柴焱杰，孙继银，李琳琳，胡寅

(1第二炮兵工程学院，陕西西安 710025;2第二炮兵指挥学院，湖北武汉 430012)

0 引言

卫星系统因为具有覆盖范围广、传输质量好、部署迅速、组网方便等特点，在军事和民用领域都具有特别重要的实用价值。美国已建成国防卫星通信系统、舰队卫星通信系统和空军卫星通信系统，承担着70%以上的远距离通信和数据传输任务，确保了美国驻世界各地武装力量的近实时指挥控制和管理［1］，成为 C3I系统的支柱。

不同类型的军用卫星有不同的防护措施。以美军为例，其为光学成像卫星研制“眼睑”防护装置，防止精密光学传感器(如CCD相机)被激光损坏;对低地球轨道上的重要军用卫星进行抗辐射加固，提高它们在高空核爆条件下的生存能力;对通信卫星采用高性能跳频、自适应调零天线等技术;利用星座组网技术，确保重要的卫星系统处于冗余状态;等等。

本文综述通信卫星的各种抗干扰技术。抗干扰是为对抗干扰方利用电磁能和定向能控制、攻击微波电磁频谱，以提高空间信息系统的生存能力所采取的反对抗方式和措施。抗干扰的目的是尽最大的努力抑制敌方对我方空间系统信息获取、传输、处理和分配等能力的攻击，以有效的措施保障空间信息系统的安全。总之，通信卫星承担着提供通信保障的任务，必须具有较强的抗干扰能力，因此深入广泛地研究抗干扰技术，提高它的抗干扰能力和抗毁性，具有非常重要的意义。

1 卫星通信系统面临的干扰

卫星通信系统的信道非常脆弱，容易受到干扰和欺骗［2］。目前的干扰手段和方法是多种多样的［3］。卫星通信的通信路径包含上行信道、下行信道和星间信道3个部分，因此卫星通信系统面临的干扰包括对卫星通信上行信道的干扰、对卫星通信星间信道的干扰及对卫星通信下行信道的干扰［4］。

1.1 对卫星通信上行信道的干扰

在对卫星通信上行信道的干扰环境中，通信接收机在卫星上，通信发射机和通信干扰机在地面(海面)或接近地面(大气层以内)的空中，电磁干扰源包括陆地固定式干扰机、车载和舰载移动式干扰机、机载干扰机和干扰卫星。对上行信道干扰时，为在通信发射机的输出端取得1:1的干信比，干扰机的有效辐射功率要比通信机的有效辐射功率大成千上万倍。通信方可以使用跳频、扩频等手段相对于干扰信号取得几十dB的功率优势。卫星接收机可以应用天线自适应调零技术反干扰，使干扰效果进一步降低。

1.2 对卫星通信星间信道的干扰

在组网的卫星通信中，为实现环球通信，通信卫星间必须有星间通信信道，星间通信一般采用窄波束的微波、毫米波，干扰通常发生在星间通信的收发路径上。抗干扰措施除扩频、跳频外，还有很强的通信天线方向图可选择。

1.3 对卫星通信下行信道的干扰

在对卫星通信下行信道的干扰环境中，通信发射机在卫星上，通信接收机和通信干扰机在地面(海面)或接近地面(大气层以内)的空中，电磁干扰源包括干扰卫星和机载式、飞航式、伞挂式干扰机。干扰源对于卫星转发器，干扰距离在视距以内，通常比通信距离小10到几百倍，干扰信号到通信接收机的传输损耗仅为通信信号的1%至1/10 000。因此，在功率和距离方面容易取得较大的优势，但在覆盖面和信号辐射方向上通常处于劣势。地面站可采用旁瓣遮挡技术或综合抗干扰措施排除各种类型的干扰。

除以上干扰形式之外，一般无线通信系统中的干扰亦可被应用于卫星通信的对抗中，这些干扰可有多种分类方法。如按其形成方式可分为欺骗式干扰、搅扰式干扰和压制式干扰;按其引导方式可分为定频守候式干扰、连续搜索干扰、重点搜索干扰、跳频跟踪干扰、扩频跟踪干扰和转发式干扰;等等［5］。各种通信干扰既有一些物理上的共性，又有很大的特性差异，对通信信号造成的影响也不尽相同。因此，为了确保通信能正常进行，不能仅简单地采用一种或几种处理手段，而必须综合采用多种抗干扰措施。

2 卫星通信中常用的抗干扰技术

目前，卫星通信中常用的抗干扰技术有天线抗干扰技术、扩频技术、星上处理技术、自适应编码调制技术、扩展频段技术、无线光通信技术、限幅技术等，这些技术都有其自身的特点。

2.1 天线抗干扰技术

卫星通信系统分布在不同的地域、空域，很容易受到干扰，所以抗干扰的首要目的是实现灵活的、优化的卫星覆盖，使卫星接收天线最大限度接收我方信号，同时“零化”敌方干扰。天线抗干扰技术是卫星通信中最常用的抗干扰措施，包括自适应调零、智能天线和相控阵天线等技术。

