跟蹤與數據中繼衛星系統抗干擾技術

馬 慧，吳彥鴻

(中國人民解放軍裝備學院 光電裝備系，北京 101416)

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跟蹤與數據中繼衛星系統抗干擾技術

馬 慧，吳彥鴻

(中國人民解放軍裝備學院 光電裝備系，北京 101416)

隨著目前信息化局勢的日益復雜，外層空間必將成為未來國際信息權爭奪的重要戰場，保證TDRSS具有優良的抗干擾性能，意味著能夠在天基對抗中取得了主動權。介紹了TDRSS系統組成以及發展現狀，針對TDRSS目前主要面臨的干擾體制進行重點討論并仿真模擬，列舉了可采用的抗干擾技術。分別在系統設計層面和信號處理層面總結比較抗干擾技術現狀和優劣性，并對未來的研究方向進行展望。

TDRSS系統；抗干擾技術；系統設計；信號處理

20世紀80年代以來，跟蹤與數據中繼衛星系統(tracking and data relay satellite system,TDRSS)的成功在軌運行，實現了低軌衛星的高覆蓋率通信，標志著天基測控通信時代的到來。基于天基設計的TDRSS與地面站相比，從根本上解決了可靠性、傳輸效率以及覆蓋率方面的問題，因此在載人航天、衛星平臺等領域具有廣泛應用。但在電磁環境日益惡劣的通信條件下，如何抑制惡意干擾，提升通信系統的抗干擾能力十分必要。如今星地鏈路和星間鏈路的配合使用已催生“無人作戰”這種新型作戰樣式，可見現代戰爭的信息優勢極大程度上取決于空間信息鏈路，一旦空間信息鏈路無法正常通信，軍隊作戰能力將明顯降低。

1 TDRSS及其干擾技術概述

1.1 中繼衛星系統概述

TDRS是通過同步衛星和地面測控站對中低軌航天器進行高覆蓋率測控管理和實時數據傳輸的衛星通信系統[1]。TDRSS包括中繼衛星、用戶航天器、地面終端站以及地面組網。其中中繼衛星屬于TDRSS的核心部分，起著透明轉發作用，能夠將地面遙控指令，測距信號以及其他數據進行寬帶傳輸，轉發給用戶航天器終端。用戶航天器接收指令后進行信號檢測，并執行指令內容，然后返回中繼衛星所需的測距信號和數據。中繼衛星再將信號轉發到地面終端站，實現測距測速以及數據通信。TDRSS的傳輸鏈路類似 “彎管”狀，包括前向鏈路和反向鏈路，而每條鏈路包含地面站與中繼衛星之間的星地鏈路(SGL)以及中繼衛星與用戶航天器之間的星間鏈路(SSL)這兩部分，能夠為用戶提供SSA(S波段單址)、SMA(S波段多址)、KSA(Ka波段單址)服務。目前的國際中繼衛星系統均是以天基系統為支撐，為中、低軌用戶提供跟蹤與通信服務。由于其在未來數據中繼和測控服務領域的重要戰略地位，使得以干擾、破壞和摧毀中繼衛星系統為目的的國際電子戰成為謀求戰場優勢的有效作戰手段。

1.2 中繼衛星干擾現狀分析

因為TDRSS通信信道開放的特點，以及中繼衛星位于系統前向鏈路以及反向鏈路的必經節點，所以對于星地鏈路及星間鏈路中存在的干擾必然會影響中繼衛星。許多文獻資料對地面干擾、低軌道干擾和伴星式干擾進行對比分析，得出等功率下伴星式干擾產生的干擾效果較強[2-4]，因此圍繞伴星式干擾展開分析TDRSS干擾現狀十分必要。TDRSS數據傳輸鏈路和測控鏈路分別采取直接傳輸和直接序列擴頻(DS)方式進行星地通信和星間數據通信[1]。本節重點針對TDRSS擴頻測控體制的干擾樣式進行分析梳理，主要考慮壓制式干擾和欺騙式干擾，為后續抗干擾技術研究提供理論依據。

