衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)研究

張華媛

（中電防務(wù)科技有限公司，南京 210007）

在當(dāng)前通信工作中，衛(wèi)星通信的應(yīng)用十分普遍，充分發(fā)揮了中繼站和地面站的作用，實現(xiàn)無線電信號的快速傳輸，滿足了人們的高效化通信需求。相較于傳統(tǒng)通信模式而言，衛(wèi)星通信的優(yōu)勢顯著，不僅能夠有效拓展傳輸?shù)木嚯x和范圍，而且有效擴充了傳輸容量，能夠在多種業(yè)務(wù)模式下實現(xiàn)高效化傳輸，系統(tǒng)靈活性和可操作性更強。但是，通信環(huán)境是影響通信質(zhì)量的主要因素，如果在通信中受到其他因素的干擾，則會導(dǎo)致接收機難以獲得準(zhǔn)確的信息，嚴(yán)重時會出現(xiàn)中斷的情況，無法保障信息質(zhì)量及安全。因此，需要在衛(wèi)星通信中采取切實有效的抗干擾措施，創(chuàng)造良好的通信環(huán)境，為綜合信息網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展奠定可靠基礎(chǔ)。

1 衛(wèi)星通信抗干擾概述

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在運行中對于衛(wèi)星通信的質(zhì)量要求越來越高，但是隨著干擾源復(fù)雜性的提升，導(dǎo)致系統(tǒng)運行狀態(tài)受到威脅，只有在了解干擾因素及其規(guī)律、特點的基礎(chǔ)上，才能采取有效的應(yīng)對措施，以改善衛(wèi)星系統(tǒng)的運行條件，真正發(fā)揮其實用價值。衛(wèi)星寬帶業(yè)務(wù)方案逐漸增多，而且在全球化發(fā)展趨勢下，呈現(xiàn)出一體化和綜合化的特征，有助于提升衛(wèi)星通信抗干擾工作的整體水平。但是，通信環(huán)境變化多樣，因此給衛(wèi)星通信抗干擾工作帶來了新的挑戰(zhàn)，除了要控制電磁能和干擾源方向外，還應(yīng)該實現(xiàn)微波電磁頻幅的有效供給，以確?？臻g信息系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性[1]。在系統(tǒng)運行中采用科學(xué)合理的抗干擾措施，可以有效降低非認證訪問身份的攻擊力度，滿足信息傳輸、處理和獲取等工作需求，防止造成嚴(yán)重的信息泄露、中斷和丟失等問題。目前，主要是通過對接收機干信比、系統(tǒng)干擾容限度實施控制來降低系統(tǒng)干擾，要結(jié)合不同的干擾源類型及干擾方式選擇恰當(dāng)?shù)目垢蓴_技術(shù)手段。

2 衛(wèi)星通信干擾的主要類型

2.1 地面干擾

微波干擾是造成衛(wèi)星通信質(zhì)量下降的主要原因，包括了電磁干擾、雜波干擾和交叉極化干擾等類型，主要受到調(diào)頻廣播、雷達、系統(tǒng)設(shè)備性能、電噪聲、參數(shù)設(shè)置和天饋線系統(tǒng)性能等因素的影響。在設(shè)置衛(wèi)星天線的過程中，沒有合理控制仰角大小，同時接收天線周圍存在較多的微波干擾，這就會導(dǎo)致地面干擾的強度增大，無法達到預(yù)期信息傳輸要求。有效屏蔽接收天線，可以起到良好的預(yù)防作用，降低微波對天線運行狀態(tài)的影響，當(dāng)前防干擾裝置的性能也得到優(yōu)化，為抗干擾實踐工作的實施提供了可靠保障[2]。此外，也應(yīng)該做好設(shè)備性能改進，積極實施運維管理，降低地面干擾的威脅。

2.2 自然干擾

自然因素也會導(dǎo)致衛(wèi)星通信受到不同程度的影響，比如在惡劣天氣下會導(dǎo)致信號出現(xiàn)衰減的情況，包括了雨衰和雪衰等；電離層、日凌和太陽活動等，也會干擾衛(wèi)星通信系統(tǒng)的正常運行，需要對各類自然因素的影響特點及規(guī)律實施評估，確?？垢蓴_措施的可行性。比如在降雨天氣下，雨滴會造成電波的散射和吸收，因此出現(xiàn)嚴(yán)重的衰減現(xiàn)象，接收到的信號缺乏完整性。不同波段的電波受到降雨的影響程度也存在差異性，相較于C波段而言，Ku波段的波長十分接近雨滴的線度，因此受到的干擾也會相應(yīng)增大。接收站在運行中會受到太陽輻射的影響，隨著輻射能量的增大，導(dǎo)致信號受到嚴(yán)重干擾，無法快速識別重要信息，這是日凌對衛(wèi)星通信的影響機理。

