卫星通信对抗方法及其数学模型
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L = 92. 45 + 201 +201 i,u gR,j gf. (dB)
L,,u = 92. 45 + 201 + 201 gR,, 纸 (dB)
( 19)
(20)
气,u,LA 为 行 } 上 链路干 率与 号功 大 损 ,。 扰功 信 率的 气 耗(dB) ， 者可近 认为 两 似 相等; 几为由 抖 指向 度 于 动和 精 误差造 指向 耗(dB) , 成的 损 (19) , (20) 式中， R,;,R,， 通 卫星 干 机和 终端 射机 为 信 与 扰 地面 发 之间的 距离， 按下 计 可 式 算:
在卫星通信系统中， 所有地面站发出的信号都是经过卫星转发到对方地面站的。两个地面站要能通 过卫星进行通信， 必须满足以下2 个条件: ( 1) 地面站在静止卫星的可通信区域内。 从静止卫星引向地球的切线所包围的区域称为静止卫星的
覆盖区， 即地面站天线仰角a. = 00时正好能观察到卫星的边缘线所包围的地面区域。 由于地形、 地物及地面噪声的影响， 天线仰角a, = W时是不能进行有效通信的。 实践表明， ae ) 5' 在a。 时， 才能有效地减小大气吸收和雨、 雾产生的衰耗及地面噪声的影响， 在地面站与静止卫星间进行有效通 信。 因此， 称为天线最低仰角 Om 把天线最低仰角的边缘线所包围的地面区域称为静止卫星的可通 把5。 in，
了 ‘ ‘ 、
O 、 ， 产了
式中，
Sd d〕Pd in (W) m Sd = EIRP, + G, 一 ,,‘ L ,d (dB d d L 一l W)
( 10 ) ( 11)
其中，* 为侦察设备接收天线在通信卫星方向 ‘ 上的 增益( dB) ;
L,,d为 行信 路 下 号 径损耗， 用自 空间 播 可 由 传 损耗公 进 计算: 式 行
。 收稿时间:2001 一 一 04 09
曹志耀等:卫星通信对抗方法及其数学模型
脉冲干扰— 核爆炸， 使人造卫星的通信系统失效;另一种是用反卫星武器系统， 拦截卫星、 即 拦截导弹和 激光高能武器， 直接摧毁通信卫星。
破坏卫星通信的另一种手段是对敌指挥、 预警和情报传递等卫星链路进行干扰， 使敌指挥失灵， 情报 不能正确传递。对卫星通信的有意干扰可分为对上行线路的干扰、 对下行线路的干扰、 对转发器的干扰和
R
、 、 J 少
Ad = arccos[sin8,sinO C S ,C S d C S(O， - ] d+ OO OB O 一 pd)
其中,y 为 通信卫星的 覆球波束宽度(rad) ; 劝 为 察 备的 度( 一 ‘Odl 7 和 度( 一 2 , ed-- ir/ 2) 。 dIe‘ 侦 设 经 r 7 < r) 纬 ,r/ (3) 侦察设备接收到的 下行信号功率Sd d应不低于侦察机的 灵敏度Pd in， 满足能量条件: m 即
收机的灵敏度。 以下行链路为例， 设地面接收站的灵敏度为Prm 则上述能量条件可表述为 in， Srd ) Prm ( W in )
(3)
式中，d可根据卫星 Sr 通信的 线路方程计算: Srd = EIRP, + G 一 一 s.d (dBW) 。 Ls,d LA
其中， EIRP: 为卫星发射系统的有效全向辐射功率( dBW) ; G。 为地面站接收天线在通信卫星方向上的增益( dB) ;
(3) 低高度轨道。卫星高度在 1500km 以下， 必须有40 颗以上这种卫星才能覆盖全球。
后两种轨道对地面固定点是相对运动的， 故又称运动轨道。它因离地面距离近， 传输损耗小， 故适用 于小型移动地面终端的通信， 今后会有更多的应用。 在一个卫星通信系统中， 各地球站中已调载波的发射或接收通路， 经过卫星转发器可以组成很多条单 跳或双跳的卫星通信线路。单跳工作， 即只经一次卫星转发后就被对方接收。双跳工作， 即发送的信号要 经两次卫星转发器才被对方接收。整个系统就是利用这些线路来实现的。在通信线路中， 由地球站到卫
