李文東 張莎莎 趙鵬飛 張濤

(中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

衛(wèi)星自發(fā)射開始到在軌正常運行，需要完成衛(wèi)星的遙控、遙測和測距功能，衛(wèi)星測控鏈路在衛(wèi)星的運行中具有舉足輕重的地位，其安全性直接決定了航天器的安全性和可用性[1-2]，隨著空間攻防態(tài)勢的發(fā)展，衛(wèi)星測控射頻鏈路作為星地通信的關(guān)鍵，其安全防護設計需求也隨之提升，衛(wèi)星測控系統(tǒng)的安全防護能力將成為整星設計中必不可少的環(huán)節(jié)，目前在軌、在研的衛(wèi)星測控系統(tǒng)通常采用擴頻體制，S頻段擴頻體制具備15 dB左右的抗干擾能力[3-5]，是目前國內(nèi)航天器采用的主要測控體制，面對日益復雜的太空電磁環(huán)境和空間安防態(tài)勢，當前的抗干擾能力將難以滿足部分具有高價值的衛(wèi)星或航天器的安全防護能力的需求。相比于直擴擴頻體制，直擴/跳頻混合擴頻體制具備更高抗干擾能力[6-7]，已經(jīng)在某些重點型號上逐步開展在軌應用，并將逐漸成為未來一段時間內(nèi)必備的測控體制，但由于測控S頻段帶寬受限，擴跳頻體制下為了獲得更高的抗干擾能力，通常采用較低遙控速率，僅支持衛(wèi)星應急工況下的應急遙控功能。

本文首先分析了目前衛(wèi)星在軌運行期間測控系統(tǒng)可能面臨的威脅，對衛(wèi)星采用的不同體制的測控鏈路抗干擾能力進行分析，在此基礎(chǔ)上，提出一種基于兼容多種測控體制的多模式一體化應答機的測控系統(tǒng)方案設計，在滿足衛(wèi)星日常遙控遙測速率要求的同時，具備較高抗干擾能力和抗毀傷能力，可有效提升衛(wèi)星測控鏈路的安全防護能力。

1 衛(wèi)星測控鏈路安全威脅及抗干擾能力分析

衛(wèi)星測控鏈路面臨的威脅來自兩方面：一方面是電子干擾威脅，主要威脅表現(xiàn)在衛(wèi)星測控系統(tǒng)接收到無意干擾(或稱自然干擾)或有意(或稱人為干擾)信號，干擾衛(wèi)星測控鏈路，影響衛(wèi)星上行遙控的正常接收，使得衛(wèi)星失去與地面測控系統(tǒng)的測控聯(lián)系；另一方面是日益發(fā)展成熟的高功率微波(HPM)技術(shù)，通過地基或天基向衛(wèi)星所在位置發(fā)射高功率脈沖，脈沖能量通過衛(wèi)星接收天線進入測控通道(前門耦合)，對衛(wèi)星測控通道中的電子器件造成的不可逆的硬殺傷，使整個衛(wèi)星測控通道失效。

1.1 電子干擾威脅

衛(wèi)星運行于離地面數(shù)百至數(shù)萬千米的軌道上，地面測控系統(tǒng)上行信號經(jīng)過空間衰減后，到達衛(wèi)星測控系統(tǒng)接收端的信號功率較小，通常在-90～-110 dBm之間，所以對測控接收終端對微弱信號的捕獲和跟蹤靈敏度提出了很高的要求，但衛(wèi)星測控系統(tǒng)較高靈敏度的設計，意味著對干擾信號也比較敏感，衛(wèi)星測控鏈路容易受到各種無意或有意的干擾，影響衛(wèi)星正常測控通信。

衛(wèi)星測控射頻鏈路面臨的電子干擾威脅主要是來自地基或天基的電子干擾攻擊。電子干擾攻擊能夠瞄準衛(wèi)星平臺的測控通信頻段發(fā)射壓制或欺騙干擾信號，從而降低衛(wèi)星測控通信信號的信噪比，阻斷衛(wèi)星的正常測控和通信任務，在干擾功率持續(xù)期間，使衛(wèi)星與地面測控系統(tǒng)失聯(lián)，造成衛(wèi)星短期無法正常執(zhí)行任務，常見的電子干擾方式包括寬帶阻塞干擾、窄帶(單頻)干擾、脈沖干擾和轉(zhuǎn)發(fā)干擾等方式。