2.3 空間干擾

為了滿足不同領(lǐng)域的通信需求，往往會設(shè)置數(shù)量較多的衛(wèi)星，但是其彼此之間也會存在相互干擾的情況，這也會對衛(wèi)星通信產(chǎn)生干擾。而且在同一個衛(wèi)星當(dāng)中，未能合理設(shè)置載波頻率，會引發(fā)鄰頻干擾的現(xiàn)象，屬于空間干擾中的常見類型[3]。此外，反極化干擾和交調(diào)干擾等，也會對衛(wèi)星通信產(chǎn)生威脅。對于鄰頻干擾的處理往往需要控制功率，防止功率過大而導(dǎo)致干擾增大。

2.4 人為干擾

除了上述客觀因素的干擾外，人為干擾也是衛(wèi)星通信干擾的主要形式，用戶轉(zhuǎn)發(fā)器會受到不法分子的惡意攻擊，小信號則會受到大信號的干擾，當(dāng)前主要干擾形式分為地面干擾和星上干擾。通過對信號屏蔽器實施干擾，會導(dǎo)致地面信號接收的質(zhì)量下降，在實踐工作中往往需要做好微波控制。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器會受到地面干擾，導(dǎo)致頻道信號中斷，這是常見的星上干擾形式，也會威脅下行接收的質(zhì)量效果[4]。

3 衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)要點

3.1 天線抗干擾技術(shù)

由于衛(wèi)星分布范圍較廣，因此受到來自多方面的干擾，在抗干擾工作中需要采用天線抗干擾技術(shù)，在保障擴大覆蓋范圍的同時，確保信號能夠被天線及時接收，同時對干擾信號實施弱化和消除，這是改善衛(wèi)星通信質(zhì)量的關(guān)鍵途徑。其中，自適應(yīng)調(diào)零措施的應(yīng)用較多，充分發(fā)揮了多波束天線的作用，能夠及時關(guān)閉電波束，降低外部干擾，實現(xiàn)深度調(diào)零的目標(biāo)。比如中數(shù)據(jù)率調(diào)零天線就是利用該原理實施抗干擾的典型代表，對于干擾的消除作用顯著。在技術(shù)革新速度逐漸加快的當(dāng)下，智能電線的應(yīng)用也越來越多，方向圖會參照環(huán)境狀況發(fā)生不同程度的變化，因此可以保障天線的良好運行狀態(tài)，而且對于干擾信號的抑制作用十分顯著，智能天線也可以有效提升信干比。干擾信號和衛(wèi)星通信信號的方位、編碼和幅度等有所差異，因此能夠滿足加權(quán)處理的要求，實現(xiàn)方向圖的自動化控制，達到信號增益的效果，空間濾波作用較好[5]。信號通道、天線陣列和自適應(yīng)信號處理單元等，是智能天線中的主要組成部分，其中處理單元是保障天線自適應(yīng)功能的關(guān)鍵，能夠提高定位的速度，測頻功能更加強大，提升了衛(wèi)星通信的保密性，而且電磁兼容效果較好，因此可以滿足各類設(shè)備的使用需求。此外，相控陣天線對于干擾問題的處理作用也十分優(yōu)越，可以引入免疫遺傳算法來優(yōu)化調(diào)零功能。

3.2 星上處理技術(shù)

去耦處理可以改進上行鏈路和下行鏈路的運行狀態(tài)，能夠有效抑制干擾作用，也可以為轉(zhuǎn)發(fā)器的運行創(chuàng)造良好條件，這是星上處理的基本原理。目前，星上處理技術(shù)類型較多，包括了譯碼/編碼技術(shù)、信號解調(diào)再生技術(shù)、多波束交換技術(shù)、解擴/再擴技術(shù)和智能自動增益控制技術(shù)等。快速調(diào)頻和TDMA可以應(yīng)用于下行鏈路當(dāng)中，全頻帶調(diào)頻和FDMA可以應(yīng)用于上行鏈路當(dāng)中，有效提升功率的同時，可以控制天線大小，因此對于地面設(shè)備性能的要求下降，起到良好的抗干擾作用。

3.3 擴頻技術(shù)