R= = (Re + h,) / 1 i
R,: 二( R, + h, ) / 1
(R,h/-Recsjcsf ,+, 一+,o o j R)z e h e o 2R (R+,l’R,cs,cs e,hl一+ o o R Re o o ,h
对地面网络的干扰。干扰设备可置于地面， 定式、 如固 车载式或舰载式干扰站;也可置于空中， 如机载、 气
球运载的干扰站;还可置于太空， 如星载干扰站。 限于篇幅， 本文主要研究对静止卫星上行线路和下行线路通信的侦收和干扰， 给出相应的数学模型， 并进行卫星通信对抗的战术可行性分析。
2
卫星通信畅通的条件
由此可见， 地面站是否在静止卫星的可通信区域内可用下式是否成立来判定: 信区。
ae - "m rad) in( 当地面站天线对准卫星时， 其仰角a， 可按下式计算:
a , = a rc tg
( 1)
( rad )
(2 )
为地球半径， 取为6378km; 式中,R。
h， 为卫星离地面高度;
小 = 中一 。 s e 。 中; 币1e。 地面 经 一T'- O 二 和 , 为 站的 度( 7 e ) 纬度( 一T 2 - B < 7 2) ; 7/ e r/ 币 为卫星的星 ， 下点的 经度( 一 < 中 感二 ， 二l 。 ) 静止卫星星下点的纬度。为0o ， (2) 卫星转发器接收到的 上行信号功率S,。 地面接收站接收到的 和 下行信号功率凡 均不低于相应接
L,,d = 92. 45 + 201 gR,d + 201 gfd ( dB) 式中， 为通信卫星与侦察设备之间的距离( km) ， R、 可按下式计算:
R,d = ( Re + h, ) / 1
+ I —
了 曰 . 仁 、 1
勺、 ， ‘，
声
i
R.
十h
、 R
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(1 5)
(3) 通信卫星接收到的干扰功率和信号功率之比大于等于卫星能有效工作的最大干信比即临界干信
曹志耀等:卫星通信对抗方法及其数学模型
比 S)最 ， 满足: (J/ 大亦即
(J/ S)u实 Is 一 u ) (J/ S)最 (dB) ， 际= “ Sa 大
式中 Js。 为通信卫星接收到的干扰功率， 可根据卫星通信的线路方程计算:
( 16) (17) ( 18)
J = EIRPj + ‘ 一 iu 一 A 一 (dB) 、 L Li,“ Lp
S,“ 为通信卫星接收到的 信号功率， 可根据卫星通信的 线路方程计算:
. 7 S
= EIRP, + G 一 一 一 (dB) ,‘ L,。 La,,“ Lp
其中， ,EIRP， 干 机 地 终 发 机的 效 辐 功 EIR只 为 扰 和 面 端 射 有 全向 射 率(dBW) ; G ,‘ 卫 接收 线 扰 和 发 方向 增益(dB) ; ,j,G 为 星 天 在干 方向 地面 射机 上的 石 ,uIL,,“ 上 链路 扰信 通 信 传输 耗(dB) ， 用自 空间 损 为 行 干 号和 信 号的 损 可 由 传播 耗公式 行计 进 算:
2 . 口 . 、 1
八、 」、 刀
了 少
其中，a 二中 一 ‘ W d ， 中。
3. 2 对上行信号干扰模型 通信对抗干扰设备要能对上行信号实施有效干扰， 必须满足以下条件:
(1) 上 信 工 频 行 号 作 率F (G 在 扰 备 可 扰 率 围 in沂 ] 之内 Hz) 干 设 的 干 频 范 [./;m ~ 。
《 军事运筹与系统工程》 2001 年第 3 期
理论与方法
一 ‘ 一 ，. _ 二 t t ‘， 一 一- J 二 . ， ， 皿 . . . VJ J 一 一 。 带 .