1.2 高功率微波(HPM)技術(shù)

HPM技術(shù)毀傷電子系統(tǒng)已成為一種極有潛力的新型方式，目前主要應用于航空和反導領(lǐng)域，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，HPM技術(shù)的應用逐漸拓展至航天領(lǐng)域，衛(wèi)星等航天器也將面臨著HPM的威脅。

美國在微波定向能武器研究和軍用方面位于世界首位，在《美國空軍2025年戰(zhàn)略規(guī)劃》報告中明確提出發(fā)展天基微波定向能武器，對地面、空中和空間目標均具有殺傷力。俄羅斯在高功率微波技術(shù)的研究長期處于世界領(lǐng)先地位，1992年研制的納吉拉(NAGIRA)地基雷達，發(fā)射功率300 MW,工作頻率10 GHz，脈寬5 ns，重復頻率150 Hz，主要用于低空飛行的直升飛機等空中目標；2001年展出的射頻火炮Ranet-E輸出功率超過500 MW，工作在厘米級波段，產(chǎn)生10～20 ns的尖脈沖，主要作用于制導武器[8]。

高功率微波干擾對衛(wèi)星電子設備的毀傷效應主要包括電效應和熱效應，首先高功率電磁脈沖通過衛(wèi)星的接收天線耦合進入到衛(wèi)星的射頻接收通道內(nèi)部，其能量在系統(tǒng)內(nèi)部形成瞬間電場或者變成隨時間、空間變化的大電流、大電壓，然后耦合進入的能量經(jīng)過電纜、波導等介質(zhì)傳導或者電磁空間輻射傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)部脆弱的部位，如敏感單機、集成電路以及電子元器件等，最后進入空間結(jié)構(gòu)體的電磁脈沖作用于非常小的高密度的脆弱部位，短時的大功率在電子元器件上匯集，產(chǎn)生大量的熱能燒毀電子設備中的半導體器件和集成電路。

1.3 直擴(DS)體制抗干擾能力

直接序列擴頻(簡稱直擴)是目前衛(wèi)星測控系統(tǒng)應用較廣的一種測控體制，該體制將基帶數(shù)據(jù)信號擴展到一個很寬的帶寬上，來實現(xiàn)通信抗截獲和抗干擾。直擴測控體制具有抗單頻干擾能力強、低截獲率、碼分多址和抑制多徑效應等優(yōu)點，已成功應用到多種通信系統(tǒng)，在軍事通信領(lǐng)域得到廣泛應用。

由于直擴通信系統(tǒng)通過在發(fā)端擴展信號頻譜，在收端解擴后恢復傳輸信息，給系統(tǒng)的輸出信噪比帶來了相對改善，提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力。通常會用處理增益來衡量擴頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力，擴頻處理增益定義為擴頻信號的總帶寬與信息帶寬的比值[9]，可表示為

(1)

式中：Rc為直擴偽碼速率，Rb為信息速率；也可表示為應答機解擴輸出的信噪比與應答機輸入信噪比的比值，即G=Φout/Φin，其中Φout表示輸出信噪比，Φin表示輸入信噪比，兩種定義并不矛盾，直擴系統(tǒng)的處理增益與頻譜擴展帶寬正相關(guān)，與信息速率負相關(guān)，信號頻譜擴展越寬，處理增益越大，抗干擾能力越強。

1.4 擴跳頻體制抗干擾能力

直擴體制(DS)和跳頻體制(FH)的抗干擾機理不同，直擴系統(tǒng)通過偽隨機碼的相關(guān)處理，降低進入應答機的干擾功率來達到抗干擾的目的；而跳頻系統(tǒng)是通過載頻的隨機跳變來躲避干擾，將干擾排斥在接收通道以外來達到抗干擾的目的。兩種體制在抗干擾性能方面既有各自的優(yōu)點也存在各自的不足。如在面對窄帶單頻干擾時跳頻系統(tǒng)優(yōu)于直擴系統(tǒng)，而在寬帶干擾下，直擴系統(tǒng)好于跳頻系統(tǒng)。直擴/跳頻混合擴頻(簡稱擴跳頻)系統(tǒng)則有效的利用了前兩種擴頻技術(shù)的優(yōu)點，其一方面通過直接序列擴頻系統(tǒng)信號功率譜密度可低于噪聲功率譜密度的特性起到保密的作用，另一方面通過跳頻獲得超大的頻譜寬度，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