無關(guān)碼序列的引入，能夠?qū)︻l譜實施擴展處理，寬帶逐漸增寬，在信號接收和解擴的過程中運用同樣的碼序列，以得到想要的通信內(nèi)容。該技術(shù)不僅能夠降低外界設(shè)備的干擾，而且有助于降低衰落問題的影響，確保整個衛(wèi)星通信過程的安全性，頻率復(fù)用效果也更好。跳變頻率和直接序列擴頻等，是目前常用的擴頻技術(shù)類型。采用跳頻通信時，偽隨機變化碼會對載波頻率產(chǎn)生影響，采用碼序列達到多頻頻移鍵控的目的，在應(yīng)用該技術(shù)時需要確保跳頻控制器的良好性能，滿足同步控制和自適應(yīng)控制的要求。該擴頻方式的保密性較強，但是對于地面設(shè)備的性能要求更高，寬度覆蓋范圍要超過500 MHz[6]。采用直接序列擴頻的方式時，可以獲得豐富的抗干擾經(jīng)驗，操作方式也較為簡單，比如星上解擴技術(shù)和擴頻多址技術(shù)等應(yīng)用較多。隨著干擾源強度的增大，會造成低SNR的情況，因此應(yīng)該引入盲處理算法實施抑制。

3.4 限幅技術(shù)

在星上抗干擾領(lǐng)域中，限幅技術(shù)的應(yīng)用也十分廣泛，功率放大器是轉(zhuǎn)發(fā)器的主要組成部分，運用該技術(shù)可以防止在上行干擾作用下出現(xiàn)飽和的情況，這是抗干擾的基本原理。在設(shè)置限幅器的過程中，需要確保高功率信號輸入過程中，信號衰減相應(yīng)提高，隔離度達到抗干擾工作的要求。同時，輸入信號功率不大時，也應(yīng)該對插入損耗實施控制。硬限幅技術(shù)和軟限幅技術(shù)是目前限幅技術(shù)的2種基本形式。在采用軟限幅技術(shù)時，需要確保在限幅區(qū)內(nèi)和線性區(qū)內(nèi)維持軟限幅轉(zhuǎn)發(fā)器的良好運行狀態(tài)，干擾源的基本形式和干信比等，會對壓縮比產(chǎn)生影響，而且也會受到限幅門限的影響。采用非線性的形式，小信號會受到強信號的干擾，信噪比降低，增益效果達到4 dB左右。在采用硬限幅技術(shù)時，采用了非線性的工作形式，會造成連續(xù)波干擾的情況[7]。微波信號和泄露功率等，會對接收機電路產(chǎn)生一定程度的威脅，因此可以設(shè)置PIN限幅器，碳化硅第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料在微波功率器件中的應(yīng)用較多，擊穿電場強度和熱導(dǎo)率性能更強，而且有效提升了電子飽和漂移速度，因此抗干擾性能得到改善，在多種溫度環(huán)境下可以保持良好的工作狀態(tài)。

3.5 無線光通信技術(shù)

無線光通信技術(shù)即FSO技術(shù)，在傳輸光信號的過程中以大氣為媒介，需要確保光發(fā)射功率達到要求，而且收發(fā)端之間避免出現(xiàn)遮擋物，可以有效提高衛(wèi)星通信的質(zhì)量。物理層傳輸設(shè)備的可靠性更強，滿足了多種傳輸協(xié)議的使用需求，能夠更快地傳輸圖像、語音等。信道、發(fā)射機和接收機等，是無線光通信系統(tǒng)的主要組成部分，光接收機和發(fā)射機設(shè)置在每一端當(dāng)中，提高了點對點傳輸?shù)乃俾屎唾|(zhì)量，全雙工通信效果更好。電信號對光源實施調(diào)制處理，在信道中完成信號傳輸并由接收機快速接收，再通過光電檢測器完成信號形式的轉(zhuǎn)換，從而達到抗干擾的作用。運用無線光通信技術(shù)不僅能夠有效拓展頻帶、加快信號的傳輸速率，而且可以獲得更多的頻譜資源，工作頻段更高，紅外光傳輸?shù)目煽啃砸裁黠@增強[8]。采用了透明的傳輸協(xié)議，因此能夠保障信號傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄?，電波干擾對無線光通信的影響作用明顯下降，而且有助于降低整體成本投入。在實踐工作當(dāng)中，激光空間鏈路技術(shù)的融合應(yīng)用逐漸增多，可以滿足長距離傳輸和大容量傳輸?shù)囊螅档土送ㄐ旁O(shè)備的整體體積，具有便攜性和一體化的特點。

3.6 自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)