卫 星 通 1言对 抗 万 法 及 其 数 字 模 型
曹志耀 丁鱿 顾有林
( 电子工程学院103 室 230037 ) 摘 要: 阐述了卫星通信的优缺点及其在现代战争中的应用， 给出了卫星通信畅通的条件， 建立了对 卫星上行、 下行线路侦收、 干扰的数学模型， 并论述了对抗卫星通信的可行性以及对抗的方法。 关键词:通信卫星 通信对抗侦察 通信干扰
(4)
几， 下 号大 耗(dB) ; ，为 行信 气损 ‘ L,,d为 行信 路径 下 号 损耗， 用自 空 传 耗公 进 计算: 可 由 间 播损 式 行
L,,d = 92. 45 +201 , +201 (dB) gR, gfd
式中关 为下行信号工作频率( GHz) ; Rs, 为通信卫星与地面站之间的距离( km) ， 可按下式计算:
星转发器的电波传播路径称为上行线路( 或称上行链) ; 由 转发器到地球站的电波传播路径称为下行线路
( 也称下行链) 。 卫星通信具有通信距离远， 覆盖范围广， 工作频带宽， 通信容量大， 机动灵活， 开设迅速， 信道稳定， 通 信质量高， 以广播方式工作， 便于实现多址联接等优点。它能适应大纵深、 全方位、 高机动、 立体化和战场 信息密集等作战特点， 为诸军兵种联合作战提供可靠的通信保障; 因而发展迅速， 已成为各国国防通信系 统的重要组成部分， 在现代战争中起着关键性的作用。但卫星通信也存在一个重大的弱点， 那就是通信卫 星公开暴露在空间轨道上， 并以广播方式通信。所以卫星通信信号易受对方的截获、 干扰， 甚至会受到敌 方的攻击和摧毁。 破坏卫星通信的最有效手段是摧毁通信卫星。其 法主要有两种:一种是对卫星进行摧毁性的电磁
1
引
言
卫星通信是利用人造地球卫星作中继站转发无线电信号， 在两个或多个地面站之间进行的通信。一 个完整的卫星通信系统由通信卫星、 地球站、 测控系统和监测管理系统组成。通信卫星是卫星通信系统最 重要的组成部分， 而通信卫星采用的轨道形式又直接决定了整个系统的性质。如果按在地面上的高度来 分， 可将通信卫星分为以下三类: ( 1)静止轨道。卫星处在离地面36000km 的赤道轨道中， 这时卫星相对于地面固定点是静止不动的。 利用这种相对静止的特点可以使卫星通信系统得以简化， 覆盖全球需 3 一 颗卫星， 4 它是迄今为止应用最 多的一种通信卫星轨道。 (2) 中高度轨道。卫星高度在 10000 一 15000km 内， 覆盖全球需 10 一 巧颗卫星。
风 < ,8/ 2 了 r 、 、
、 ， J 产
式中1 为卫星覆球区的 8 1 地心角， 可按下式计算:
_ _ . rR_ + h_
p“ zarcsinl--- e ’ 言 kraa L sin J-y R
6 为通信卫星和侦察设备在地球表面上投影间的 1、 地心角， 可按下式计算:
、1
了 r 、 、
(5)
《 军事运筹与系统工程》 2001 年第3 期 ， 、/。 I R_ 12_ Re
(6)
找 =l“+“寸 十兀 兀 忆 丁 CS,CS ! 一 !’‘ ( 丁 ) 兀 瓦Of O I 中
其中， 二0。 0, ;0, ,0。 0s， 一 为地面接收站的经纬度。
3
对卫星上行线路的干扰
由于卫星通信是采用转发器进行通信的一种特殊通信方式， 故只要将干扰信号通过卫星的转发器插 人到卫星信号的传输链路中， 就能达到瘫痪卫星通信系统的目的。 干扰上行线路， 要先侦收下行的特征参数， 进行分析计算。 然后， 干扰站对卫星跟踪瞄准， 向卫星发射 强干扰信号， 以破坏卫星转发器接收机， 使之不能正常工作。 3. 1 对下行信号侦收模型 通信对抗侦察设备要能对下行信号实施侦收， 必须满足以下条件: ( 1) 下行信号工作频率fd(GHz) 在侦察设备的可侦察频率范围1 d inx m 之内。 J r /d a a xJ (2) 侦察设备位于通信卫星的覆球区内， 即满足位置条件: 7
(2) 干扰设备位于通信卫星的覆球区内， 即满足位置条件: 月 < 8/ 2 ,i .
