對某低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)上行鏈路的干擾研究＊

（裝甲兵工程學院 北京 100072）

1 引言

隨著當前衛(wèi)星技術的迅速發(fā)展和移動通信需求的不斷擴大，移動衛(wèi)星通信已經(jīng)成為軍事衛(wèi)星通信的重要組成部分，在現(xiàn)代軍事行動中的地位也越來越重要，以美國為代表的軍事大國十分關注民用移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的軍事應用潛力，甚至不惜重金扶持民用衛(wèi)星項目。以“銥星”為代表的低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)在經(jīng)過破產(chǎn)重組，通過與美軍方的合作，在軍事應用領域取得較大的進展。

由于“銥星”系統(tǒng)任務的多樣性，以及它在軍事領域的應用前景十分廣泛，因此研究其自身的特點，并據(jù)此分析對其進行干擾的可行性是十分必要的。本文分析了“銥星”系統(tǒng)及其抗干擾措施，對其上行鏈路的跟蹤與干擾進行分析，仿真分析了干擾上行鏈路的可行性。

2 “銥星”系統(tǒng)及其抗干擾措施

“銥星”系統(tǒng)采用了以往的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)不曾采用的低軌道和極地軌道、多衛(wèi)星星座和多軌道平面的衛(wèi)星軌道新體制，以及多小點波束和星際鏈路等核心技術，加之它滿足了GEO 移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)所難滿足的抗干擾能力與隱蔽性、抗毀性和頑存性等軍事要求，因此更受美國軍方青睞?！般炐恰毕到y(tǒng)的抗干擾措施如下：

1）信關站。由于“銥星”系統(tǒng)擁有自己的信關站，可以把來自世界各地的電話引導到位于夏威夷瓦希阿瓦的信關站［1］，美軍利用“銥星”系統(tǒng)為軍用用戶提供“機密的端到端通信”，而所用的手機都植入由國家安全局研制的安全保護芯片，這樣就增加了系統(tǒng)的保密性。

2）多波束天線技術?？筛鶕?jù)戰(zhàn)場形勢的變化控制星上發(fā)射天線指向，使其波束覆蓋范圍隨用戶運動作相應變化，還可恰當選擇衛(wèi)星天線波束形狀來提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力［2］。當某一波束受到干擾時，關閉這一波束，而其他波束不受影響，這樣既阻止了干擾，也不影響衛(wèi)星接收地面信號。

3）星際鏈路。星際鏈路使衛(wèi)星之間互相連通構成衛(wèi)星通信網(wǎng)。有多顆衛(wèi)星、多鏈路供指揮通信使用，眾多的用戶直接對衛(wèi)星通信。并具有互通能力，減少對地面中繼系統(tǒng)的依賴性從而提高整個系統(tǒng)的抗毀性。

4）星上處理技術。銥星系統(tǒng)中所采用的基帶信息處理式轉發(fā)器是最復雜的一種星上處理轉發(fā)器［3］，不僅具有星上再生能力（將經(jīng)過線路傳輸受到失真和干擾等損傷的信號重新形成原傳輸信號的過程），而且還具有星上基帶信號處理和交換能力。工作工程如圖1所示。

圖1 處理轉發(fā)器工作工程

5）各種糾錯方式增加了系統(tǒng)的抗干擾性。前向糾錯（FEC）是在發(fā)送端送出能夠糾錯的碼，接收端根據(jù)譯碼規(guī)則檢出并自動糾正傳輸中出現(xiàn)的錯誤?！般炐恰毕到y(tǒng)采取卷積碼和QPSK 調制相結合的方式，用戶終端采用3／4碼率FEC／Viterib軟判決譯碼的糾錯方式，在誤碼率為10-3的條件下，編碼增益大于2．6dB，從而使系統(tǒng)的整體性能得到提高。

3 信號跟蹤及上行鏈路干擾

由于“銥星”系統(tǒng)在高度為780km 的軌道上運動，相對于地面站的位置是實時變化的。因此，對衛(wèi)星信號的跟蹤截獲尤為關鍵，地面站對下行鏈路的偵收是對上行鏈路的干擾的基礎。

3．1 對下行鏈路的偵收

通信偵察接收機要能對下行信號實施偵收，必須滿足以下條件：

1）頻率對準

首先，下行信號工作頻段fd（GHz）在偵察接收機工作頻段［fdmin，fdmax］之內(nèi)。另外，“銥星”上下行鏈路采用FDMA／TDMA 形式，TDMA 信號的幀結構如圖2所示。需要偵收的是DL1～DL4下行時隙（分幀）信號。

圖2 TDMA 信號幀結構

2）方位對準

偵察接收機和通信方處于同一波束覆球區(qū)之內(nèi)，即要滿足位置條件：

式中，β為波束覆球區(qū)的地心角，βsd為通信衛(wèi)星和偵察設備在地球表面上投影間的地心角。

對“銥星”系統(tǒng)跟蹤實時性要求較高，通常使用單脈沖跟蹤和程序跟蹤或同時使用。可以利用跟蹤軟件Orbition對衛(wèi)星進行實時的跟蹤和模擬，Orbition提供了衛(wèi)星星歷，并依據(jù)觀察點的不同可以模擬出不同時刻衛(wèi)星的仰角、方位角以及運行軌跡。