1) 欺騙式干擾

欺騙式干擾是由位于地面站或者機載、星載干擾機發射的與TDRSS地面終端站(或用戶航天器)發射信號相似，甚至功率更強的干擾信號，造成接收終端跟蹤錯誤信息，產生誤判的結果[2]。對于TDRSS航天測控信號施加的欺騙式干擾中，轉發式寬帶干擾是一種較為有效的干擾方式。干擾機對于截獲的TDRSS信號，先將其反轉放大，再進行延時處理并轉發，當轉發信號能量大于有用信號時，就會對TDRSS造成干擾。但是針對伴星式干擾時，當TDRSS同步完成之后的干擾效果還是有限的。

2) 壓制式干擾

基于國際間對于安全技術的保密性，國外關于TDRSS安全性防護相關文獻資料相對較少，但是可以借鑒美國的MILISTAR和AEHF系統[3-4]。壓制式干擾同欺騙式干擾相比，具有易于實現、成本低廉等優點。因此國內的干擾研究主是要圍繞壓制式干擾展開。近幾年研究較為普遍的壓制式干擾樣式包括寬帶干擾(掃頻干擾和噪聲調頻干擾)、音頻干擾以及脈沖干擾，能夠對輸出前、返向鏈路信號進行實時和分時干擾。

3) 音頻干擾

基于天基系統的TDRSS信號傳輸中，無論是用戶終端還是地面終端站接收到的信號都極其微弱，通常低于噪聲20 dB左右。音頻干擾作為一種可同時干擾多個通信信道的攔阻式干擾，適用范圍廣泛，干擾效果較好。當音頻窄帶干擾的信號干擾比達到80 dB時，低功率的測控信號將會完全被壓制，使得接收端無法正確解調出傳輸信息，造成鏈路錯誤概率增加。音頻干擾主要有單音干擾和多音干擾[5]，本文以多音信號為例，進行討論分析；音頻干擾表達式為

(1)

其中fj表示干擾信號頻率；Δf表示各信號之間的頻率差；θi表示信號對應的隨機相位，均勻分布在[0,2π)。如圖1所示是單個窄帶帶寬為500 Hz，單個載波頻率為18 kHz、20 kHz、22 kHz、24 kHz、26 kHz和28 kHz的音頻干擾頻譜圖，能量比較集中，實現難度不高。當干擾信號頻率等于TDRSS傳輸信號頻率時，干擾效果達到最好，并且TDRSS受干擾的程度隨著干擾信號的中心頻率偏離程度的增大而降低。當系統擴頻接收機受到單音干擾時，常見的干擾抑制技術是時/頻域處理技術。其中處理效果較好的主要2D-CDMA(時頻二維擴頻)技術和多載波技術。其中，2D-CDMA通過解擴非相關二維擴頻矩陣處理音頻干擾[6]。針對窄帶音頻信號只能干擾部分TDRSS信號的特點，多載波技術例如OFDM技術可通過優化分配多個子載波信號有效抑制音頻干擾，滿足TDRSS可靠性和高數傳速率的要求[7]。

圖1 多音干擾的時域和頻域

4) 窄脈沖干擾

窄脈沖干擾信號實質上是一種矩形脈沖序列，其能量大多數分布在主瓣內[8]。脈沖干擾不同于連續波干擾，是一種新型干擾樣式。干擾信號表達式為

(2)

式中：Aj表示干擾信號幅度值；Tr表示序列的脈沖重復周期；g(t)表示具有一定脈沖寬度的矩形脈沖。脈沖干擾的頻譜表達式為

(3)

式中：τ表示信號g(t)的脈沖寬度；G(f)表示矩形信號的傅里葉變換頻譜。窄脈沖干擾的頻譜是包絡為Sa函數的離散譜，其時域和頻域波形圖如圖2所示。由圖2可知，脈沖干擾的特點是干擾信號瞬時輸出功率高于平均輸出功率2～3個數量級。因此，突發的脈沖干擾信號很可能使TDRSS測控系統中的中繼衛星很快達到飽和狀態，造成前、返向鏈路通信比特錯誤率顯著增大直至通信中斷[9]。針對強阻塞的脈沖干擾，合適的處理方式是SMART-AGC(自動增益控制系統)，通過移動線性放大器產生干擾零區對干擾限幅[10]。

圖2 窄脈沖干擾的時域和頻域

5) 掃頻干擾

寬帶噪聲干擾通常是由寬帶掃頻干擾和噪聲調頻干擾相結合組成，能夠對某頻段產生阻塞式干擾。其中掃頻干擾是在一定周期內，信號幅度和本振頻率在較寬的頻帶范圍內隨時間成比例變化[8]得到的一種分時干擾樣式。掃頻干擾的表達式為

j(t)=Aj(t)cos(ωjt+φ(t)+θ)=

Aj(t)cos(ωjt+φ(t))