( 14)
式中 民为 信 星 干 设 在 球 面 投 间的 心 可 下 计 ， 通 卫 和 扰 备 地 表 上 影 地 角， 按 式 算:
,( ,; = arccos[sin8,sin8 +cos8,coso Cs(O 一;)] (T 3 ; j O : O ad) 其 ，、为 扰 备 经 ( 一 ‘鸣‘二 和 度 一T 〔e; ‘二2)。 中电B 干 设 的 度 二 ; ) 纬 ( 7/2 /
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(20)
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在卫星通信系统中， 所有地面站发出的信号都是经过卫星转发到对方地面站的。两个地面站要能通 过卫星进行通信， 必须满足以下2 个条件: ( 1) 地面站在静止卫星的可通信区域内。 从静止卫星引向地球的切线所包围的区域称为静止卫星的
覆盖区， 即地面站天线仰角a. = 00时正好能观察到卫星的边缘线所包围的地面区域。 由于地形、 地物及地面噪声的影响， 天线仰角a, = W时是不能进行有效通信的。 实践表明， ae ) 5' 在a。 时， 才能有效地减小大气吸收和雨、 雾产生的衰耗及地面噪声的影响， 在地面站与静止卫星间进行有效通 信。 因此， 称为天线最低仰角 Om 把天线最低仰角的边缘线所包围的地面区域称为静止卫星的可通 把5。 in，
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其中，* 为侦察设备接收天线在通信卫星方向 ‘ 上的 增益( dB) ;
L,,d为 行信 路 下 号 径损耗， 用自 空间 播 可 由 传 损耗公 进 计算: 式 行
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曹志耀等:卫星通信对抗方法及其数学模型
脉冲干扰— 核爆炸， 使人造卫星的通信系统失效;另一种是用反卫星武器系统， 拦截卫星、 即 拦截导弹和 激光高能武器， 直接摧毁通信卫星。
破坏卫星通信的另一种手段是对敌指挥、 预警和情报传递等卫星链路进行干扰， 使敌指挥失灵， 情报 不能正确传递。对卫星通信的有意干扰可分为对上行线路的干扰、 对下行线路的干扰、 对转发器的干扰和
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其中,y 为 通信卫星的 覆球波束宽度(rad) ; 劝 为 察 备的 度( 一 ‘Odl 7 和 度( 一 2 , ed-- ir/ 2) 。 dIe‘ 侦 设 经 r 7 < r) 纬 ,r/ (3) 侦察设备接收到的 下行信号功率Sd d应不低于侦察机的 灵敏度Pd in， 满足能量条件: m 即
收机的灵敏度。 以下行链路为例， 设地面接收站的灵敏度为Prm 则上述能量条件可表述为 in， Srd ) Prm ( W in )
(3)
式中，d可根据卫星 Sr 通信的 线路方程计算: Srd = EIRP, + G 一 一 s.d (dBW) 。 Ls,d LA
其中， EIRP: 为卫星发射系统的有效全向辐射功率( dBW) ; G。 为地面站接收天线在通信卫星方向上的增益( dB) ;
(3) 低高度轨道。卫星高度在 1500km 以下， 必须有40 颗以上这种卫星才能覆盖全球。
后两种轨道对地面固定点是相对运动的， 故又称运动轨道。它因离地面距离近， 传输损耗小， 故适用 于小型移动地面终端的通信， 今后会有更多的应用。 在一个卫星通信系统中， 各地球站中已调载波的发射或接收通路， 经过卫星转发器可以组成很多条单 跳或双跳的卫星通信线路。单跳工作， 即只经一次卫星转发后就被对方接收。双跳工作， 即发送的信号要 经两次卫星转发器才被对方接收。整个系统就是利用这些线路来实现的。在通信线路中， 由地球站到卫
R= = (Re + h,) / 1 i
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球运载的干扰站;还可置于太空， 如星载干扰站。 限于篇幅， 本文主要研究对静止卫星上行线路和下行线路通信的侦收和干扰， 给出相应的数学模型， 并进行卫星通信对抗的战术可行性分析。
2
卫星通信畅通的条件
由此可见， 地面站是否在静止卫星的可通信区域内可用下式是否成立来判定: 信区。
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(2 )
为地球半径， 取为6378km; 式中,R。
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L,,d = 92. 45 + 201 gR,d + 201 gfd ( dB) 式中， 为通信卫星与侦察设备之间的距离( km) ， R、 可按下式计算:
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(3) 通信卫星接收到的干扰功率和信号功率之比大于等于卫星能有效工作的最大干信比即临界干信
曹志耀等:卫星通信对抗方法及其数学模型
比 S)最 ， 满足: (J/ 大亦即
(J/ S)u实 Is 一 u ) (J/ S)最 (dB) ， 际= “ Sa 大
式中 Js。 为通信卫星接收到的干扰功率， 可根据卫星通信的线路方程计算:
( 16) (17) ( 18)
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3. 2 对上行信号干扰模型 通信对抗干扰设备要能对上行信号实施有效干扰， 必须满足以下条件:
(1) 上 信 工 频 行 号 作 率F (G 在 扰 备 可 扰 率 围 in沂 ] 之内 Hz) 干 设 的 干 频 范 [./;m ~ 。
《 军事运筹与系统工程》 2001 年第 3 期
理论与方法
一 ‘ 一 ，. _ 二 t t ‘， 一 一- J 二 . ， ， 皿 . . . VJ J 一 一 。 带 .