擴跳頻體制抗干擾能力與直擴體制的分析方法類似，系統(tǒng)處理增益可表示為

(2)

式中：Δf為跳頻間隔，Nh為跳頻點數(shù)。

對于各種類型的強信號干擾，擴跳頻體制兼具直擴系統(tǒng)的隱蔽性和跳頻系統(tǒng)對干擾的躲避性，在目前衛(wèi)星測控系統(tǒng)面對日益復雜的電磁環(huán)境中，將擴跳頻測控體制應用到特殊環(huán)境下的應急測控來提高抗干擾能力將成為一種必然趨勢。

2 測控鏈路安全防護設計

為了保證衛(wèi)星測控鏈路的安全性和可靠性，衛(wèi)星設計時通常配置多個測控通道互為備份，理論上衛(wèi)星可配置多種測控終端和天線組成相互獨立的測控通道，分別實現(xiàn)不同測控體制，但此種方式必然造成系統(tǒng)內(nèi)單機數(shù)量、系統(tǒng)質(zhì)量和研制成本的增加，不符合當前衛(wèi)星設計“集成化、小型化、輕量化”的設計思路。

本文提出的測控系統(tǒng)方案以多模式一體化應答機為核心，采用共用射頻通道設計，基帶部分基于高性能現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)平臺設計，同時支持包括測控數(shù)傳一體化、擴頻體制和擴跳頻體制多種體制上行信號的捕獲和跟蹤，并按照預設的優(yōu)先級向后端的綜合電子輸出上行遙控信息。常規(guī)測控模式工作在直擴體制下，現(xiàn)有技術(shù)成熟且上下行信息速率較高，具備一定的抗干擾能力，可以滿足衛(wèi)星日常運行任務星地操控需求；當有高速上下行需求時工作在測控數(shù)傳一體化體制下，具備每秒兆比特級速率的高速測控上下行能力；緊急情況下通過地面或由星上自主切換至擴跳頻模式下，采用低碼速率實現(xiàn)衛(wèi)星應急測控。

衛(wèi)星測控射頻鏈路的安全防護設計主要從系統(tǒng)層面和設備層面進行設計，系統(tǒng)級的安全防護設計主要采用不同的測控體制和通道，支持在時間、空間和頻率多個維度靈活切換，確保在應急狀態(tài)下某種測控通道受到干擾無法正常實現(xiàn)星地測控功能時，通過地面切換或星上自主切換至其他通道，保持衛(wèi)星的星地測控能力。設備級安全防護的設計理念是在設備設計和研制時考慮安全防護的需求，在應答機從軟硬件層面開展抗干擾和抗毀傷設計，硬件層面包括射頻通道的抗干擾設計、敏感元器件的選用等措施，對射頻通道進行前門加固設計，提升抗毀傷能力；軟件層面采用時域/頻域抗干擾算法，識別和抑制干擾信號，提升測控接收系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.1 抗干擾設計

1)抗寬帶干擾設計

寬帶干擾覆蓋了整個信號通信頻帶，由于寬帶干擾不具備可用的統(tǒng)計特性，無法識別和抵消，抗寬帶干擾的能力主要是由直擴/跳頻體制決定，根據(jù)式(2)中擴跳頻體制下的處理增益，擴跳頻系統(tǒng)抗寬帶干擾能力取決于跳頻系統(tǒng)的跳頻間隔和跳頻點數(shù)，直擴偽碼速率和信息速率。實際工程實現(xiàn)中上行遙控采用較低的速率，縮短跳頻間隔(提升跳速)，采取較為復雜的跳頻圖案，可以獲得較高的處理增益，進而提升寬帶抗干擾能力。

2)抗窄帶干擾設計

針對窄帶干擾，在多模式一體化應答機設計中采取了以下措施：一是設計大動態(tài)范圍的射頻通道，以避免信號功率飽和；二是在軟件中通過時域加窗和頻域陷波算法進行干擾識別和抵消。