(4)

式中：Aj(t)表示干擾信號幅度變化函數；ωj表示干擾信號初始頻率；θ表示干擾信號初始相位。該干擾信號載波的瞬時頻率為

(5)

頻譜圖如圖3所示，干擾頻率不斷進行變化，在某些頻段內呈現波動狀態。并且可以看出掃頻信號能量主要均勻分布在帶寬之中，載頻為10 kHz，而TDRSS中由于擴頻增益的存在，接收端能夠對干擾進行一定的擴展。針對屬于非平穩過程的掃頻干擾，較有效的處理技術是變換域處理技術[11]。

圖3 掃頻干擾的時域和頻域

6) 噪聲調頻干擾

噪聲調頻干擾作為寬帶壓制式干擾的一種，其干擾頻率依據基帶噪聲發生變化。其時域表達式為

(6)

式中：Aj表示干擾信號幅度值；ωj表示干擾中心頻率；un(t)表示服從標準正態分布的隨機噪聲；θ表示干擾信號初始相位，在[0,2π)服從均勻分布。如圖4所示是中心頻率為100 MHz，調頻指數為0.4的噪聲調頻干擾的頻譜圖。噪聲調頻干擾的使用一般與掃頻干擾相結合，可產生全面阻塞式干擾。因為TDRSS鏈路擴頻處理增益受到一定限制，干擾方通常使用傾向于這種寬帶干擾。針對噪聲調頻干擾的抑制技術，比較合適的是天線抗干擾技術，調整天線波束對準方向以避開干擾[12]。

圖4 噪聲調頻干擾的時域和頻域

2 TDRSS抗干擾技術研究現狀

作為天基測控系統的重要組成部分，提高TDRSS的抗干擾能力、實現實時傳輸十分必要。本文依據抗干擾策略運用方式的不同，將其按照系統設計、信號處理這兩大層面進行研究。首先圍繞這兩個層面的代表技術進行綜述，其次詳細分析各種抗干擾技術的適用類型和優劣性能。

2.1 系統設計層面抗干擾技術

1) 擴譜技術

擴展頻譜技術作為衛星通信抗干擾的常用技術之一，通過偽隨機序列特有的大冗余度提高干擾容限，符合衛星通信信道的穩定性和隱蔽安全需求。擴譜技術包括跳頻擴譜(FH)、直接序列擴譜(DSSS)以及混合擴頻(DS/FH)[13]。文獻[14]對自適應跳頻技術進行分析，對于寬帶噪聲干擾和音頻干擾抑制性能有明顯改善。而擴譜技術的兼容性使得擴譜技術能夠和多種技術相融合，包括DS-CDMA、OFDM-CDMA技術，保證盡可能利用頻譜資源，但在一定程度上受到系統發射功率的限制。運用擴譜技術需要重點關注的問題是接收站的時鐘同步問題，要求克服系統傳輸過程中的抖動和時延現象，保證衛星實現定時精確。

2) 編碼調制技術

TDRSS目前數字調制技術以MPSK(多進制相移鍵控)為主，主要為BPSK、QPSK以及8PSK技術，編碼技術包括BCH編碼、RS編碼以及級聯碼。但是隨著中繼衛星數據通信的任務需求，采用頻譜利用率高且干擾抑制能力強的編碼調制方式已亟不可待。Cham等人針對軍事通信系統數據速率有限問題，提出使用MBOK(多進制正交鍵控)調制方式，驗證了其在脈沖干擾及噪聲干擾情況下較原有波形性更優[15]。李春霞等人針對衛星導航信號，采用BOC(二進制偏移副載波)技術進一步改善了載波跟蹤抗干擾效果[16]。美國的JTIDS(聯合戰術信息分布)系統就在使用MSK調制方式的基礎上，建立多層糾檢錯編碼方式，提高通信系統性能。到目前位置，LDPC(低密度奇偶校驗)編碼因為具有接近香農極限的優勢，使得其在衛星通信領域使用廣泛，但是會受到結構上隨機性的限制。針對這種情況，有學者提出了具有準循環特性的QC-LDPC(準循環低密度奇偶校驗)碼[17]。文獻[18]提出將該碼與MIMO技術相級聯，既可以提升信息速率又可以保證較好的魯棒性。而Maleki等學者提出，對于鏈路中干擾情況可利用認知無線電技術進行實時頻譜感知，保證鏈路狀態和通信環境最大化匹配，兼顧考慮通信鏈路的吞吐量和可靠性[19]。

