈路上傳輸?shù)膬?nèi)容進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)，獲得目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)、情報(bào)信息等；主動(dòng)攻擊則又可以根據(jù)攻擊的方式方法細(xì)分為持續(xù)干擾、靈巧干擾、欺騙攻擊以及智能干擾等，下面分別進(jìn)行詳述。

1.1 無(wú)線竊聽(tīng)

由于無(wú)線通信的通信信息經(jīng)由無(wú)線信道進(jìn)行傳輸，與有線通信相比較，無(wú)線鏈路的開(kāi)放性使得其傳輸?shù)男畔?nèi)容更容易被截獲。攻擊者只需要使用相應(yīng)設(shè)備，在其傳輸通路上，就可以對(duì)無(wú)線通信所傳輸?shù)男畔?nèi)容進(jìn)行竊聽(tīng)。例如可以通過(guò)對(duì)商用無(wú)線通信系統(tǒng)的竊聽(tīng)，可獲得用戶身份信息、計(jì)費(fèi)信息、密鑰信息以及位置信息等，從而達(dá)到獲取用戶隱私、侵犯用戶資源的目的；而對(duì)軍事、國(guó)家等重要通信系統(tǒng)的竊聽(tīng)，更是可以獲得用戶的指令、行為、部署等信息，是竊取情報(bào)的重要手段。

1.2 持續(xù)干擾

持續(xù)干擾也可以理解為大功率壓制干擾，由于無(wú)線通信的通信載體是電磁波，因此可以利用大功率發(fā)射裝備對(duì)正常的通信鏈路實(shí)施不間斷的干擾，即持續(xù)干擾，達(dá)到降效或阻斷通信業(yè)務(wù)的目的。對(duì)目標(biāo)通信網(wǎng)絡(luò)使用的工作頻率發(fā)射干擾信號(hào)，可使得接收端接收到的正常通信信號(hào)信噪比無(wú)法達(dá)到接收要求，從而接收端無(wú)法正確解譯傳輸?shù)耐ㄐ艃?nèi)容，達(dá)到干擾目的。

1.3 靈巧干擾

靈巧干擾的定義并不十分明晰，本文將針對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)特性，采取靈活多變的干擾樣式以達(dá)到一定干擾效果，同時(shí)可大量節(jié)約干擾功率的干擾方式稱(chēng)作靈巧干擾，一般指無(wú)反饋(反應(yīng))的干擾方式。

持續(xù)干擾一般會(huì)忽略通信的過(guò)程性特征，即不考慮通信的時(shí)、頻、空、功率的變化性，在一定的頻域、時(shí)域、空域以及功率域等多維空間上進(jìn)行通信信號(hào)的覆蓋，達(dá)到壓制的效果。但是實(shí)際通信過(guò)程中，通信特征不是一成不變的，通常會(huì)包括同步、建聯(lián)、持續(xù)、拆鏈等各個(gè)過(guò)程，數(shù)據(jù)封裝的格式也會(huì)包括同步引導(dǎo)、幀同步、訓(xùn)練序列、校驗(yàn)字段等各個(gè)字段。因此，針對(duì)各種通信過(guò)程、環(huán)節(jié)、字段等，不再持續(xù)實(shí)施干擾而是只對(duì)數(shù)字信號(hào)的一部分進(jìn)行有針對(duì)性的干擾，稱(chēng)之為靈巧干擾。

如靈巧干擾使用恰當(dāng)，其效果將優(yōu)于持續(xù)干擾，即在相同干擾效果時(shí)所使用的干信比將優(yōu)于持續(xù)干擾。但是，靈巧干擾的干擾過(guò)程需要與目標(biāo)通信系統(tǒng)相匹配，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。

靈巧干擾與持續(xù)干擾相比較，具有以下特點(diǎn)：

1)干擾隱蔽性較強(qiáng)，干擾功率較小。靈巧干擾弱化了功率的決定性作用，因此具有不易被察覺(jué)、保障己方安全的特點(diǎn)。

2)干擾設(shè)備的靈活機(jī)動(dòng)性好。由于靈巧干擾降低了干擾功率，因此其成本被降低，而且設(shè)備體積也有所減小，可實(shí)現(xiàn)便攜、車(chē)載、機(jī)載、星載等多種形式，方便組網(wǎng)形成更高效的干擾網(wǎng)絡(luò)。

