對衛星通信系統中的干擾識別技術分析

趙憲章，李永安，馬曉遠

（河北東森電子科技有限公司，河北 石家莊 050200）

1 背景

隨著計算機技術的發展，人類正逐步從工業時代向信息時代過渡，信息的傳遞對于現代社會的發展有著舉足輕重的作用，誰在信息傳遞上領先，誰就處于發展的有利地位。因此，當前各式各樣的通信工具和通信手段成為了各國研發機構的重點領域。目前的信息傳遞手段以無線衛星通信為主，所以無線通信的安全性顯得尤為重要，特別是在信息化戰場中，復雜的信息化戰場環境下，敵方的電子干擾裝備和手段頻出，無線通信的安全性成為了戰爭勝利的關鍵所在。作為一種重要的通信手段，衛星通信在現代戰爭環境中有著至關重要的地位和作用，是戰場指揮與控制的重要橋梁。

隨著通信技術的不斷發展，衛星通信系統中的干擾識別技術也會不斷提升，未來的衛星通信系統將會面臨日益復雜的電磁干擾環境。因此，為了保證我方在衛星通信領域取得優勢，必然要對干擾識別技術進行更深入的研究。

2 衛星通信系統整體方案介紹

衛星通信是地面利用太空人造通信衛星作為中繼站而進行的無線電通信，可實現數據、語音等的傳播。衛星通信系統由人造通信衛星、衛星地球站以及用戶終端組成，實質上是一種微波通信。其中，人造通信衛星的主要作用是轉發各衛星地球站的信號；衛星地球站的作用是接收和發射用戶終端的信號。

目前，衛星通信系統在我國國民的生產、工作、生活當中發揮著日益重要的作用，特別是對維護國家安全有著不可替代的作用。衛星通信系統主要有以下特色：

（1）覆蓋面積大：衛星通信系統受自然環境和地理位置的影響小，在失去地面通信的情況下，特別是在地面通信無法到達的區域，在衛星通信的覆蓋面積內均不受影響，且一顆衛星可以覆蓋地球三分之一的面積，通信的距離與通信成本并沒有直接關聯，通信成本低。

（2）工作頻帶寬：衛星通信系統的可用頻段為150MHz-30GHz。

（3）通信質量好：衛星通信中電磁波主要在大氣層以外傳播，電波傳播非常穩定。雖然在大氣層內的傳播會受到天氣的影響，但仍然是一種可靠性很高的通信系統。

（4）網絡建設速度快、運營成本低：衛星通信除了建設地面站以外，無需進行其他地面施工，運營維護的成本較低。

（5）信號傳輸時延大：與地面通信不同，為了保證衛星通信的暢通，高軌道衛星的雙向傳輸時延往往達到秒級，在進行語音傳輸時會有比較明顯的延時。

（6）控制復雜：衛星通信技術作為一項高精尖技術，其控制要求相對較高，因為在衛星通信系統中，所有的鏈路都是無限鏈路，而且太空中的人造通信衛星是在不斷移動的，因此控制系統較為復雜。

3 衛星通信系統中的干擾識別技術

隨著衛星通信系統的廣泛使用，衛星信號的傳輸面臨著越來越復雜的電磁環境。為了更好地應對復雜的干擾環境，特別是在多變的戰場環境下，保障我方衛星通信系統的正常使用，需要長期對存在的各式干擾信號進行采集、提取和分析，從而采取正確的應對措施。而且，識別技術越先進，更能夠越快、越準確地作出應對，取得衛星通信的優勢。

目前針對衛星通信系統的干擾信號自動調制識別的方法主要是兩類：分別是決策論法和統計模式識別法。

而衛星通信系統中干擾信號的特征識別主要是指對干擾信號調制方式的識別，即調制識別，其作用主要是識別不同干擾信號的調制種類。目前已有大量的研究成果，識別方法包括：BP神經網絡（應用最廣泛的神經網絡）、決策樹（直觀運用概率分析的一種圖解法）、SVM（由模式識別中廣義肖像算法發展而來的分類器）等。

4 衛星通信系統中的干擾信號分類

衛星通信系統的種種優勢讓其在當今社會得到了廣泛應用，但是也正是由于這些優勢，如通信覆蓋面積廣等，就很容易遭受各類電磁干擾。目前，衛星通信系統的干擾因素主要有以下幾類：