相較于以往的非相干擴頻應答機動態(tài)范圍70 dB，本文中多模式一體化應答機的射頻接收通道采用在射頻段和中頻段兩級自動增益(AGC)聯(lián)合控制，當上行信號較弱時，采用中頻AGC作為主控，當信號較強時，則在射頻段通過多級電調(diào)衰減器進行輔助控制，以保證在信號不失真的前提下將大動態(tài)的射頻信號控制在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)，可實現(xiàn)110 dB以上的動態(tài)范圍，當較強的干擾信號進入到接收通道內(nèi)時，可以保證接收通道不被阻塞。

頻域抗干擾算法的基本思想是根據(jù)有用信號和干擾信號的不同頻譜特性，利用數(shù)字處理技術(shù)對信號頻譜進行處理，算法通過估計信號的頻譜以達到有效抑制干擾、保留有用信號的目的。相對于寬擴跳頻信號，窄帶干擾的能量集中在很窄的頻帶內(nèi)，所以先將混合信號變換到頻域，檢測出干擾的頻譜位置，將這些譜線限定在一定的水平以下，經(jīng)過窄帶干擾消除模塊后的干擾信號再利用擴跳頻信號的處理增益消除，最后通過反變換還原成時域信號再進行解擴(見圖1)。

注：X(n)為有用信號，W(n)為噪聲或干擾。

3)抗脈沖干擾設計

脈沖干擾在一瞬間能夠讓通道飽和，通過在應答機接收端低噪放之前增加限幅器，可有效限制進入接收通道的脈沖功率，對射頻通道部件進行保護。對于擴跳頻測控系統(tǒng)而言，脈沖干擾的作用時間短，對符號位影響有限；其次，由于它的占空比很小，在相對長的時間內(nèi)，它不再干擾信道，因此通過在上行信號中增加BCH編碼措施，能夠通過BCH譯碼糾正脈沖引起的誤碼，通過編碼增益有效提升對脈沖干擾信號的抵抗能力。

4)抗轉(zhuǎn)發(fā)干擾設計

轉(zhuǎn)發(fā)干擾就是對方通過獲取有用信號，并放大經(jīng)過一定的處理后再發(fā)射出去，使其最大限度的被我方應答機接收，從而達到干擾應答機正常接收的目的，轉(zhuǎn)發(fā)干擾由于需要處理，與有用信號相比存在延時，擴跳頻體制采用較高的跳速，使得擴跳頻的跳頻間隔大于轉(zhuǎn)發(fā)干擾的延時，達到躲避干擾的目的。

同時，當存在轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號時，應答機基帶軟件利用干擾信號位于有用信號之后的特征進行識別和消除。如果信號和干擾同時出現(xiàn)在一個搜索間隔內(nèi)時，捕獲模塊會同時出現(xiàn)兩個相關(guān)峰值，如果兩個相關(guān)峰值都超過捕獲門限，則認為前一個為正確相位，后一個為轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號相位，跟蹤模塊可跟蹤前一個相位的信號，達到規(guī)避轉(zhuǎn)發(fā)干擾的目的。

2.2 抗毀傷設計

射頻接收通道中易損毀射頻芯片特別是低噪聲放大器(LNA)在HPM作用下極易發(fā)生放大增益急劇下降，放大信號嚴重失真，以致完全損壞，接收通道無法正常工作。針對高功率微波的威脅，在設計時充分考慮了測控設備的抗毀能力設計，在衛(wèi)星應答機接收通道的設計上提出多級綜合防護思路，采用帶外濾波抑制和帶內(nèi)限幅相結(jié)合等綜合防護技術(shù)。

如圖2所示，在應答機的上行射頻接收通道入口處加入高功率耐受、低損耗的限幅器，將進入射頻通道的高功率輸入信號的幅度限制在一定范圍后輸出，在遭遇HPM攻擊或脈沖干擾時，限制進入測控射頻通道的功率，防止通道上敏感器件的損傷，起到前門加固的作用，保證后端的低噪放等模塊和器件不受損傷，后端設計帶通濾波器，濾除接收帶外信號，保證基帶部分僅收到符合衛(wèi)星要求的上行信號。

圖2 接收通道抗毀傷設計

3 數(shù)值分析與試驗驗證

3.1 抗干擾能力分析

對于采用擴跳頻體制的測控系統(tǒng)，針對于不同類型干擾信號，抗脈沖干擾能力最強，其次是窄帶抗干擾能力，寬帶干擾和轉(zhuǎn)發(fā)干擾的抗干擾能力最低且基本相當(前提轉(zhuǎn)發(fā)干擾源距離衛(wèi)星的距離較近的前提下)，在此針對寬帶干擾的抗干擾能力進行分析。