3)干擾信號(hào)樣式多，目標(biāo)針對(duì)性較強(qiáng)。靈巧干擾針對(duì)不同的過(guò)程特征使用不同的干擾信號(hào)樣式，如可干擾導(dǎo)頻信號(hào)、干擾同步過(guò)程等，因此干擾信號(hào)樣式多種多樣，效果也靈活多變，但是由于目標(biāo)通信系統(tǒng)的多樣性，靈巧干擾只能針對(duì)特定目標(biāo)實(shí)施。

靈巧干擾的基本架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。首先進(jìn)行信號(hào)偵收，獲取信號(hào)參數(shù)特征，再根據(jù)信號(hào)特征進(jìn)行干擾信號(hào)引導(dǎo)，設(shè)計(jì)不同的干擾樣式，生成干擾信號(hào)發(fā)送。此過(guò)程中，需根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行干擾信號(hào)的引導(dǎo)與生成，并從時(shí)間、空間、頻率、樣式、過(guò)程等多個(gè)維度引導(dǎo)發(fā)射干擾信號(hào)。

圖1 靈巧干擾基本架構(gòu)

1.4 欺騙攻擊

無(wú)線通信系統(tǒng)用戶與網(wǎng)絡(luò)之間的交互過(guò)程是利用無(wú)線鏈路完成的，仍然是由于無(wú)線鏈路的開(kāi)放特性，如果一旦可以竊聽(tīng)到用戶的身份并進(jìn)行仿冒，那么攻擊者就可以利用竊聽(tīng)到的合法身份進(jìn)行仿冒攻擊，從而達(dá)到對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)欺騙的目的，這樣一來(lái)，不僅僅對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)造成了擾亂，而且實(shí)現(xiàn)了欺騙。通過(guò)欺騙攻擊，攻擊者可以無(wú)償獲得網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)，也可以假冒網(wǎng)絡(luò)服務(wù)欺騙終端用戶，從而掌控更多的網(wǎng)絡(luò)資源。

由于欺騙攻擊針對(duì)不同的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)其實(shí)施與實(shí)現(xiàn)過(guò)程均不同，涉及物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層乃至應(yīng)用層等多層次的知識(shí)，這里不作為重點(diǎn)描述。

1.5 智能干擾

電磁環(huán)境日益復(fù)雜，信號(hào)在頻域、時(shí)域、空域等多維嚴(yán)重?fù)矶?，常?guī)的無(wú)線竊聽(tīng)能力被降低；而通信信號(hào)抗截獲與抗干擾性能不斷提升，靈巧干擾已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)，在人工智能、軟件無(wú)線電、認(rèn)知電子戰(zhàn)等多種技術(shù)的綜合推動(dòng)下，智能干擾技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

非合作條件下，攻擊方無(wú)法充分掌握目標(biāo)通信系統(tǒng)的全部模式，而面對(duì)未知的目標(biāo)系統(tǒng)，靈巧干擾更是受到很大制約，智能干擾則利用干擾策略推理、干擾策略學(xué)習(xí)技術(shù)，在面臨未知狀態(tài)時(shí)具備快速自主學(xué)習(xí)能力，針對(duì)未知目標(biāo)或已知目標(biāo)的未知模式時(shí)給出快速有效的干擾方案，并選擇高效干擾模式，合成最佳干擾信號(hào)樣式以達(dá)到最優(yōu)的干擾效果。

智能干擾決策模塊示意圖如2所示。通信對(duì)抗過(guò)程中，當(dāng)干擾目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)時(shí)，智能通信干擾決策模塊利用經(jīng)驗(yàn)信息進(jìn)行干擾策略推測(cè)，如果經(jīng)過(guò)基于經(jīng)驗(yàn)的干擾策略推理可以獲得有效的干擾策略，則進(jìn)行干擾措施的配置并可實(shí)施干擾；如果經(jīng)過(guò)基于經(jīng)驗(yàn)的干擾策略推理無(wú)法獲得有效的干擾策略，則需要進(jìn)行基于智能算法的干擾策略學(xué)習(xí)，由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)提供初始策略給在線學(xué)習(xí)算法。如果在線學(xué)習(xí)算法經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)后可以獲得有效的干擾策略，那么該策略將被存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，達(dá)到自主演進(jìn)的目的。

圖2 智能通信干擾決策基本架構(gòu)

智能干擾技術(shù)與傳統(tǒng)電子干擾相比較，具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)：

1)智能干擾技術(shù)作為反應(yīng)式干擾具備快速威脅感知能力，并且可以對(duì)外部環(huán)境及目標(biāo)具有記憶和學(xué)習(xí)能力；

2)智能干擾通過(guò)自主分析外部環(huán)境威脅，進(jìn)而選擇有效的干擾策略；

3)智能干擾可以根據(jù)對(duì)外部環(huán)境的感知、分析，進(jìn)行干擾效果評(píng)估，從而動(dòng)態(tài)調(diào)整干擾策略；

