（裝甲兵工程學(xué)院 北京 100072）

1 引言

隨著當(dāng)前衛(wèi)星技術(shù)的迅速發(fā)展和移動(dòng)通信需求的不斷擴(kuò)大，移動(dòng)衛(wèi)星通信已經(jīng)成為軍事衛(wèi)星通信的重要組成部分，在現(xiàn)代軍事行動(dòng)中的地位也越來越重要，以美國(guó)為代表的軍事大國(guó)十分關(guān)注民用移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的軍事應(yīng)用潛力，甚至不惜重金扶持民用衛(wèi)星項(xiàng)目。以“銥星”為代表的低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)在經(jīng)過破產(chǎn)重組，通過與美軍方的合作，在軍事應(yīng)用領(lǐng)域取得較大的進(jìn)展。

由于“銥星”系統(tǒng)任務(wù)的多樣性，以及它在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣泛，因此研究其自身的特點(diǎn)，并據(jù)此分析對(duì)其進(jìn)行干擾的可行性是十分必要的。本文分析了“銥星”系統(tǒng)及其抗干擾措施，對(duì)其上行鏈路的跟蹤與干擾進(jìn)行分析，仿真分析了干擾上行鏈路的可行性。

2 “銥星”系統(tǒng)及其抗干擾措施

“銥星”系統(tǒng)采用了以往的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)不曾采用的低軌道和極地軌道、多衛(wèi)星星座和多軌道平面的衛(wèi)星軌道新體制，以及多小點(diǎn)波束和星際鏈路等核心技術(shù)，加之它滿足了GEO 移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)所難滿足的抗干擾能力與隱蔽性、抗毀性和頑存性等軍事要求，因此更受美國(guó)軍方青睞。“銥星”系統(tǒng)的抗干擾措施如下：

1）信關(guān)站。由于“銥星”系統(tǒng)擁有自己的信關(guān)站，可以把來自世界各地的電話引導(dǎo)到位于夏威夷瓦希阿瓦的信關(guān)站［1］，美軍利用“銥星”系統(tǒng)為軍用用戶提供“機(jī)密的端到端通信”，而所用的手機(jī)都植入由國(guó)家安全局研制的安全保護(hù)芯片，這樣就增加了系統(tǒng)的保密性。

2）多波束天線技術(shù)。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，使其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)星天線波束形狀來提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力［2］。當(dāng)某一波束受到干擾時(shí)，關(guān)閉這一波束，而其他波束不受影響，這樣既阻止了干擾，也不影響衛(wèi)星接收地面信號(hào)。

3）星際鏈路。星際鏈路使衛(wèi)星之間互相連通構(gòu)成衛(wèi)星通信網(wǎng)。有多顆衛(wèi)星、多鏈路供指揮通信使用，眾多的用戶直接對(duì)衛(wèi)星通信。并具有互通能力，減少對(duì)地面中繼系統(tǒng)的依賴性從而提高整個(gè)系統(tǒng)的抗毀性。

4）星上處理技術(shù)。銥星系統(tǒng)中所采用的基帶信息處理式轉(zhuǎn)發(fā)器是最復(fù)雜的一種星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器［3］，不僅具有星上再生能力（將經(jīng)過線路傳輸受到失真和干擾等損傷的信號(hào)重新形成原傳輸信號(hào)的過程），而且還具有星上基帶信號(hào)處理和交換能力。工作工程如圖1所示。

圖1 處理轉(zhuǎn)發(fā)器工作工程

5）各種糾錯(cuò)方式增加了系統(tǒng)的抗干擾性。前向糾錯(cuò)（FEC）是在發(fā)送端送出能夠糾錯(cuò)的碼，接收端根據(jù)譯碼規(guī)則檢出并自動(dòng)糾正傳輸中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。“銥星”系統(tǒng)采取卷積碼和QPSK 調(diào)制相結(jié)合的方式，用戶終端采用3／4碼率FEC／Viterib軟判決譯碼的糾錯(cuò)方式，在誤碼率為10-3的條件下，編碼增益大于2．6dB，從而使系統(tǒng)的整體性能得到提高。

