卫星通信抗干扰技术的发展趋势

滨江学院

卫星通信

题目卫星通信抗干扰技术的发展趋势

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二Ｏ一 4 年 6 月9 日

卫星通信抗干扰技术的发展趋势

摘要：列出卫星通信系统可能遭受的各种干扰的类型, 研究已提出的各种抗干扰处理方法包括天线、扩频和星上处理等方法的原理、特点和国外的研究现状。指出研究基于星上信号处理、便于综合运用多种抗干扰处理措施的卫星通信系统新体制是卫星通信抗干扰技术研究的发展方向, 提出今后值得进一步研究的问题。

关键词：军事卫星通信; 抗干扰; 扩频; 星上处理

1 引言

卫星通信系统由于具有覆盖范围广、传输质量好、部署迅速、组网方便、通信系统投资几乎与通信距离无关、通信可到达地点几乎不受地理环境条件限制等特点, 在军事上具有特别重要的实用价值。军事卫星通信系统负责为战时基本需求提供保密、抗干扰的指挥与通信保障, 具有一定的抗干扰能力是其基本要求。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, 具有很重要的意义。本文针对军事通信中的战术干扰, 列出卫星通信系统可能遭受的各种干扰的类型, 研究已提出的各种抗干扰处理方法原理、特点和国外的研究现状。最后对卫星通信抗干扰技术研究的发展方向和今后值得进一步研究的问题进行论述。

2 卫星通信系统可能遭受的干扰

对卫星通信而言, 其上行链路可能遭受的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, 而干扰卫星和机载式、飞航式、伞挂式干扰机则可对下行链路进行干扰。干扰下行链路时, 干扰源对于卫星转发器, 虽然在功率和距离方面容易取得较大的优势, 但是在覆盖面和信号辐射方向上通常都处于明显的劣势。即使采用机载干扰机在10 km 以上的高空施放强干扰, 其影响面也只能达一百多公里的半径, 更远距离的地面站容易采用旁瓣遮挡技术排除其干扰, 况且地面站容易采用综合抗干扰措施排除各种类型的干扰。因此, 相对而言,卫星通信的上行链路比较脆弱, 是敌方干扰的重点, 这样上行链路抗干扰的研究更为重要。无线通信系统中的干扰有很多, 按照不同的分类依据,可以有很多分类方法。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; 按频谱形式可分为瞄准式干扰, 阻塞式干扰, 部分频带式干扰和扫频式干扰; 按发射的控制方式可分为人工干扰和自动干扰等。目前, 国外有源电子干扰技术的干扰频率范围已达到0.5 GHz~ 20 GHz, 干扰功率达上百千瓦, 脉冲峰值功率可达1000000W级以上, 可同时产生多种类型的干扰。各种类型的干扰, 特性相差很大, 对通信信号造成的影响很不相同。因此, 为了确保通信能正常进行, 必须综合地采用多种抗干扰处理措施来进行对抗, 从降低干扰压制比和提高系统干扰容限两个方面来增强通信系统的顽存能力。

3 目前卫星通信中常用的抗干扰技术

抗干扰的基本目的是通过对信息、信息的载体及传播方式进行特定的处理, 提高通信接收端的输出信干比, 使其具备较强的区分有用信号和干扰的能力, 从而正确地接收所需的信号。卫星通信中常用的抗干扰技术有: 抗干扰天线技术、扩展频谱技术、编码调制技术、星上处理技术、限幅和线性化技术等。

3. 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,使卫星接收天线能在最大限度的接收我方信号的同时零化 方干扰。因此, 天线抗干扰技术是卫星通信中最常用的抗干扰措施, 具体包括多波束天线、自适

应调零天线和智能天线技术。多波束天线( MBA) 可根据战场形势的变化控制星上发射天线指向, 使其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[ 1], 对其的研究已有二十多年的历史, 多波束天线主要有3 种基本类型: 反射式MBA、透射式M BA 和直接辐射相控阵MBA。其中, 反射式MBA 和透射式M BA 结构简单、设计技术比较成熟, 因而最先得到广泛应用。相比前两者, 相控阵MBA 具有一系列的优点,

