衛(wèi)星通信主要干擾及抗干擾技術(shù)探究

孟超 張昌穹 陳永鋒

摘 要：衛(wèi)星通信是現(xiàn)代社會(huì)和軍事中重要的通信手段，但易受干擾。分析了衛(wèi)星通信面臨的主要干擾，深入探討了衛(wèi)星通信抗干擾的相關(guān)技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信 抗干擾技術(shù) 多波束天線

1 引言

衛(wèi)星通信技術(shù)，是地球站之間或用戶航天器與地球站之間利用通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)和反射無(wú)線電進(jìn)行的通信。通信衛(wèi)星技術(shù)及其應(yīng)用自上世紀(jì)60年代起步以來(lái)，由于其具有通信距離遠(yuǎn)、頻帶寬、容量大、質(zhì)量好、組網(wǎng)靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，自問(wèn)世以來(lái)就廣泛應(yīng)用在軍用、民用領(lǐng)域，極大的改變了戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。由于其應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，在需求的牽引下發(fā)展迅速，相關(guān)技術(shù)日新月異，衛(wèi)星通信呈現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和系統(tǒng)化的發(fā)展趨勢(shì)。

衛(wèi)星通信存在著時(shí)延大、鏈路長(zhǎng)衰減大、服務(wù)對(duì)象多以至于易受干擾等缺點(diǎn)，使得衛(wèi)星在通信過(guò)程極易受到干擾，保障己方迅速獲取信息、確保信道安全暢通具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此對(duì)衛(wèi)星通信抗擾保通相關(guān)課題的研究就顯得愈加重要。

2 衛(wèi)星通信面臨的主要干擾分析

目前主要的通信衛(wèi)星是同步軌道通信衛(wèi)星，地球站則包括固定站、車載/船載/機(jī)載站、便攜/手持站等。衛(wèi)星通信主要干擾威脅包括地面干擾、空間干擾、自然干擾、人為干擾等[1]。

2.1 地面干擾

1）地面站設(shè)備雜波干擾。產(chǎn)生干擾的原因包括：上行設(shè)備雜散指標(biāo)不合格以至于輸出載波存在雜波;地面站功放處于多載波工作狀態(tài)，產(chǎn)生新的頻率分量;上行功率過(guò)高，導(dǎo)致衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器處于非線性工作區(qū)。

2）電磁干擾。由于存在著大量的微波、雷達(dá)波、工業(yè)電噪聲等，相近頻段的干擾分量通過(guò)上行信道上星或者進(jìn)入下行信道接收。用戶站設(shè)備因?yàn)槿藶樵蚧蛘咴O(shè)備老化造成的接地不良、接地電阻過(guò)高等。

3）交叉極化干擾。天線饋源極化隔離度指標(biāo)不合格，或有異物進(jìn)入饋源、未根據(jù)地球站所在地理位置調(diào)整極化角都是導(dǎo)致交叉極化干擾的原因。

2.2 空間干擾

1）鄰星干擾。隨著越來(lái)越多的同步地球軌道通信衛(wèi)星發(fā)射部署，軌道資源愈加擁擠，相鄰衛(wèi)星收發(fā)信號(hào)就會(huì)造成鄰星干擾。

2）相鄰信道干擾。地球站載波頻率分配不合理，導(dǎo)致相鄰信號(hào)頻帶重疊;用戶載波頻譜特性。

3）用戶地球站操作不規(guī)范造成信號(hào)干擾。地球站未經(jīng)過(guò)嚴(yán)格入網(wǎng)測(cè)試即上星;崗位人員誤操作，設(shè)置的頻率、速率、衰減等錯(cuò)誤都會(huì)對(duì)該轉(zhuǎn)發(fā)器所有用戶造成干擾。

2.3 自然干擾

1）雨衰。降雨會(huì)造成信號(hào)的功率降低、交叉極化干擾以及增加天線的噪聲溫度。一般來(lái)說(shuō)，頻率越高，雨衰越大。

2）日凌。每年春分和秋分前后，在衛(wèi)星地球站所在地的每天中午時(shí)分，衛(wèi)星將處在太陽(yáng)與地球之間的直線上，這時(shí)衛(wèi)星地球站天線在對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的同時(shí)也對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，強(qiáng)大的太陽(yáng)噪聲使鏈路嚴(yán)重惡化甚至中斷，這種現(xiàn)象稱為衛(wèi)星通信的“日凌現(xiàn)象”。日凌僅影響衛(wèi)星的下行鏈路。