4)智能干擾具備一定的學(xué)習(xí)能力，通過(guò)對(duì)外部環(huán)境探測(cè)了解目標(biāo)，然后進(jìn)行對(duì)比分析進(jìn)行自我學(xué)習(xí)掌握目標(biāo)，最后通過(guò)自我調(diào)整以適應(yīng)目標(biāo)，達(dá)到有效的干擾效果。

2 衛(wèi)星通信網(wǎng)特點(diǎn)及干擾方式2.1 衛(wèi)星通信網(wǎng)

衛(wèi)星通信具有一系列的優(yōu)點(diǎn)：通信覆蓋面積大，距離遠(yuǎn)；容量大，可傳輸話音、數(shù)據(jù)、圖像；可靠度高，通信質(zhì)量好，具有廣播性，可以動(dòng)中通。因此在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中占有非常重要的地位，世界各國(guó)軍事力量均非常重視衛(wèi)星通信的發(fā)展。

現(xiàn)代作戰(zhàn)的一個(gè)重要特征就是大范圍、全縱深、超視距的綜合打擊,這種作戰(zhàn)行動(dòng)必須要有衛(wèi)星系統(tǒng)的支撐，原因是它不受地理、氣象和距離的限制，可以自由地在全球范圍內(nèi)實(shí)施各種信息保障。衛(wèi)星系統(tǒng)的這種極其重要的戰(zhàn)略地位，使得以干擾、破壞和摧毀衛(wèi)星系統(tǒng)為目的的空間電子戰(zhàn)成為謀求戰(zhàn)場(chǎng)信息優(yōu)勢(shì)的最為重要的作戰(zhàn)手段?？臻g電子戰(zhàn)的主要目標(biāo)就是遍布于浩瀚空間的、構(gòu)成航天軍事信息保障系統(tǒng)的各種軍用衛(wèi)星。所以，空間電子戰(zhàn)的核心就是衛(wèi)星對(duì)抗，它是破壞敵方衛(wèi)星信息系統(tǒng)的正常工作的一種作戰(zhàn)手段，包括對(duì)敵方衛(wèi)星的偵察發(fā)現(xiàn)、跟蹤破壞等。

2.2 對(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)干擾

從衛(wèi)星對(duì)抗對(duì)象的構(gòu)成上來(lái)看，對(duì)空間系統(tǒng)的對(duì)抗應(yīng)包括對(duì)空間平臺(tái)(即衛(wèi)星)的對(duì)抗(含對(duì)特定空間的軌道封鎖)、對(duì)星載傳感器的對(duì)抗、對(duì)衛(wèi)星傳輸鏈路和信息節(jié)點(diǎn)的對(duì)抗、對(duì)最終用戶裝備的對(duì)抗，同時(shí)也包括對(duì)己方空間和地面的重要武器系統(tǒng)、重要軍事經(jīng)濟(jì)設(shè)施的保護(hù)。衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈路對(duì)抗就是通過(guò)干擾敵通信衛(wèi)星、數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的星間、星地信息交換鏈路極大地降低星地信息交換的成功率，使其失去航天信息保障的優(yōu)勢(shì)。同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)及可攻擊鏈路圖如圖3所示。

圖3 同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)及可攻擊鏈路

對(duì)于同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言，其組成包括中心站、小站以及作為透明轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星，總結(jié)其系統(tǒng)可能遭到攻擊的鏈路、節(jié)點(diǎn)以及攻擊信號(hào)注入點(diǎn)如表1所示。

表1 同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)可能遭到攻擊的鏈路、節(jié)點(diǎn)以及攻擊信號(hào)注入點(diǎn)

從表1中可以看出，雖然①和②都是對(duì)前向鏈路實(shí)施攻擊，但是由于攻擊信號(hào)進(jìn)入目標(biāo)系統(tǒng)的接入點(diǎn)不同，所以可攻擊的節(jié)點(diǎn)范圍是不同的，一般而言如經(jīng)由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，則攻擊影響的節(jié)點(diǎn)范圍更大，甚至可以對(duì)全網(wǎng)小站實(shí)現(xiàn)攻擊，而不經(jīng)由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，攻擊僅能影響區(qū)域內(nèi)的小站，且對(duì)攻擊實(shí)施者的所處的位置有要求，即需要在攻擊信號(hào)直接覆蓋范圍內(nèi)，此時(shí)天基系統(tǒng)的位置優(yōu)勢(shì)就可發(fā)揮巨大作用。同理，③和④雖然都是針對(duì)回傳鏈路進(jìn)行攻擊，但是對(duì)于③而言，攻擊信號(hào)必須可以進(jìn)入中心站天線接收范圍內(nèi)，這也只能借助升空平臺(tái)或抵近方式實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)開(kāi)展攻擊技術(shù)研究，如果可以借助星載平臺(tái)，星地一體聯(lián)合實(shí)施攻擊則方式方法更為靈活多樣。