如较高的口面效率, 无泄漏损失、可靠性高等, 但同时也具有结构和制造工艺复杂、功率损

耗高等缺点。自适应调零天线利用敌我双方信号在幅度、频率和空间方位的不同, 通过对天

线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, 在干扰源方向上产生深度

调零, 使信号受到的干扰最少, 调零深度一般可达25 dB~30 dB。它能有效抑制宽带干扰、窄带干扰、同频干扰和邻道干扰等不同形式的干扰。自适应天线传统采用的是最小均方( LMS) 算法及其改进算法, 近年来又出现了MU SIC、M INI- NORMAL、径向基函数( RBF) 神经网络

等新算法,理论上, 调零分辨度可以提高1~ 2 个数量级。在实际应用中, 直接矩阵求逆( DM I) 和递归最小二乘( RLS) 算法均可以在干扰抑制性能方面和收敛速度方面实现很好的兼顾,因

此更适用于通信卫星的天线自适应调零系统[ 2] 。星载智能天线是一种安装在卫星上的能在信号入口处抑制干扰的新型天线。智能天线是吸取了自适应天线的抗干扰原理, 依靠阵列信

号处理和数字波束形成技术发展起来的。其基本思想是天线阵能够同时产生多个子波束( 点

波束) 来覆盖地面上所关心的区域, 并且每个子波束都能依据一定的准则自动地调整指向和

零点, 从而处于最佳工作状态。构成星载智能天线的天线阵, 通常为多波束天线。__从国外

天线卫星的现状来看, 直接辐射式相控阵天线已经开始应用于中、低轨道的移动卫星通信系

统中, 而对于工作在SHF( 超高频) 和EHF( 极高频) 频段且处于静止轨道的军用卫星通信系

统来说, 直接辐射式相控阵天线所需的天线单元和高频通道数目要比反射式和透射式天线多

的多,所以反射式和透射式MBA 为最佳选择。卫星和地球站采用抗干扰天线技术, 可以有效抑制敌方干扰, 地面微波干扰等。这种方法已获得广泛应用。美国的第三代国防卫星通信系统 星DSCS- 星上装载了两副19 波束天线阵用于下行发送, 一副61 波束天线阵用于

接收。星上的探测器能测出各种人为干扰企图, 并告知地面控制站, 待地面测定干扰机的地

理位置后, 指示卫星利用其可控多波束天线的方向控制能力, 避开人为干扰。军事星M

ilstar 2 有8 副可控点波束天线, 两副调零点波束(NSB) 天线( 能针对上行链路干扰自动

调零) , 还有6 副分布式用户覆盖天线( DUCA) 。加拿大国防部曾资助研制一个能实现宽角

覆盖的军用卫星通信系统[3] , 该系统工作频率为45 GHz, 多波束天线采用单口面反射式MBA, 能产生70个点波束, 覆盖俯仰角为8 地面圆形区域, 每个点波束中心峰值增益达到438 dBic( 圆极化增益单位) , 半功率宽度为0。95, 旁瓣电平小于- 30 dB, 交叉极化好于- 26 dB。

3. 2 扩展频谱抗干扰技术

对无线通信来说, 扩频技术和天线阵列技术相结合, 就可以基本上满足抗干扰的要求。但对

卫星通信来说, 扩频技术在抗干扰中更加重要, 因其跟用户和干扰的相对位置无关, 更具有

顽健性。扩频抗干扰技术已成为卫星通信中最基本的抗干扰技术[ 4] , 它包括直接序列扩频和跳频两种基本技术及其组合。采用直接序列扩频, 接收端解扩后有用信号变成了窄带信号, 而原来频带较窄的干扰却被展宽为宽带信号, 以至于大部分能量被窄带滤波器滤除, 从而有

效地提高信干比。直接序列扩频(DS) 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初级系统中广泛采用。早在1966 年, 美国的第一颗军事通信卫星DSCS 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FLTSAT COM 系统也采用了直接扩频和星上解扩技术。近年来利用混沌理论产生直接序列扩频码已取得了许多成果, 为超宽带DS 扩谱的实现创造了条件[ 5] 。目前采用CMOS 产生PN 码

_______的最大码片速率可达70 Mchip/ s, 而采用砷化钾FET 器件, 则可高达2 Gchip/s, 然