3 信號(hào)跟蹤及上行鏈路干擾

由于“銥星”系統(tǒng)在高度為780km 的軌道上運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于地面站的位置是實(shí)時(shí)變化的。因此，對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤截獲尤為關(guān)鍵，地面站對(duì)下行鏈路的偵收是對(duì)上行鏈路的干擾的基礎(chǔ)。

3．1 對(duì)下行鏈路的偵收

通信偵察接收機(jī)要能對(duì)下行信號(hào)實(shí)施偵收，必須滿足以下條件：

1）頻率對(duì)準(zhǔn)

首先，下行信號(hào)工作頻段fd（GHz）在偵察接收機(jī)工作頻段［fdmin，fdmax］之內(nèi)。另外，“銥星”上下行鏈路采用FDMA／TDMA 形式，TDMA 信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。需要偵收的是DL1～DL4下行時(shí)隙（分幀）信號(hào)。

圖2 TDMA 信號(hào)幀結(jié)構(gòu)

2）方位對(duì)準(zhǔn)

偵察接收機(jī)和通信方處于同一波束覆球區(qū)之內(nèi)，即要滿足位置條件：

式中，β為波束覆球區(qū)的地心角，βsd為通信衛(wèi)星和偵察設(shè)備在地球表面上投影間的地心角。

對(duì)“銥星”系統(tǒng)跟蹤實(shí)時(shí)性要求較高，通常使用單脈沖跟蹤和程序跟蹤或同時(shí)使用?？梢岳酶欆浖﨩rbition對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤和模擬，Orbition提供了衛(wèi)星星歷，并依據(jù)觀察點(diǎn)的不同可以模擬出不同時(shí)刻衛(wèi)星的仰角、方位角以及運(yùn)行軌跡。

3）偵察設(shè)備接收到的下行信號(hào)功率Sdd應(yīng)不低于偵察機(jī)的靈敏度Pdmin。即滿足能量條件：

式中，Sdd＝EⅠRPs＋Gds-Ls，Gds為偵察設(shè)備接收天線在通信衛(wèi)星方向上的增益，Ls為傳播損耗。

3．2 對(duì)上行鏈路的干擾

實(shí)現(xiàn)對(duì)“銥星”系統(tǒng)的有效干擾，一般選取瞄準(zhǔn)式干擾或攔阻式干擾。由于大多采用地面大功率干擾站，因此本文重點(diǎn)研究對(duì)上行鏈路的干擾。

干擾設(shè)備對(duì)上行信號(hào)進(jìn)行有效干擾，必須滿足以下條件［4］：

1）上行信號(hào)工作頻率Fu在干擾設(shè)備的可干擾頻率范圍［fjmin，fjmax］之內(nèi)。

2）干擾設(shè)備和通信方處于同一波束覆球區(qū)之內(nèi)，即要滿足位置條件：

式中，β為波束覆球區(qū)的地心角，βsj為通信衛(wèi)星和干擾設(shè)備在地球表面上投影間的地心角，

3）衛(wèi)星接收機(jī)接收到的干擾信號(hào)功率要大于等于衛(wèi)星接收機(jī)的靈敏度。

在“銥星”系統(tǒng)中，上行鏈路信號(hào)采用QPSK 調(diào)制方式。載波接收功率與噪聲功率之比C／N 可以寫成

式中，Eb為每單位比特信息能量；R為比特傳輸速率，R＝50kbs；B為接收機(jī)帶寬，B＝50kHz；n0為單位頻帶噪聲功率（單邊噪聲功率譜密度）。Eb／n0稱為歸一信噪比。

假設(shè)干擾設(shè)備有效全向輻射功率為EⅠRPE，上行鏈路總的傳播損耗為L(zhǎng)U，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收天線增益為GRS，則衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)輸入端的干擾功率為

接收系統(tǒng)噪聲功率為N0，N0＝10lg（kTB）。式中，k為波爾茲曼常數(shù)（1．38×10-23W／（Hz·K），T為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸入端等效噪聲溫度；B為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)帶寬。

