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学生姓名张洁学号20082334019院系滨江学院专业通信工程二Ｏ一一年六月二十日卫星通信抗干扰技术的发展趋势姓名：张洁学校：南京信息工程大学摘要：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10km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0.5GHz--20GHz。干扰功率达上百千瓦，，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”敌方干扰。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，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MBA和直接辐射相控阵MBA。其中，反射式MBA和透射式MBA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25dB～30dB。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MUSIC、MINI—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(DMI)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。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。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”卫星DSCS一Ⅲ的星上装载了两副19波束天线阵用于下行发送，一副6l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Milstar-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，该系统工作频率为45GHz，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。的地面圆形区域，每个点波束中心峰值增益达到43．8dBic(圆极化增益单位)，半功率宽度为0．95。，旁瓣电平小于一30dB，交叉极化好于一26dB。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，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。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。并且它无法对抗宽带阻塞式干扰。跳频(FH)采用多个载波频率并在这些频率间随机跳变，由于载频切换需要时间，故又工作在突发传输状态，所以具有很强的抗干扰能力。对扩频带宽较宽的情况，跳频比直接序列扩频更为实用。美军目前正在使用的Milstar2的跳频范围达2GHz带宽。在美国等西方国家提出的新一代军用卫星通信的两个方案——“弯管卫星／中心主站系统”和“多用户透明——跳频解跳系统”中均采用了跳频技术，跳频速率为4000跳／s。跳频系统的重要参数是扩频增益和跳频速率，跳频范围越宽，抗宽带阻塞式干扰能力越强；跳频速率越高，抗跟踪式干扰能力越强。目前我国对中速跳频技术已基本掌握，对快速跳频还在跟踪研究。目前对DS／FH信号电子对抗手段还不成熟，所以DS外H抗干扰技术是目前研究较多的扩频抗干扰技术。但在具体设计DS／FH混合扩频系统时，需要考虑跳频频点数的选择、跳频速率的选择、直扩/跳频处理增益的折衷、混合扩频同步等技术问题。目前，DS／FH系统的跳速多为(500～1000)跳／S。采用两维甚至三维的混合扩频技术体制是国外抗干扰通信发展的一个趋势，美国的Milstar和FLTSATCOM就采用了跳/值扩混合体制。扩频技术和自适应技术相结合，能够更灵活地对抗敌方干扰。具体包括自适应地改变扩频码长，跳频频率图案和跳频速率等。一般地说，扩频码长可以在0～4095自适应地变化。但实现上有相当大的难度，有待于进一步的研究。3.3编码调制技术适用于卫星通信系统差错控制的主要方式是前向纠错(FEC)，可供选用的FEC码主要有卷积码—Viterbi译码、自正交卷积码门限译码、BCH码、R—S码、卷积码序列译码和级联码。干扰条件下，常采用级联编码技术，级联码由两种简单码级联构成，它与单一码相比更易获得高的编码增益，随着数字卫星通信的发展，级联码将获广泛应用。适用于卫星通信的调制方式为恒包络调制方式，包括各种PSK技术，如QPSK、、DQPSK等，以及各种连续相位调制(CPM)方式，如MSK、GMSK等。另外还有格状编码调制技术(TCM)。在跳频信号中，可选用MFSK和DPSK等调制方式。选用合适的编码调制方式可以提高系统的性能，从而提高其干扰容限。如采用8PSK与TCM编码相结合传输的新国际标准，与相干解调QPSK相比的误码特性要好5dB。3.4星上处理技术从抗干扰的角度来说，透明转发器是卫星通信系统最脆弱的环节，它很容易被敌方的强干扰推向饱和甚至摧毁，因此采用星上处理技术十分必要。星上处理可以使上、下行链路之间去耦，使上行干扰不能再对下行链路产生作用，同时设法避免转发器被推向饱和。随着电子对抗的不断升级，星上处理技术不仅已成为卫星通信抗干扰的主要技术，也是通信卫星未来生存和发展的要求，美国的先进通信技术卫星(ACTS)、DSCS一Ⅲ卫星、Milstar和“铱”卫星都采用了星上处理技术。前面提过的“弯管卫星／中心主站系统”和“多用户透明——解跳军用卫星通信系统”，星上均有解跳／再跳的处理装置。星上首先进行解跳解调，再跳频调制后向下发送，则星上不需限幅器，不存在小信号抑制问题，与透明转发器相比，再生式转发器的抗干扰性能随扩频增益线性增加，不存在饱和效应。Milstar上行采用FDMA，下行采用TDM。这样就可充分利用行波管放大器的功率，功率的增加可减小下行用户端的天线尺寸。同时因为采用星上处理，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。3.5限幅和线性化技术限幅技术是目前星上广泛采用的一种抗干扰措施，美军的军用通信卫星上基本都有限幅控制。其作用是避免转发器中的功率放大器被上行干扰推向饱和，分为软限幅和硬限辐。硬限幅转发器完全工作在非线性状态，大信号压缩小信号，压缩比跟输入的信干比有关和干扰类型也有关，连续波干扰引起的压缩比最为严重。软限幅转发器工作在两个区域，即线性区和限幅区。因此，软限幅的压缩比不仅同干信比和干扰类型有关，还跟限幅门限有关。相对而言，软限幅较硬限幅有大约4dB的性能改善。限幅加窄带滤波可以有效抵消脉冲干扰，同时还可抑制高斯白噪声干扰。当输入干信比为40dB时，软限幅器抗脉冲调幅干扰效果最佳(改善31．48dB)，抗双频干扰效果最差(改善22．49dB)。但是透明转发器在干扰条件下限幅转发器工作于饱和区，从而产生功率“掠夺”效应，降低了扩频信号的抗干扰能力，使其远达不到理论上的干扰容限，这时可采用转发器线性化技术来提高功率的线性范围，从而提高通信卫星的抗干扰能力。3.6其它抗干扰处理方法干扰抵消技术一般与扩频技术相结合，置于解扩处理之前，用于削弱强干扰，使信干比降低到解扩门限以下，以便解扩能够正常发挥作用，具体包括时域自适应滤波干扰抑制技术、变换域干扰抑制技术和时频分布抗干扰技术。其中，时域自适应滤波包括预测／