柴焱杰，孫繼銀，李琳琳，胡寅

(1第二炮兵工程學(xué)院，陜西西安 710025;2第二炮兵指揮學(xué)院，湖北武漢 430012)

0 引言

衛(wèi)星系統(tǒng)因?yàn)榫哂懈采w范圍廣、傳輸質(zhì)量好、部署迅速、組網(wǎng)方便等特點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng)域都具有特別重要的實(shí)用價(jià)值。美國(guó)已建成國(guó)防衛(wèi)星通信系統(tǒng)、艦隊(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)和空軍衛(wèi)星通信系統(tǒng)，承擔(dān)著70%以上的遠(yuǎn)距離通信和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，確保了美國(guó)駐世界各地武裝力量的近實(shí)時(shí)指揮控制和管理［1］，成為 C3I系統(tǒng)的支柱。

不同類型的軍用衛(wèi)星有不同的防護(hù)措施。以美軍為例，其為光學(xué)成像衛(wèi)星研制“眼瞼”防護(hù)裝置，防止精密光學(xué)傳感器(如CCD相機(jī))被激光損壞;對(duì)低地球軌道上的重要軍用衛(wèi)星進(jìn)行抗輻射加固，提高它們?cè)诟呖蘸吮瑮l件下的生存能力;對(duì)通信衛(wèi)星采用高性能跳頻、自適應(yīng)調(diào)零天線等技術(shù);利用星座組網(wǎng)技術(shù)，確保重要的衛(wèi)星系統(tǒng)處于冗余狀態(tài);等等。

本文綜述通信衛(wèi)星的各種抗干擾技術(shù)?？垢蓴_是為對(duì)抗干擾方利用電磁能和定向能控制、攻擊微波電磁頻譜，以提高空間信息系統(tǒng)的生存能力所采取的反對(duì)抗方式和措施。抗干擾的目的是盡最大的努力抑制敵方對(duì)我方空間系統(tǒng)信息獲取、傳輸、處理和分配等能力的攻擊，以有效的措施保障空間信息系統(tǒng)的安全?？傊?，通信衛(wèi)星承擔(dān)著提供通信保障的任務(wù)，必須具有較強(qiáng)的抗干擾能力，因此深入廣泛地研究抗干擾技術(shù)，提高它的抗干擾能力和抗毀性，具有非常重要的意義。

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)面臨的干擾

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道非常脆弱，容易受到干擾和欺騙［2］。目前的干擾手段和方法是多種多樣的［3］。衛(wèi)星通信的通信路徑包含上行信道、下行信道和星間信道3個(gè)部分，因此衛(wèi)星通信系統(tǒng)面臨的干擾包括對(duì)衛(wèi)星通信上行信道的干擾、對(duì)衛(wèi)星通信星間信道的干擾及對(duì)衛(wèi)星通信下行信道的干擾［4］。

1.1 對(duì)衛(wèi)星通信上行信道的干擾

在對(duì)衛(wèi)星通信上行信道的干擾環(huán)境中，通信接收機(jī)在衛(wèi)星上，通信發(fā)射機(jī)和通信干擾機(jī)在地面(海面)或接近地面(大氣層以內(nèi))的空中，電磁干擾源包括陸地固定式干擾機(jī)、車載和艦載移動(dòng)式干擾機(jī)、機(jī)載干擾機(jī)和干擾衛(wèi)星。對(duì)上行信道干擾時(shí)，為在通信發(fā)射機(jī)的輸出端取得1:1的干信比，干擾機(jī)的有效輻射功率要比通信機(jī)的有效輻射功率大成千上萬(wàn)倍。通信方可以使用跳頻、擴(kuò)頻等手段相對(duì)于干擾信號(hào)取得幾十dB的功率優(yōu)勢(shì)。衛(wèi)星接收機(jī)可以應(yīng)用天線自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)反干擾，使干擾效果進(jìn)一步降低。

1.2 對(duì)衛(wèi)星通信星間信道的干擾

在組網(wǎng)的衛(wèi)星通信中，為實(shí)現(xiàn)環(huán)球通信，通信衛(wèi)星間必須有星間通信信道，星間通信一般采用窄波束的微波、毫米波，干擾通常發(fā)生在星間通信的收發(fā)路徑上。抗干擾措施除擴(kuò)頻、跳頻外，還有很強(qiáng)的通信天線方向圖可選擇。