3) 天線抗干擾技術

HPLC-QAMS同時測定復方黃芩片中6種活性成分的含量……………………………………………………… 胡 丹（11）：1510

在天線端采取相應措施，分離出有用信號，也是一種較為普遍的方法。天線抗干擾方面主要的抗干擾技術包括自適應調零技術、DFB(自適應數字波束形成)技術、SMART AGC技術。自適應調零技術是利用自適應加權操作對干擾信號進行陷波處理，降低信號受干擾程度。現有的自適應濾波算法中，Compton學者提出的功率倒置算法[20]應用極為廣泛，但是自適應調零技術對于實時性要求較高[21]。DFB技術是指運用自適應算法對射頻信號進行加權更新處理的陣列天線控制技術[22]。SMART AGC技術利用干擾信號與測控信號各自的包絡特點通過自動調整零區，達到抑制干擾能量的效果[23]。

4) 星上處理技術

中繼衛星位置固定，屬于TDRSS中的重要部分也是脆弱部分，因而采取星上處理技術十分必要。星上處理技術主要作用于前向鏈路和反向鏈路上，以減少TDRSS傳輸時所受干擾。目前常用的星上處理技術包括星上基帶處理技術、星上編碼及交織技術、信號復用技術等[24]。美國的Milstar衛星采用星上處理技術進行解擴操作，簡化地面站設備復雜度的同時提高衛星的信號保密性[25]。而針對再生式星上處理技術存在的應用復雜問題，楊烊等人基于時分復用技術，設計了非再生式星上處理技術，在一定程度上降低技術實現的復雜度[26]。文獻[27]對WCDMA星上處理技術進行討論。

5) 激光通信鏈路的組建

采用激光通信技術能夠在滿足未來天基高數據傳輸率的同時，也能有效避免電磁波信號的干擾。目前美國等國家逐步確定在2017年前發射激光數據中繼衛星，而且已經獲得部分成果[28-30]。目前我國關于激光通信非相干體制通信的研究取得一定進展[20]，但至今還未得到實際驗證。基于激光通信在傳輸容量方面的優勢，著重發展我國的星間激光通信很有必要。

2.2 信號處理抗干擾技術

1) 變換域處理技術

變換域處理通過將信號變換到其他域以獲得信號的有用特征信息，取得更好的抑制結果。最初通過FFT變換技術提出變換域濾波技術，能夠有效抑制干擾，但是受限于頻譜泄露的約束。有學者對此進行優化，提出濾波器組變換域技術，一定程度上克制了頻譜受限的約束。但是基于塊變換的處理技術都對頻率波動比較敏感，魯棒性一般。因此學者Jones提出了重疊變換的處理技術并加以研究分析，應用結果顯示重疊變換能夠較好地抑制平穩窄帶干擾，但是對于非平穩過程適用性差[31]。還有學者對基于小波變換的處理技術進行研究，能夠對實時變化的干擾信號起到抑制效果，魯棒性較好[32]。

ADP(幅度域處理)技術是基于干擾信號的概率密度函數，對輸入信號的幅值重新設定，達到改善信噪比的結果。文獻[33]基于干擾信號幅度的統計特性進行干擾抑制研究，處理過程相對易于實現，對于連續波干擾、脈沖干擾以及線性調頻干擾抑制效果較好，但不適于高斯白噪聲干擾。然而研究表明，幅度域濾波在有些干擾場景下具有一定的局限性，針對此文獻[34]提出將幅度域濾波應用于頻域處理干擾，針對擴頻信號的抗干擾可靠性進一步提高。但在一定程度上會導致頻譜泄露，對此張天橋等人圍繞重疊加窗思想對頻域處理技術進行優化，并針對計算過程進一步簡化，降低了系統實現復雜度[35]。

3) 鏈路自適應技術

目前TDRSS星地和星間鏈路都是恒定傳輸速率，給系統的抗干擾能力帶來很大的局限性。為保 證信息傳輸的實時性和準確性，鏈路調制體制需要具備自適應匹配環境狀態的能力。鏈路自適應技術包括功率自適應技術和數據速率自適應技術[36]，