（1）傳輸路徑上的干擾。衛星通信信號在從人造通信衛星傳輸到衛星地球站時會遭受各種各樣的外來因素干擾，包括電離層（含平流層）延遲干擾、對流層延遲干擾、多路徑誤差干擾等。電離層（含平流層）延遲干擾是指高度在60-1000千米間的大氣層，在太陽紫外線、X射線、γ射線和高能粒子的作用下，該區域內的氣體分子和原子將產生電離，形成自由電子和正離子，從而影響到衛星通信信號的傳輸；對流層延遲干擾是指在10-20千米的對流層，受地球天氣影響較大，包括雨、云、霧等，都能對衛星通信信號產生一定的影響；多路徑誤差干擾是指在地面環境復雜的衛星地球站，某些物體所產生的信號與通信衛星所傳輸的信號進行重疊后共同由衛星地球站接收，影響了衛星通信的質量。

（2）同類系統間的干擾。在衛星通信信號傳輸的過程中，如果周邊有同類通信系統，且傳輸頻率類似，就可能會出現相互干擾的情況，比如地面通信系統、衛星電視等，但是這類干擾一般持續時間較短，也影響較小。

（3）人為電磁干擾。這類干擾信號主要出現在通信戰場環境下，用于敵我雙方對戰場上通信信號的爭奪。

以上是目前出現衛星通信干擾信號的主要成因，而這些出現的干擾信號又有以下幾類典型：

（1）寬帶噪聲干擾信號和窄帶噪聲干擾信號。這是根據在通信全頻范圍內，干擾頻帶的占比來進行分類的，占比較大或全頻段干擾的是寬帶噪聲干擾信號，占比較小的是窄帶噪聲干擾信號。

（2）單音干擾信號和多音干擾信號。指針對通信頻帶的單個或多個頻點進行干擾的信號。

（3）脈沖干擾信號。大多是認為的電磁干擾，主要應用于敵我雙方對戰場上通信信號的爭奪，通常會對通信質量產生巨大影響。

5 干擾識別技術研究現狀

衛星通信系統中的干擾識別技術實質上也是一種模式識別，對衛星通信干擾信號的識別可分為以下三個步驟：

第一，首先針對通信系統傳輸的數據和信號進行提前處理，將內容從信號空間轉移到觀察空間；

第二，對通信系統傳輸的數據和信號進行特征選擇，將其從觀察空間轉移到特征空間，并對這些信號的各類特征與參數進行選擇與甄別，這一步驟是整個過程的關鍵與核心。

第三，通過前兩個步驟的實施已經可以識別出干擾信號的各類數據。最后一個步驟的作用主要是針對已識別出的干擾信號，進行針對性的應對。如果是曾經遇到過的干擾信號，只需要根據以往的應對措施進行布置與安排，如果是未知信號，則需要對其進行數據錄入與分析，得出最科學的應對措施。

目前雖然有很多通信專家都進行了此類技術的研究，但是考慮到衛星通信領域的特殊性與敏感性，事實上公開報道出來的衛星通信系統干擾識別技術還比較缺乏，大多數是針對特定環境或特定項目的干擾技術研究。

本文根據眾多專家學者的研究成果，主要提出以下兩類干擾識別技術：

（1）基于特征提取的干擾識別技術研究。目前，基于特征提取的干擾識別技術研究已有大量成果，其算法也是多種多樣，比如：BP神經網絡（應用最廣泛的神經網絡）、決策樹（直觀運用概率分析的一種圖解法）、SVM（由模式識別中廣義肖像算法發展而來的分類器）等等。

（2）基于卷積神經網絡的干擾識別技術研究。卷積神經網絡是一類包含卷積計算且具有深度結構的前饋神經網絡，是深度學習的代表算法之一。卷積神經網絡具有表征學習能力，能夠按其階層結構對輸入信息進行平移不變分類，因此也被稱為“平移不變人工神經網絡”。

6 干擾識別技術的未來發展趨勢

通過對當前衛星通信系統的發展現狀及技術分析，未來的衛星通信干擾識別技術將有以下幾個發展趨勢：

（1）小型微型化。未來的衛星通信領域，特別是通信戰場，在不具有大型專業化的抗干擾監測設備的情況下，特別需要小型微型化尤其是能夠單人攜帶的手持檢測設備，來應對突發情況的產生，保持衛星通信的通暢。

（2）高性能化。隨著衛星通信和信號干擾技術的發展，未來一定會產生大量具有高破壞力的干擾信號發射設備，比如已經面世的電磁脈沖技術，而且這些技術和設備只會向更加便捷化、小型化發展，干擾的功率也會越來越高，因此需要高性能和的抗干擾技術與設備來與之對抗。

（3）復合化。未來的衛星通信系統干擾識別技術不僅僅是要實現對干擾信號的監測，更需要能夠處理這些干擾信號的能力，包括提取、識別、破壞等，同時也要提高預防能力，可以實現全天候不間斷地監。

7 結束語

衛星通信系統的干擾識別技術研究，能夠實現對各類型干擾信號的甄別與應對，有效保障了衛星通信系統的正常運轉，對于維護國家安全、保障民生有著重大的戰略意義。