1.3 對(duì)衛(wèi)星通信下行信道的干擾

在對(duì)衛(wèi)星通信下行信道的干擾環(huán)境中，通信發(fā)射機(jī)在衛(wèi)星上，通信接收機(jī)和通信干擾機(jī)在地面(海面)或接近地面(大氣層以內(nèi))的空中，電磁干擾源包括干擾衛(wèi)星和機(jī)載式、飛航式、傘掛式干擾機(jī)。干擾源對(duì)于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，干擾距離在視距以內(nèi)，通常比通信距離小10到幾百倍，干擾信號(hào)到通信接收機(jī)的傳輸損耗僅為通信信號(hào)的1%至1/10 000。因此，在功率和距離方面容易取得較大的優(yōu)勢(shì)，但在覆蓋面和信號(hào)輻射方向上通常處于劣勢(shì)。地面站可采用旁瓣遮擋技術(shù)或綜合抗干擾措施排除各種類型的干擾。

除以上干擾形式之外，一般無(wú)線通信系統(tǒng)中的干擾亦可被應(yīng)用于衛(wèi)星通信的對(duì)抗中，這些干擾可有多種分類方法。如按其形成方式可分為欺騙式干擾、攪擾式干擾和壓制式干擾;按其引導(dǎo)方式可分為定頻守候式干擾、連續(xù)搜索干擾、重點(diǎn)搜索干擾、跳頻跟蹤干擾、擴(kuò)頻跟蹤干擾和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾;等等［5］。各種通信干擾既有一些物理上的共性，又有很大的特性差異，對(duì)通信信號(hào)造成的影響也不盡相同。因此，為了確保通信能正常進(jìn)行，不能僅簡(jiǎn)單地采用一種或幾種處理手段，而必須綜合采用多種抗干擾措施。

2 衛(wèi)星通信中常用的抗干擾技術(shù)

目前，衛(wèi)星通信中常用的抗干擾技術(shù)有天線抗干擾技術(shù)、擴(kuò)頻技術(shù)、星上處理技術(shù)、自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)展頻段技術(shù)、無(wú)線光通信技術(shù)、限幅技術(shù)等，這些技術(shù)都有其自身的特點(diǎn)。

2.1 天線抗干擾技術(shù)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)分布在不同的地域、空域，很容易受到干擾，所以抗干擾的首要目的是實(shí)現(xiàn)靈活的、優(yōu)化的衛(wèi)星覆蓋，使衛(wèi)星接收天線最大限度接收我方信號(hào)，同時(shí)“零化”敵方干擾。天線抗干擾技術(shù)是衛(wèi)星通信中最常用的抗干擾措施，包括自適應(yīng)調(diào)零、智能天線和相控陣天線等技術(shù)。

自適應(yīng)調(diào)零的原理是:在星上采用大型的、具有多波束的接收天線，組成一個(gè)賦形的天線照射到某一區(qū)域，當(dāng)衛(wèi)星檢測(cè)到干擾時(shí)，自動(dòng)將干擾方向的點(diǎn)波束關(guān)閉，從而達(dá)到抗干擾的目的。利用自適應(yīng)調(diào)零多波束天線可以在干擾源方向產(chǎn)生深度調(diào)零，使干擾信號(hào)的電平減小25～35 dB。美軍“軍事星”(Milstar)上增加了8副點(diǎn)波段天線，其中2副為MDR(中數(shù)據(jù)率)調(diào)零天線，天線可自動(dòng)調(diào)零，消除干擾［6］。

智能天線(smart antenna)是根據(jù)實(shí)際無(wú)線信道環(huán)境(包括干擾)變化實(shí)時(shí)自動(dòng)地改變天線方向圖從而使本身性能保持最佳的一種天線系統(tǒng)，一個(gè)智能天線可同時(shí)抑制來(lái)自不同方向的多個(gè)敵方干擾，使信干比提高幾十dB。智能天線抗干擾的原理是:利用敵我信號(hào)在幅度、編碼、頻譜或空間方位的不同特征，通過(guò)信號(hào)處理器對(duì)各陣元進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)處理，自動(dòng)控制和優(yōu)化天線陣的方向圖，使天線的增益在我方信號(hào)方向上保持最大，在干擾方向增益最小，實(shí)現(xiàn)空間濾波。主要由3部分組成:天線陣列、信號(hào)通道和自適應(yīng)信號(hào)處理。天線陣列由按某種規(guī)律排列的單元天線(或稱陣元)構(gòu)成，陣元間隔應(yīng)小于相干距離。信號(hào)通道則為每個(gè)陣元的空間感應(yīng)信號(hào)提供物理通道，在信號(hào)通道中可進(jìn)行放大、變頻、A/D(D/A)轉(zhuǎn)換等處理。自適應(yīng)信號(hào)處理由波束形成網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)算法構(gòu)成，是智能天線的核心部分。智能天線在抗干擾方面的潛在優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在快速定位、快速跟蹤，瞬時(shí)測(cè)頻，較高的隱蔽性和保密性等方面，并且在電磁兼容要求方面，智能天線的應(yīng)用亦能增加單位空間中可容納的電子設(shè)備數(shù)量［7］。