卫 星 通 1言对 抗 万 法 及 其 数 字 模 型
曹志耀 丁鱿 顾有林
( 电子工程学院103 室 230037 ) 摘 要: 阐述了卫星通信的优缺点及其在现代战争中的应用， 给出了卫星通信畅通的条件， 建立了对 卫星上行、 下行线路侦收、 干扰的数学模型， 并论述了对抗卫星通信的可行性以及对抗的方法。 关键词:通信卫星 通信对抗侦察 通信干扰
(4)
几， 下 号大 耗(dB) ; ，为 行信 气损 ‘ L,,d为 行信 路径 下 号 损耗， 用自 空 传 耗公 进 计算: 可 由 间 播损 式 行
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星转发器的电波传播路径称为上行线路( 或称上行链) ; 由 转发器到地球站的电波传播路径称为下行线路
( 也称下行链) 。 卫星通信具有通信距离远， 覆盖范围广， 工作频带宽， 通信容量大， 机动灵活， 开设迅速， 信道稳定， 通 信质量高， 以广播方式工作， 便于实现多址联接等优点。它能适应大纵深、 全方位、 高机动、 立体化和战场 信息密集等作战特点， 为诸军兵种联合作战提供可靠的通信保障; 因而发展迅速， 已成为各国国防通信系 统的重要组成部分， 在现代战争中起着关键性的作用。但卫星通信也存在一个重大的弱点， 那就是通信卫 星公开暴露在空间轨道上， 并以广播方式通信。所以卫星通信信号易受对方的截获、 干扰， 甚至会受到敌 方的攻击和摧毁。 破坏卫星通信的最有效手段是摧毁通信卫星。其 法主要有两种:一种是对卫星进行摧毁性的电磁
1
引
言
卫星通信是利用人造地球卫星作中继站转发无线电信号， 在两个或多个地面站之间进行的通信。一 个完整的卫星通信系统由通信卫星、 地球站、 测控系统和监测管理系统组成。通信卫星是卫星通信系统最 重要的组成部分， 而通信卫星采用的轨道形式又直接决定了整个系统的性质。如果按在地面上的高度来 分， 可将通信卫星分为以下三类: ( 1)静止轨道。卫星处在离地面36000km 的赤道轨道中， 这时卫星相对于地面固定点是静止不动的。 利用这种相对静止的特点可以使卫星通信系统得以简化， 覆盖全球需 3 一 颗卫星， 4 它是迄今为止应用最 多的一种通信卫星轨道。 (2) 中高度轨道。卫星高度在 10000 一 15000km 内， 覆盖全球需 10 一 巧颗卫星。
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其中， 二0。 0, ;0, ,0。 0s， 一 为地面接收站的经纬度。
3
对卫星上行线路的干扰
由于卫星通信是采用转发器进行通信的一种特殊通信方式， 故只要将干扰信号通过卫星的转发器插 人到卫星信号的传输链路中， 就能达到瘫痪卫星通信系统的目的。 干扰上行线路， 要先侦收下行的特征参数， 进行分析计算。 然后， 干扰站对卫星跟踪瞄准， 向卫星发射 强干扰信号， 以破坏卫星转发器接收机， 使之不能正常工作。 3. 1 对下行信号侦收模型 通信对抗侦察设备要能对下行信号实施侦收， 必须满足以下条件: ( 1) 下行信号工作频率fd(GHz) 在侦察设备的可侦察频率范围1 d inx m 之内。 J r /d a a xJ (2) 侦察设备位于通信卫星的覆球区内， 即满足位置条件: 7
(2) 干扰设备位于通信卫星的覆球区内， 即满足位置条件: 月 < 8/ 2 ,i .
( 14)
式中 民为 信 星 干 设 在 球 面 投 间的 心 可 下 计 ， 通 卫 和 扰 备 地 表 上 影 地 角， 按 式 算:
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