3 星地一體衛(wèi)星通信對(duì)抗技術(shù)

在進(jìn)行星地一體衛(wèi)星通信對(duì)抗體系設(shè)計(jì)時(shí)，可以借鑒美國(guó)在空間態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)中的發(fā)展思路“星地一體”。美“低軌天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”衛(wèi)星配備了星上任務(wù)數(shù)據(jù)任務(wù)處理器，可實(shí)現(xiàn)星上圖像數(shù)據(jù)的初步處理，減少下行鏈路數(shù)據(jù)的傳輸量。衛(wèi)星采用可編程(在線編程)的星上軟件，支持衛(wèi)星在軌性能升級(jí)，從而降低了衛(wèi)星運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。 美“地球同步軌道空間態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃”衛(wèi)星部署于近地球同步軌道，通過(guò)與地球同步軌道目標(biāo)的相對(duì)漂移實(shí)現(xiàn)對(duì)同步軌道的全監(jiān)視，采用光電探測(cè)載荷提供準(zhǔn)確的目標(biāo)軌道和特征數(shù)據(jù)，觀測(cè)結(jié)果將匯入空間監(jiān)視網(wǎng)。“評(píng)估局部空間自首衛(wèi)納衛(wèi)星”可實(shí)現(xiàn)非合作目標(biāo)自主抵近偵察，進(jìn)行“逼近、繞飛、懸停”等操作實(shí)現(xiàn)態(tài)勢(shì)感知，掌握目標(biāo)特性和活動(dòng)意圖。

發(fā)展星地一體系統(tǒng)，不僅需要在地面進(jìn)行組網(wǎng)，還需要進(jìn)行空間組網(wǎng)，最終形成跨越天、地平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)星地一體的感知、對(duì)抗系統(tǒng)。

星載系統(tǒng)的衛(wèi)星根據(jù)軌道不同可分為地球靜止軌道/地球同步軌道衛(wèi)星，通常3顆等距分布的衛(wèi)星就可以覆蓋全球；低軌衛(wèi)星通常需要由多顆衛(wèi)星構(gòu)成，各星間利用無(wú)線鏈路進(jìn)行互通才能達(dá)到覆蓋全球的目的。星載系統(tǒng)作為偵察接收和干擾實(shí)施使用，將對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)信息快速傳遞到地面控制中心，地面控制中心的攻擊意圖實(shí)時(shí)反饋給星載系統(tǒng)，這樣既可以充分利用星載平臺(tái)的地理位置優(yōu)勢(shì)，提高應(yīng)用效能，也可以充分利用地面系統(tǒng)資源。例如在實(shí)施智能干擾時(shí)，是否可以將干擾策略學(xué)習(xí)與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)放在地面上，當(dāng)星載系統(tǒng)可以獲得有效的干擾策略時(shí)，可自主實(shí)施干擾，一旦無(wú)有效策略，則將數(shù)據(jù)傳輸至地面系統(tǒng)，由地面系統(tǒng)的學(xué)習(xí)模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)后獲得干擾策略。

此外，在考慮星載系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可應(yīng)用基于軟件無(wú)線電技術(shù)的軟件可重構(gòu)衛(wèi)星技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的衛(wèi)星載荷設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)在軌加載及升級(jí)，從而可以在一定功能框架下實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾，應(yīng)用更為廣泛。

對(duì)于星載系統(tǒng)的軌道設(shè)計(jì)，可采用“伴星”或組網(wǎng)方式，可充分獲取目標(biāo)衛(wèi)星通信系統(tǒng)星地鏈路傳輸?shù)男畔?nèi)容，利用其位置優(yōu)勢(shì)也可對(duì)星間鏈路進(jìn)行偵察，獲得更為全面的目標(biāo)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

星載系統(tǒng)在位置上占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但是其處理能力、與其他節(jié)點(diǎn)的信息傳輸容量又是其弱勢(shì)所在，如何將包括微波組陣、星上計(jì)算、星間鏈路等新技術(shù)充分利用，并結(jié)合地面的硬件資源的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)星地一體網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)星、地間的協(xié)同，是發(fā)展星地一體對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)攻擊技術(shù)的關(guān)鍵所在。