用相控陣天線在空域進(jìn)行波束合成來(lái)抑制強(qiáng)干擾也是保障衛(wèi)星正常通信的一種關(guān)鍵技術(shù)，其運(yùn)行時(shí)可根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)的變化控制星上發(fā)射天線指向，使波束覆蓋范圍隨用戶運(yùn)動(dòng)作相應(yīng)變化，還可恰當(dāng)選擇衛(wèi)星天線波束形狀來(lái)提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力。其中一個(gè)重要的問(wèn)題是如何在盡可能短的時(shí)間里估計(jì)出多個(gè)干擾方向然后進(jìn)行調(diào)零。陶海紅等人［8］提出了基于免疫遺傳算法的自適應(yīng)天線調(diào)零方法，在低SNR，快拍數(shù)少的情況下，對(duì)收斂速度和精度以及波束保形上做了很多改進(jìn)。

2.2 擴(kuò)頻技術(shù)

擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)已成為衛(wèi)星通信中最基本的抗干擾技術(shù)［9］。擴(kuò)頻技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)用一個(gè)與其無(wú)關(guān)的碼序列來(lái)擴(kuò)展頻譜，使其帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳輸所需要的最小帶寬;在接收端用相同的碼序列對(duì)其進(jìn)行同步接收、解擴(kuò)，以便使信號(hào)恢復(fù)到原始狀態(tài)。擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有:安全保密，不干擾其他電信設(shè)備，抗干擾性能強(qiáng)，抗噪聲能力強(qiáng)，不怕衰落，可頻率復(fù)用等。擴(kuò)頻系統(tǒng)根據(jù)頻譜擴(kuò)展的不同方式可分為直接序列擴(kuò)頻(DS)方式和跳變頻率(FH)方式。

直接序列擴(kuò)頻直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)送端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息。直接序列擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)由于提出較早，理論較成熟且易于實(shí)現(xiàn)，因此在衛(wèi)星通信抗干擾系統(tǒng)中廣泛采用，獲得深入研究。早在1966年，美國(guó)的第1顆軍事通信衛(wèi)星DSCS I就使用了擴(kuò)頻多址技術(shù)。美軍目前正在使用的Milstar、租賃衛(wèi)星LEASAT和艦隊(duì)通信衛(wèi)星FLTSATCOM系統(tǒng)也采用了直接擴(kuò)頻和星上解擴(kuò)技術(shù)。為克服直接序列擴(kuò)頻在強(qiáng)干擾情況下的低SNR，文獻(xiàn)［10］提出了使用訓(xùn)練隊(duì)列將輸出信號(hào)進(jìn)行盲處理的算法。

跳頻通信是收發(fā)雙方傳輸信號(hào)的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化的通信方式，即通信中使用的載波頻率受偽隨機(jī)變化碼的控制而隨機(jī)跳變。從實(shí)現(xiàn)方式來(lái)說(shuō)，“跳頻”是一種用碼序列進(jìn)行多頻頻移鍵控的通信方式，也是一種碼控載頻跳變的通信系統(tǒng)。從時(shí)域上來(lái)看，跳頻信號(hào)是一個(gè)多頻率的頻移鍵控信號(hào);從頻域上來(lái)看，跳頻信號(hào)的頻譜是一個(gè)在很寬頻帶上以不等間隔隨機(jī)跳變的信號(hào)。跳頻控制器為核心部件，包括跳頻圖案產(chǎn)生、同步、自適應(yīng)控制等功能;頻合器在跳頻控制器的控制下合成所需頻率;數(shù)據(jù)終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯(cuò)控制。跳頻通信作為擴(kuò)頻通信的一種，因其良好的抗干擾性和保密性而廣泛應(yīng)用于軍事通信中。對(duì)跳頻系統(tǒng)的限制在于頻率合成器的高速轉(zhuǎn)換而無(wú)雜波產(chǎn)生，其一項(xiàng)重要參數(shù)是頻率的跳變速率，它很大程度上決定了跳頻通信系統(tǒng)抗跟蹤式干擾的能力，因此跳頻技術(shù)一直向更高的速率發(fā)展。由于衛(wèi)星工作頻帶很寬，為了在不同的轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)都能工作，通常要求地面設(shè)備必須覆蓋500 MHz以上帶寬，要在如此寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速、精細(xì)的跳頻，難度很大［11］。