自由空間損耗為

其中d為傳播距離，f為工作頻率f＝1．62125GHz。LU＝LP＋La，La為傳播損耗La＝15．7dB（有遮蔽）。

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)輸入端的載噪比為

其中C＝EⅠRPU＋GRS-LU（dBW），EⅠRPU為用戶終端有效全向輻射功率。

綜合以上所得：

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)輸入端的干擾功率為

干擾設(shè)備有效全向輻射功率

4 干擾可行性分析

數(shù)字通信系統(tǒng)的干擾效果一般用通信系統(tǒng)的差錯(cuò)率——誤碼率Pe來度量。為了評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)受干擾的程度，可以定義數(shù)字通信系統(tǒng)的干擾等級(jí)［5］：

當(dāng)Pe≥0．2時(shí)，通信系統(tǒng)受到強(qiáng)干擾，干擾等級(jí)為三級(jí)；

當(dāng)0．12≤Pe≤0．2 時(shí)，通信系統(tǒng)受到中度干擾，干擾等級(jí)為二級(jí)；

當(dāng)0．05≤Pe＜0．12時(shí)，通信系統(tǒng)受到輕度干擾，干擾等級(jí)為一級(jí)；

當(dāng)Pe＜0．05時(shí)，通信系統(tǒng)未受干擾。

對(duì)于QPSK來講，誤碼率與歸一信噪比的關(guān)系為

那么，結(jié)合式（5），銥星系統(tǒng)誤碼率為

4．1 干擾功率要求

理想情況下，“銥星”系統(tǒng)衛(wèi)星接收機(jī)靈敏度為-148．5dBW。鏈路余量為16dB。因此C＝-148．5＋16＋2．6（dBW）＝-129．9dBW（2．6dB 為糾錯(cuò)增益），LU＝161．3dB，接收天線增益GRS＝22．6dB，因此，結(jié)合式（8），利用Matlab仿真，如圖3所示。

圖3 理想情況下干擾功率—誤碼率曲線

從圖3中可以看到，當(dāng)JU＝1×10-12W 時(shí)，系統(tǒng)誤碼率為0．325，系統(tǒng)干信比達(dá)到了10。我們認(rèn)為通信被完全干擾，系統(tǒng)無法正常工作，即達(dá)到干擾效果。

此時(shí)，干擾設(shè)備有效全向輻射功率：

干擾設(shè)備功率：

G為干擾天線增益，取G＝10dB

“銥星”系統(tǒng)一個(gè)波束可以提供80路全雙工話音電路，因此若干擾整個(gè)波束需要的干擾功率為

4．2 實(shí)例分析

“銥星”系統(tǒng)波束覆蓋圖如圖4所示。

圖4 “銥星”系統(tǒng)波束覆蓋圖

假設(shè)干擾設(shè)備處于蜂窩1＃、6＃、12＃、16＃。

結(jié)合以上公式，計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 用戶—衛(wèi)星上行鏈路參數(shù)

因此，當(dāng)干擾設(shè)備處于16＃波束內(nèi)，所需干擾功率最大，為730W。若采用地基干擾站，完全可以滿足這個(gè)需求。

5 結(jié)語

由上面的分析可知，對(duì)上行鏈路進(jìn)行有效干擾時(shí)，需要滿足一定的功率要求。若采用升空平臺(tái)或伴星干擾，由于干擾距離降低，所需得干擾功率也會(huì)大大降低。因此，發(fā)展升空平臺(tái)，采用機(jī)載干擾機(jī)將是未來重點(diǎn)的發(fā)展方向。

［1］陳周國(guó)，陳浩，謝永春．美軍衛(wèi)星通信安全防護(hù)技術(shù)發(fā)展概要［J］．衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2008，11（11）：66-67．

［2］柴焱杰，孫繼銀，李琳琳，等．衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)綜述［J］．現(xiàn)代防御技術(shù)，2011，39（3）：113-117．

［3］張更新，張杭．衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)［M］．北京：人民郵電出版社，2001（9）：500-502．

［4］曹志耀，丁鯤，顧有林．衛(wèi)星通信對(duì)抗方法及其數(shù)學(xué)模型［J］．軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程，2001，3（3）：9-19．

［5］馮小平，李鵬，楊紹全．通信對(duì)抗原理［M］．西安：西安電子科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009（8）：225．