設定測控系統(tǒng)擴跳頻體制參數(shù)如下：Δf=40 kHz；Nh=2047；Rc=10 MHz；Rb=88 bit/s，代入式(1)中計算可得擴跳頻測控系統(tǒng)處理增益G約為57.6 dB。

測控系統(tǒng)要求上行遙控誤碼率要求以及信道編碼增益，擴跳頻體制的解調(diào)門限(所需信噪比SNR)為7.6 dB。實際工程實現(xiàn)中，測控終端采取多路相關(guān)器+FFT分析的方法實現(xiàn)跳擴頻信號的快速捕獲，在此過程中，由于時頻搜索步進誤差、量化誤差以及電離層效應對積分能量帶來了一定的損失；此外，射頻通道中射頻前端的限幅器、低噪放等也將引入噪聲，進一步惡化信噪比，降低系統(tǒng)抗干擾能力，綜合考慮上述因素后，其他損耗按10 dB計算。則擴跳頻體制下抗寬帶干擾能力M=57.6-7.6-10=40 dB。

當干擾信號強度比應答機接收地面上行的有用信號-70 dBm強40 dB，即-30 dBm(-60 dBW)，擴跳頻體制測控來鏈路通信可能受到影響。假定衛(wèi)星運行于600 km軌道高度上，面臨該強度的S頻段寬帶干擾，地基和天基干擾需要具備的條件見表1。

表1 擴跳頻體制干擾功率

從表1可知，若衛(wèi)星上行接收受到來自地基的干擾，S頻段寬帶干擾信號需要地面發(fā)射機連續(xù)輸出萬瓦級功率，工程實現(xiàn)難度巨大；若衛(wèi)星上行接收受到來自對抗衛(wèi)星的干擾，在雙方衛(wèi)星距離30 km以內(nèi)時，需要6000 W以上連續(xù)輸出功率，才可使跳擴測控信號受到干擾，干擾效費比較低。

對于窄帶干擾信號，由于采用時域加窗和頻域陷波算法，相比寬帶干擾信號，其抗干擾能力要明顯優(yōu)于寬帶干擾信號，地面或天基干擾源信號功率與寬帶干擾相比需提升3～4個數(shù)量級；脈沖干擾信號達到干擾的目的需達到吉瓦級。

3.2 抗毀傷能力分析

對于抗毀傷設計，本文中選用的限幅器限幅功率為15 dBm，插損小于0.3 dB，耐受功率為1 W，當?shù)竭_應答機接收端口的干擾信號達到1 W時，按照600 km軌道、30 m口徑天線計算，地面的發(fā)射功率需要達到吉瓦級以上；如果為近距離干擾，按照1 km距離，2 m口徑的天線，也需要千萬瓦級以上輸出功率，根據(jù)目前調(diào)研的結(jié)果，天基HPM技術(shù)要達到此功率的工程實現(xiàn)難度巨大。

3.3 地面試驗驗證

多模式一體化應答機在地面測試開展抗干擾能力專項測試，應答機分別在弱電平(-112 dBm)、中等電平(-90 dBm)和強電平(-70 dBm)狀態(tài)下，通過信號源模擬寬帶、窄帶和脈沖等不同類型的干擾信號，設置地面模擬源輸出的干擾信號在應答機上行接收帶寬(100 MHz)范圍內(nèi)，干擾信號功率與有用測控信號的干信比為40 dB，應答機均能正常鎖定上行遙控信號，捕獲時間滿足系統(tǒng)要求，驗證了測控系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 結(jié)束語

本文介紹了衛(wèi)星測控鏈路面臨的復雜電磁環(huán)境以及可能遭受的干擾或攻擊，詳細分析了直擴體制和混合擴頻體制測控系統(tǒng)的抗干擾能力。提出了一種基于兼容多種測控體制一體化應答機的測控系統(tǒng)設計方法，軟件設計上采取基于窗函數(shù)的頻域抗干擾算法，硬件設計中在射頻通道增加限幅器，可有效抵御蓄意的電子干擾和脈沖武器的毀傷威脅，對衛(wèi)星測控鏈路安全防護設計具有指導意義。