自适应调零的原理是:在星上采用大型的、具有多波束的接收天线，组成一个赋形的天线照射到某一区域，当卫星检测到干扰时，自动将干扰方向的点波束关闭，从而达到抗干扰的目的。利用自适应调零多波束天线可以在干扰源方向产生深度调零，使干扰信号的电平减小25～35 dB。美军“军事星”(Milstar)上增加了8副点波段天线，其中2副为MDR(中数据率)调零天线，天线可自动调零，消除干扰［6］。

智能天线(smart antenna)是根据实际无线信道环境(包括干扰)变化实时自动地改变天线方向图从而使本身性能保持最佳的一种天线系统，一个智能天线可同时抑制来自不同方向的多个敌方干扰，使信干比提高几十dB。智能天线抗干扰的原理是:利用敌我信号在幅度、编码、频谱或空间方位的不同特征，通过信号处理器对各阵元进行自适应加权处理，自动控制和优化天线阵的方向图，使天线的增益在我方信号方向上保持最大，在干扰方向增益最小，实现空间滤波。主要由3部分组成:天线阵列、信号通道和自适应信号处理。天线阵列由按某种规律排列的单元天线(或称阵元)构成，阵元间隔应小于相干距离。信号通道则为每个阵元的空间感应信号提供物理通道，在信号通道中可进行放大、变频、A/D(D/A)转换等处理。自适应信号处理由波束形成网络和自适应算法构成，是智能天线的核心部分。智能天线在抗干扰方面的潜在优势表现在快速定位、快速跟踪，瞬时测频，较高的隐蔽性和保密性等方面，并且在电磁兼容要求方面，智能天线的应用亦能增加单位空间中可容纳的电子设备数量［7］。

用相控阵天线在空域进行波束合成来抑制强干扰也是保障卫星正常通信的一种关键技术，其运行时可根据战场形势的变化控制星上发射天线指向，使波束覆盖范围随用户运动作相应变化，还可恰当选择卫星天线波束形状来提高通信系统的抗干扰能力。其中一个重要的问题是如何在尽可能短的时间里估计出多个干扰方向然后进行调零。陶海红等人［8］提出了基于免疫遗传算法的自适应天线调零方法，在低SNR，快拍数少的情况下，对收敛速度和精度以及波束保形上做了很多改进。

2.2 扩频技术

扩频抗干扰技术已成为卫星通信中最基本的抗干扰技术［9］。扩频技术是一种信息传输方式，其信号用一个与其无关的码序列来扩展频谱，使其带宽远远超过传输所需要的最小带宽;在接收端用相同的码序列对其进行同步接收、解扩，以便使信号恢复到原始状态。扩频技术的优点有:安全保密，不干扰其他电信设备，抗干扰性能强，抗噪声能力强，不怕衰落，可频率复用等。扩频系统根据频谱扩展的不同方式可分为直接序列扩频(DS)方式和跳变频率(FH)方式。

直接序列扩频直接用具有高码率的扩频码序列在发送端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。直接序列扩频抗干扰技术由于提出较早，理论较成熟且易于实现，因此在卫星通信抗干扰系统中广泛采用，获得深入研究。早在1966年，美国的第1颗军事通信卫星DSCS I就使用了扩频多址技术。美军目前正在使用的Milstar、租赁卫星LEASAT和舰队通信卫星FLTSATCOM系统也采用了直接扩频和星上解扩技术。为克服直接序列扩频在强干扰情况下的低SNR，文献［10］提出了使用训练队列将输出信号进行盲处理的算法。

跳频通信是收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，即通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。从实现方式来说，“跳频”是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的通信系统。从时域上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号;从频域上来看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的信号。跳频控制器为核心部件，包括跳频图案产生、同步、自适应控制等功能;频合器在跳频控制器的控制下合成所需频率;数据终端对数据进行差错控制。跳频通信作为扩频通信的一种，因其良好的抗干扰性和保密性而广泛应用于军事通信中。对跳频系统的限制在于频率合成器的高速转换而无杂波产生，其一项重要参数是频率的跳变速率，它很大程度上决定了跳频通信系统抗跟踪式干扰的能力，因此跳频技术一直向更高的速率发展。由于卫星工作频带很宽，为了在不同的转发器内都能工作，通常要求地面设备必须覆盖500 MHz以上带宽，要在如此宽的频带内实现快速、精细的跳频，难度很大［11］。

2.3 星上处理技术

星上处理可以使上、下行链路之间去耦，减少或消除上行干扰对下行链路的干扰作用，同时设法避免转发器被推向饱和。星上处理技术包括有:星上信号解调再生、解跳/再跳、解扩/再扩、译码/编码、速率变换、多波束交换、智能自动增益控制(SMART AGC)，以及多址/复用方式转换(如上行CDMA或FDMA变换成TDMA)等等。在美军Milstar卫星系统中，上行采用FDMA和全频带跳频，下行采用TDMA和快速跳频。这样可充分利用行波管放大器的功率，功率的增加可减小用户端的天线尺寸，上行的功率不需要很大就可满足需要，从而降低了对地面站设备的要求。