自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)即ACM技術(shù)，提高了無線信道傳輸?shù)目煽啃?，自適應(yīng)能力較強，以信道估計為核心，狀態(tài)信息可以在回傳信道的作用下被發(fā)送端接收，通過分析當(dāng)前信噪比情況，對調(diào)制方式和編碼方式進行優(yōu)化，也成為當(dāng)前衛(wèi)星通信抗干擾中的常用技術(shù)手段。如果信噪比較高，那么信息速率也會相應(yīng)提升，增強系統(tǒng)運行高效性和可靠性，對于整體性能的優(yōu)化作用十分明顯；如果信噪比較低，那么信息速率也會相應(yīng)降低[9]。自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)的應(yīng)用會受到多種因素的影響，除了鏈路狀態(tài)估計算法外，自適應(yīng)回路的延時情況和調(diào)制編碼方案粒度等，也會對系統(tǒng)的運行狀態(tài)產(chǎn)生影響。在傳統(tǒng)運行模式下往往采用非自適應(yīng)調(diào)制編碼方式，功率增益效果欠佳，而該技術(shù)的應(yīng)用則能夠?qū)⒐β试鲆嫣岣?0 dB左右。由于自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)的應(yīng)用，頻帶利用率也隨之上升，功能效能提高，在實踐應(yīng)用中需要對調(diào)制編碼方案實施優(yōu)化，以體現(xiàn)該技術(shù)的獨特優(yōu)勢[10]。Turbo碼自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)、自適應(yīng)網(wǎng)格調(diào)制編碼技術(shù)和自適應(yīng)比特交織調(diào)制編碼技術(shù)等，是當(dāng)前實踐中常用的幾種技術(shù)措施。

4 衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)的未來發(fā)展方向

在科學(xué)技術(shù)日新月異的當(dāng)下，只有不斷加快技術(shù)革新，才能增強國家在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的競爭力，這也是提高社會發(fā)展動力的關(guān)鍵途徑。對于通信天線波瓣控制和微反射弧等領(lǐng)域的研究，是未來衛(wèi)星通信發(fā)展的主要趨勢，需要確保衛(wèi)星天線開發(fā)利用率達到標(biāo)準(zhǔn)要求，避免出現(xiàn)資源浪費的情況。在智能化時代背景下，智能化抗干擾技術(shù)的發(fā)展也是主要方向，能夠全面改善衛(wèi)星通信的質(zhì)量效果。在選擇衛(wèi)星抗干擾調(diào)制器時，應(yīng)該做好性能的優(yōu)化與改進，確保抗干擾能力適應(yīng)目前的衛(wèi)星通信環(huán)境特點。尤其是外部環(huán)境呈現(xiàn)出多變性和復(fù)雜性的特點，單一化的算法無法達到抗干擾的高標(biāo)準(zhǔn)要求，因此要在未來工作中注重抗干擾算法的優(yōu)化，在保障通信質(zhì)量的前提下加快傳輸速率。無線通信技術(shù)是未來衛(wèi)星通信領(lǐng)域發(fā)展中的主要研究對象，要實現(xiàn)頻譜資源的拓展，利用其寬帶優(yōu)勢增強整體抗干擾性能[11]。信號調(diào)制方式也需要進行改進，確保調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)率更高，制式選擇更加多元，增強控制靈活性。以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為核心的抗干擾技術(shù)也是未來研究的重點，充分發(fā)揮機器深度學(xué)習(xí)的作用，為文本翻譯和自動跟蹤等提供支持，防止衛(wèi)星通信的質(zhì)量受到威脅。在發(fā)揮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化控制作用的同時，還應(yīng)該強化反饋功能和記憶功能，在偏差計算中根據(jù)精確性，有助于模型的進一步優(yōu)化[12]。在數(shù)據(jù)信息采集中應(yīng)該發(fā)揮干擾檢測模塊的作用，同時發(fā)揮LSTM深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的作用，實現(xiàn)不同類型信息的篩分處理和提取處理，為深度融合奠定基礎(chǔ)。在深度學(xué)習(xí)中明確各類干擾特征，增強系統(tǒng)對各類干擾源的抑制作用。

5 結(jié)束語

衛(wèi)星通信是目前一種常用的通信方式，確保良好的通信質(zhì)量，是維持社會生產(chǎn)生活正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。但是，由于衛(wèi)星通信受到諸多干擾因素的威脅，包括了地面干擾、自然干擾、空間干擾和人為干擾等，因此會導(dǎo)致通信安全性和可靠性下降，無法滿足實際使用需求。為此，應(yīng)該在衛(wèi)星通信發(fā)展中積極創(chuàng)新抗干擾技術(shù)，降低外界因素的負面影響。其中，天線抗干擾技術(shù)、星上處理技術(shù)、擴頻技術(shù)、限幅技術(shù)、無線光通信技術(shù)和自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)等，可以起到良好的抗干擾作用，維持良好的通信狀態(tài)。在未來發(fā)展中，也應(yīng)該注重前沿技術(shù)的融合應(yīng)用，提高抗干擾系統(tǒng)的智能化水平。