2.3 星上處理技術(shù)

星上處理可以使上、下行鏈路之間去耦，減少或消除上行干擾對(duì)下行鏈路的干擾作用，同時(shí)設(shè)法避免轉(zhuǎn)發(fā)器被推向飽和。星上處理技術(shù)包括有:星上信號(hào)解調(diào)再生、解跳/再跳、解擴(kuò)/再擴(kuò)、譯碼/編碼、速率變換、多波束交換、智能自動(dòng)增益控制(SMART AGC)，以及多址/復(fù)用方式轉(zhuǎn)換(如上行CDMA或FDMA變換成TDMA)等等。在美軍Milstar衛(wèi)星系統(tǒng)中，上行采用FDMA和全頻帶跳頻，下行采用TDMA和快速跳頻。這樣可充分利用行波管放大器的功率，功率的增加可減小用戶端的天線尺寸，上行的功率不需要很大就可滿足需要，從而降低了對(duì)地面站設(shè)備的要求。

2.4 自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)

自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)(ACM)是一種具有信道自適應(yīng)特性、適用于衛(wèi)星等使用無(wú)線信道通信的傳輸技術(shù)，它建立在信道估計(jì)的基礎(chǔ)之上，通過(guò)回傳信道將信道狀態(tài)信息傳送給發(fā)送端，使其根據(jù)不同的信噪比自適應(yīng)地改變編碼方式和調(diào)制方式。當(dāng)信噪比較低時(shí)，使用較低的信息速率;當(dāng)信噪比較大時(shí)，采用較高的信息速率，這樣總體上使信道利用率比固定速率的系統(tǒng)得到提高，從而使系統(tǒng)高效可靠傳輸，整體性能達(dá)到最優(yōu)。決定自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)性能的因素有自適應(yīng)回路延時(shí)、鏈路狀態(tài)估計(jì)算法和調(diào)制編碼方案的粒度。與非自適應(yīng)方案相比，自適應(yīng)編碼調(diào)制大約可以提供20 dB的功率增益［12］。選擇具有更大功率效能、更高頻帶利用率的編碼調(diào)制方案將進(jìn)一步提升自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)的性能。目前比較典型的自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)包括自適應(yīng)網(wǎng)格編碼調(diào)制、Turbo碼自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)、自適應(yīng)比特交織編碼調(diào)制技術(shù)等。

2.5 擴(kuò)展頻段技術(shù)

EHF(極高頻)對(duì)應(yīng)頻段為30～300 GHz，相當(dāng)于民用衛(wèi)星的Ka頻段，使用EHF能夠有效減小天線尺寸，取得更高的數(shù)據(jù)傳輸率［13］，具有良好的抗干擾性能和較大的帶寬，缺點(diǎn)是對(duì)雨等因素較敏感。對(duì)EHF的研究開始于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過(guò)幾十年的努力，已經(jīng)日趨成熟，進(jìn)入實(shí)用階段。美軍正在發(fā)展的未來(lái)軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)先進(jìn)極高頻(AEHF)衛(wèi)星系統(tǒng)用于取代Milstar系統(tǒng)，其容量是Milstar-2衛(wèi)星的12倍，數(shù)據(jù)傳輸率比后者高10倍。法國(guó)于2006年8月發(fā)射的第2顆第3代軍用通信衛(wèi)星“錫拉庫(kù)斯”3B也采用了擴(kuò)展頻段，在EHF和SHF波段上運(yùn)行。英國(guó)1988年至2001年發(fā)射的天網(wǎng)1～4和2007年3月入軌的天網(wǎng)5A系列軍用衛(wèi)星，也使用了多種頻段，具有抗核電磁脈沖(EMP)能力和反阻塞功能。

2.6 無(wú)線光通信技術(shù)