2.4 自适应编码调制技术

自适应编码调制技术(ACM)是一种具有信道自适应特性、适用于卫星等使用无线信道通信的传输技术，它建立在信道估计的基础之上，通过回传信道将信道状态信息传送给发送端，使其根据不同的信噪比自适应地改变编码方式和调制方式。当信噪比较低时，使用较低的信息速率;当信噪比较大时，采用较高的信息速率，这样总体上使信道利用率比固定速率的系统得到提高，从而使系统高效可靠传输，整体性能达到最优。决定自适应编码调制系统性能的因素有自适应回路延时、链路状态估计算法和调制编码方案的粒度。与非自适应方案相比，自适应编码调制大约可以提供20 dB的功率增益［12］。选择具有更大功率效能、更高频带利用率的编码调制方案将进一步提升自适应编码调制系统的性能。目前比较典型的自适应编码调制技术包括自适应网格编码调制、Turbo码自适应编码调制技术、自适应比特交织编码调制技术等。

2.5 扩展频段技术

EHF(极高频)对应频段为30～300 GHz，相当于民用卫星的Ka频段，使用EHF能够有效减小天线尺寸，取得更高的数据传输率［13］，具有良好的抗干扰性能和较大的带宽，缺点是对雨等因素较敏感。对EHF的研究开始于20世纪70年代，经过几十年的努力，已经日趋成熟，进入实用阶段。美军正在发展的未来军用卫星通信系统先进极高频(AEHF)卫星系统用于取代Milstar系统，其容量是Milstar-2卫星的12倍，数据传输率比后者高10倍。法国于2006年8月发射的第2颗第3代军用通信卫星“锡拉库斯”3B也采用了扩展频段，在EHF和SHF波段上运行。英国1988年至2001年发射的天网1～4和2007年3月入轨的天网5A系列军用卫星，也使用了多种频段，具有抗核电磁脉冲(EMP)能力和反阻塞功能。

2.6 无线光通信技术

无线光通信(FSO)是以大气作为传输媒质来进行光信号传送的，只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，通信就可以进行。FSO是物理层传输设备，任何传输协议均可容易地叠加上去，对语音、数据、图像等业务可以实现透明传送。一个无线光通信系统包括3个基本部分:发射机、信道和接收机。在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工的通信。光发射机的光源受到电信号的调制，通过作为天线的光学望远镜，将光信号通过大气信道传送到接收机望远镜;在接收机中，望远镜收集接收光信号并将它聚焦在光电检测器中，光电检测器将光信号转换成电信号。FSO具有的优点有:频带宽，速率高;频谱资源丰富，多采用红外光传输，系统的工作频段在300 GHz以上，该频段的应用在全球不受管制;协议透明;架设灵活便捷;安全保密性强，与电波之间不存在干扰问题;成本低［14］。除美国之外，欧洲ESA、日本等国也在大力研究光通信技术，激光空间链路技术正向长波长、大容量、远距离、低功耗、小型化、一体化以及星间组网的方向发展。

2.7 限幅技术

限幅技术是目前星上广泛采用的一种抗干扰措施，作用是避免转发器中的功率放大器被上行干扰推向饱和。理想的限幅器，应该具有这样的限幅特性:在输入高功率信号时具有很高的信号衰减，即隔离度(isolation)高;在低的输入信号功率时只有一个很小的插入损耗(insertion loss)。限幅分为软限幅和硬限幅。硬限幅转发器完全工作在非线性状态，大信号压缩小信号，连续波干扰引起的压缩比最为严重。PIN限幅器是保护后面灵敏接收机电路不被自身发射脉冲泄漏功率和其他靠近的大功率微波信号烧毁的重要器件，目前发展最快也极具应用前景的微波功率器件材料是碳化硅第3代宽带隙半导体材料，碳化硅的击穿电场强度是硅的8倍，热导率性能是硅的3倍，电子饱和漂移速度是硅的2倍，这些优点有利于提高器件的抗辐射性能，热稳定性以及工作频率，文献［15］对其进行了仿真验证。软限幅转发器工作在线性区和限幅区2个区域，压缩比不仅同干信比和干扰类型有关，还跟限幅门限有关。在限幅过程中由于非线性的作用，会产生强信号抑制小信号，使信噪比下降，最大可达6 dB，相对而言，软限幅较硬限幅有大约4 dB的性能改善。

3 卫星通信抗干扰技术的发展趋势

本文提到的无线通信系统中，自适应编码调制技术只是在时域、频域内动态调整各种传输参数以适应信道的变化。由于经不同发射天线发送的信号所经历的信道衰落情况也各不相同，这为自适应调制编码算法与多天线系统的结合提供了可能。因此，在最新的技术中，自适应编码调制技术扩展到空域，与多天线分集技术结合。FSO目前存在的难点问题主要集中在大气信道中粒子对光线的散射与吸收，收发端对准，激光的安全性，传输速率，传输距离与信号质量的矛盾等方面，这些问题影响了传输的可靠性，对这些问题的研究成为FSO的发展方向。混合扩频技术和自适应扩频技术的研究，如借助混沌序列和密码序列设计原理，寻找性能更佳的跳扩频码，并结合自适应技术，设计相应的同步算法等，是扩频技术中值得进一步研究的问题。

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