自適應功率控制技術就是根據信號在通信鏈路傳輸過程中的損耗大小自適應調整地面測控站的功率發送，盡量減少鏈路受干擾程度。工作形式包括開環、閉環和反饋環路三種。而數據速率自適應技術可對功率控制技術進行補充，用信息傳輸速率的降低換取信號的分集能力，在保證鏈路裕量的前提下降低中斷率。兼顧通信鏈路的頻譜利用率和數據傳輸速率方面，已在EDGE、GPRS、OFDM、DVB-S2標準方面具有較好的應用前景[37-39]。如今自適應無線技術發展日益成熟，翟政安等學者提出鏈路參數自適應調整的理念，中繼衛星可根據鏈路干擾進行即時調整，相比固定調制體制而言，能夠提供更大的干擾容限，達到降低鏈路的誤碼率和中斷可能性的目的[40]。

通過在系統設計、信號處理角度進行干擾抑制手段的分析，對于TDRSS未來安全防護技術具有重要意義。為更好地保證系統的隱蔽性、低截獲能力，對各種干擾抑制手段的代表技術進行具體分析，并且列出其具體應用場景，以及對各自算法的優劣性進行列表對比。如表1所示，表1為更好實現TDRSS功能，盡可能降低軍事干擾提供理論依據和具體參考。

表1 干擾抑制技術及優劣性對比

3 進一步的研究方向

盡管目前的通信抗干擾技術發展迅速，對于優化TDRSS性能有很大意義，但現有抗干擾技術仍存在適用范圍局限、抑制效果一般，抗干擾體制還存在一定的缺陷。因此基于現有的通信抗干擾方法，結合新型算法和科學技術，研究出保障力更強的通信體制很有必要。目前，仍存在一些方面值得重點研究：

1) 設計高抗干擾容限的衛星通信傳輸體制。對現有的空時域處理、幅度域處理和編碼域處理等技術進行聯合研究，從TDRSS鏈路實際要求出發，綜合提高系統抗干擾能力。目前在寬帶測控、智能組網方面研究仍處于空白狀態，因此建立完善的抗干擾體制必不可少。從安全防護角度進行考慮，不僅要對系統關鍵節點進行抗干擾研究，還需考慮研究系統鏈路或者通信設置。

2) 對混合擴頻和自適應擴頻編碼進行進一步研究。DS/FH電子對抗手段還不成熟，混沌序列和密碼序列作為新型編碼算法，具有良好的處理增益。同時對于采用擴頻技術時產生的互調分量的影響，要進行針對性的抑制。

3) 依據衛星信道實時狀態，選擇合適的調整方式，對多調制方式、多編碼方式進行研究，實現實時鏈路自適應調整。在保證通信系統抗干擾性能良好的同時，達到盡可能大的數據傳輸速率。

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(責任編輯 楊繼森)

Research on Tracking and Data Relay Satellite System Anti-Jamming Technology

MA Hui, WU Yanhong

(Institute of photo-electricity Equipment, Academy of Equipment of PLA, Beijing 101416, China)

With the increasing complexity of information situation, the outer space will be an important battlefield for the future international information rights competition. And it’s important to ensure that TDRSS(tracking and data relay satellite system) has excellent anti-jamming performance which means that it can take the initiative in space confrontation. Firstly, the composition and development status of TDRSS system are briefly introduced. Secondly, the interference system of TDRSS is mainly discussed and simulated, and the anti-jamming technologies which can be used are put forward. Finally, the current research situation of anti-jamming technology is analyzed at the system design level and the signal processing level, and the advantages and disadvantages of different technical means are discussed respectively. The future research direction of relay satellite anti-jamming technology is prospected.

TDRSS system; anti-jamming technology; system design; signal processing

10.11809/scbgxb2017.07.027

2017-03-18；

2017-04-25

馬慧(1993—)，女，碩士研究生，主要從事現代信號處理的研究。

format:MA Hui, WU Yanhong.Research on Tracking and Data Relay Satellite System Anti-Jamming Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):123-128.

TN911.4

A

2096-2304(2017)07-0123-06

本文引用格式：馬慧，吳彥鴻.跟蹤與數據中繼衛星系統抗干擾技術[J].兵器裝備工程學報，2017(7):123-128.