3）偵察設備接收到的下行信號功率Sdd應不低于偵察機的靈敏度Pdmin。即滿足能量條件：

式中，Sdd＝EⅠRPs＋Gds-Ls，Gds為偵察設備接收天線在通信衛(wèi)星方向上的增益，Ls為傳播損耗。

3．2 對上行鏈路的干擾

實現(xiàn)對“銥星”系統(tǒng)的有效干擾，一般選取瞄準式干擾或攔阻式干擾。由于大多采用地面大功率干擾站，因此本文重點研究對上行鏈路的干擾。

干擾設備對上行信號進行有效干擾，必須滿足以下條件［4］：

1）上行信號工作頻率Fu在干擾設備的可干擾頻率范圍［fjmin，fjmax］之內(nèi)。

2）干擾設備和通信方處于同一波束覆球區(qū)之內(nèi)，即要滿足位置條件：

式中，β為波束覆球區(qū)的地心角，βsj為通信衛(wèi)星和干擾設備在地球表面上投影間的地心角，

3）衛(wèi)星接收機接收到的干擾信號功率要大于等于衛(wèi)星接收機的靈敏度。

在“銥星”系統(tǒng)中，上行鏈路信號采用QPSK 調制方式。載波接收功率與噪聲功率之比C／N 可以寫成

式中，Eb為每單位比特信息能量；R為比特傳輸速率，R＝50kbs；B為接收機帶寬，B＝50kHz；n0為單位頻帶噪聲功率（單邊噪聲功率譜密度）。Eb／n0稱為歸一信噪比。

假設干擾設備有效全向輻射功率為EⅠRPE，上行鏈路總的傳播損耗為LU，衛(wèi)星轉發(fā)器接收天線增益為GRS，則衛(wèi)星轉發(fā)器接收機輸入端的干擾功率為

接收系統(tǒng)噪聲功率為N0，N0＝10lg（kTB）。式中，k為波爾茲曼常數(shù)（1．38×10-23W／（Hz·K），T為衛(wèi)星轉發(fā)器輸入端等效噪聲溫度；B為衛(wèi)星轉發(fā)器接收機帶寬。

自由空間損耗為

其中d為傳播距離，f為工作頻率f＝1．62125GHz。LU＝LP＋La，La為傳播損耗La＝15．7dB（有遮蔽）。

衛(wèi)星轉發(fā)器接收機輸入端的載噪比為

其中C＝EⅠRPU＋GRS-LU（dBW），EⅠRPU為用戶終端有效全向輻射功率。

綜合以上所得：

衛(wèi)星轉發(fā)器接收機輸入端的干擾功率為

干擾設備有效全向輻射功率

4 干擾可行性分析

數(shù)字通信系統(tǒng)的干擾效果一般用通信系統(tǒng)的差錯率——誤碼率Pe來度量。為了評價通信系統(tǒng)受干擾的程度，可以定義數(shù)字通信系統(tǒng)的干擾等級［5］：

當Pe≥0．2時，通信系統(tǒng)受到強干擾，干擾等級為三級；

當0．12≤Pe≤0．2 時，通信系統(tǒng)受到中度干擾，干擾等級為二級；

當0．05≤Pe＜0．12時，通信系統(tǒng)受到輕度干擾，干擾等級為一級；

當Pe＜0．05時，通信系統(tǒng)未受干擾。

對于QPSK來講，誤碼率與歸一信噪比的關系為

那么，結合式（5），銥星系統(tǒng)誤碼率為

4．1 干擾功率要求

理想情況下，“銥星”系統(tǒng)衛(wèi)星接收機靈敏度為-148．5dBW。鏈路余量為16dB。因此C＝-148．5＋16＋2．6（dBW）＝-129．9dBW（2．6dB 為糾錯增益），LU＝161．3dB，接收天線增益GRS＝22．6dB，因此，結合式（8），利用Matlab仿真，如圖3所示。

圖3 理想情況下干擾功率—誤碼率曲線

從圖3中可以看到，當JU＝1×10-12W 時，系統(tǒng)誤碼率為0．325，系統(tǒng)干信比達到了10。我們認為通信被完全干擾，系統(tǒng)無法正常工作，即達到干擾效果。

此時，干擾設備有效全向輻射功率：

干擾設備功率：

G為干擾天線增益，取G＝10dB

“銥星”系統(tǒng)一個波束可以提供80路全雙工話音電路，因此若干擾整個波束需要的干擾功率為

4．2 實例分析

“銥星”系統(tǒng)波束覆蓋圖如圖4所示。

圖4 “銥星”系統(tǒng)波束覆蓋圖

假設干擾設備處于蜂窩1＃、6＃、12＃、16＃。

結合以上公式，計算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 用戶—衛(wèi)星上行鏈路參數(shù)

因此，當干擾設備處于16＃波束內(nèi)，所需干擾功率最大，為730W。若采用地基干擾站，完全可以滿足這個需求。

5 結語

由上面的分析可知，對上行鏈路進行有效干擾時，需要滿足一定的功率要求。若采用升空平臺或伴星干擾，由于干擾距離降低，所需得干擾功率也會大大降低。因此，發(fā)展升空平臺，采用機載干擾機將是未來重點的發(fā)展方向。

［1］陳周國，陳浩，謝永春．美軍衛(wèi)星通信安全防護技術發(fā)展概要［J］．衛(wèi)星與網(wǎng)絡，2008，11（11）：66-67．

［2］柴焱杰，孫繼銀，李琳琳，等．衛(wèi)星通信抗干擾技術綜述［J］．現(xiàn)代防御技術，2011，39（3）：113-117．

［3］張更新，張杭．衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)［M］．北京：人民郵電出版社，2001（9）：500-502．

［4］曹志耀，丁鯤，顧有林．衛(wèi)星通信對抗方法及其數(shù)學模型［J］．軍事運籌與系統(tǒng)工程，2001，3（3）：9-19．

［5］馮小平，李鵬，楊紹全．通信對抗原理［M］．西安：西安電子科學技術大學出版社，2009（8）：225．