無(wú)線光通信(FSO)是以大氣作為傳輸媒質(zhì)來(lái)進(jìn)行光信號(hào)傳送的，只要在收發(fā)兩個(gè)端機(jī)之間存在無(wú)遮擋的視距路徑和足夠的光發(fā)射功率，通信就可以進(jìn)行。FSO是物理層傳輸設(shè)備，任何傳輸協(xié)議均可容易地疊加上去，對(duì)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務(wù)可以實(shí)現(xiàn)透明傳送。一個(gè)無(wú)線光通信系統(tǒng)包括3個(gè)基本部分:發(fā)射機(jī)、信道和接收機(jī)。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)那闆r下，每一端都設(shè)有光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)全雙工的通信。光發(fā)射機(jī)的光源受到電信號(hào)的調(diào)制，通過(guò)作為天線的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，將光信號(hào)通過(guò)大氣信道傳送到接收機(jī)望遠(yuǎn)鏡;在接收機(jī)中，望遠(yuǎn)鏡收集接收光信號(hào)并將它聚焦在光電檢測(cè)器中，光電檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。FSO具有的優(yōu)點(diǎn)有:頻帶寬，速率高;頻譜資源豐富，多采用紅外光傳輸，系統(tǒng)的工作頻段在300 GHz以上，該頻段的應(yīng)用在全球不受管制;協(xié)議透明;架設(shè)靈活便捷;安全保密性強(qiáng)，與電波之間不存在干擾問(wèn)題;成本低［14］。除美國(guó)之外，歐洲ESA、日本等國(guó)也在大力研究光通信技術(shù)，激光空間鏈路技術(shù)正向長(zhǎng)波長(zhǎng)、大容量、遠(yuǎn)距離、低功耗、小型化、一體化以及星間組網(wǎng)的方向發(fā)展。

2.7 限幅技術(shù)

限幅技術(shù)是目前星上廣泛采用的一種抗干擾措施，作用是避免轉(zhuǎn)發(fā)器中的功率放大器被上行干擾推向飽和。理想的限幅器，應(yīng)該具有這樣的限幅特性:在輸入高功率信號(hào)時(shí)具有很高的信號(hào)衰減，即隔離度(isolation)高;在低的輸入信號(hào)功率時(shí)只有一個(gè)很小的插入損耗(insertion loss)。限幅分為軟限幅和硬限幅。硬限幅轉(zhuǎn)發(fā)器完全工作在非線性狀態(tài)，大信號(hào)壓縮小信號(hào)，連續(xù)波干擾引起的壓縮比最為嚴(yán)重。PIN限幅器是保護(hù)后面靈敏接收機(jī)電路不被自身發(fā)射脈沖泄漏功率和其他靠近的大功率微波信號(hào)燒毀的重要器件，目前發(fā)展最快也極具應(yīng)用前景的微波功率器件材料是碳化硅第3代寬帶隙半導(dǎo)體材料，碳化硅的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的8倍，熱導(dǎo)率性能是硅的3倍，電子飽和漂移速度是硅的2倍，這些優(yōu)點(diǎn)有利于提高器件的抗輻射性能，熱穩(wěn)定性以及工作頻率，文獻(xiàn)［15］對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。軟限幅轉(zhuǎn)發(fā)器工作在線性區(qū)和限幅區(qū)2個(gè)區(qū)域，壓縮比不僅同干信比和干擾類型有關(guān)，還跟限幅門限有關(guān)。在限幅過(guò)程中由于非線性的作用，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)信號(hào)抑制小信號(hào)，使信噪比下降，最大可達(dá)6 dB，相對(duì)而言，軟限幅較硬限幅有大約4 dB的性能改善。

3 衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

本文提到的無(wú)線通信系統(tǒng)中，自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)只是在時(shí)域、頻域內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)整各種傳輸參數(shù)以適應(yīng)信道的變化。由于經(jīng)不同發(fā)射天線發(fā)送的信號(hào)所經(jīng)歷的信道衰落情況也各不相同，這為自適應(yīng)調(diào)制編碼算法與多天線系統(tǒng)的結(jié)合提供了可能。因此，在最新的技術(shù)中，自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)擴(kuò)展到空域，與多天線分集技術(shù)結(jié)合。FSO目前存在的難點(diǎn)問(wèn)題主要集中在大氣信道中粒子對(duì)光線的散射與吸收，收發(fā)端對(duì)準(zhǔn)，激光的安全性，傳輸速率，傳輸距離與信號(hào)質(zhì)量的矛盾等方面，這些問(wèn)題影響了傳輸?shù)目煽啃裕瑢?duì)這些問(wèn)題的研究成為FSO的發(fā)展方向。混合擴(kuò)頻技術(shù)和自適應(yīng)擴(kuò)頻技術(shù)的研究，如借助混沌序列和密碼序列設(shè)計(jì)原理，尋找性能更佳的跳擴(kuò)頻碼，并結(jié)合自適應(yīng)技術(shù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的同步算法等，是擴(kuò)頻技術(shù)中值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

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