3）星蝕。每年的春分和秋分前后的一段時(shí)間內(nèi)，衛(wèi)星進(jìn)入地球的陰影區(qū)域，無(wú)法利用太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電，僅能依靠電池工作。目前衛(wèi)星供電系統(tǒng)有很大改進(jìn)，星蝕期間對(duì)通信的影響很小。

2.4人為干擾

人為干擾是針對(duì)衛(wèi)星通信的薄弱環(huán)節(jié)，有目的的去干擾另一方的通信，通常破壞性較強(qiáng)，一般帶有軍事目的。由于衛(wèi)星通信在軍事通信信息系統(tǒng)中的重要地位和特殊優(yōu)勢(shì)，各軍事強(qiáng)國(guó)為贏得信息戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)權(quán)，大力發(fā)展各類干擾模式。按照干擾方式不同可劃分為壓制式干擾、轉(zhuǎn)發(fā)式干擾等，按照干擾源位置不同可劃分為天基、地基、空基干擾等，按照干擾鏈路的不同可以劃分為上行、下行、星間干擾等。

3.衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)

抗干擾的基本目的是通過(guò)對(duì)信息、信息的載體及傳播方式進(jìn)行特定的處理，提高通信接收端的信噪比，使其正確地接收所需的信號(hào)。設(shè)計(jì)抗干擾系統(tǒng)的基本思想是使成功干擾通信的代價(jià)盡可能地大。一般可以分為頻域技術(shù)、時(shí)域技術(shù)、空域技術(shù)和信息處理技術(shù)[2]。由于僅使用單一體制抗干擾技術(shù)效果不佳，因此目前廣泛采用多種抗干擾技術(shù)的組合。

3.1 頻域技術(shù)

1）擴(kuò)頻通信技術(shù)

擴(kuò)頻通信技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的抗干擾技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)包括信號(hào)功率譜密度低、不易被檢測(cè)，抗多路徑衰減等，可以有效地對(duì)抗單頻和窄帶干擾，對(duì)于寬帶（高斯）干擾，迫使干擾者不得不降低其干擾噪聲密度，同時(shí)也無(wú)法得知干擾是否有效[3]。它包括直接序列擴(kuò)頻（DS）、跳頻（FH）、跳時(shí)（TH）技術(shù)以及它們的混合系統(tǒng)等。直接序列擴(kuò)頻（DS）是接收端解擴(kuò)后有用信號(hào)變成了窄帶信號(hào)，而原來(lái)頻帶較窄的干擾卻被展寬為寬帶信號(hào)，以至于大部分能量被窄帶濾波器濾除。跳頻采用多個(gè)載波頻率并在這些頻率間隨機(jī)跳變，由于載頻切換需要時(shí)間，故又工作在突發(fā)傳輸狀態(tài)，所以具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

3.2 時(shí)域技術(shù)

1）基于時(shí)間的猝發(fā)傳輸技術(shù)

利用軟件優(yōu)化使地面站和通信衛(wèi)星進(jìn)行精確同步，在特定時(shí)隙進(jìn)行超寬帶信息傳輸，一般配合調(diào)頻（FH）技術(shù)。

3.3 空域技術(shù)

1）多波束天線技術(shù)

多波束天線技術(shù)能夠根據(jù)需求對(duì)信號(hào)發(fā)射的天線方向進(jìn)行規(guī)定，轉(zhuǎn)發(fā)器成為空中交換機(jī)，天線賦形內(nèi)增益很高，超出賦形后增益迅速下降。Ka 及以上頻段天線可利用波束寬度較窄的特點(diǎn)，使用點(diǎn)波束在空間上規(guī)避干擾。

2）天線自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)

天線自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)是跟據(jù)雙方在空間方位、頻譜、幅度及編碼上的差異，來(lái)對(duì)天線的各個(gè)陣元的方向圖進(jìn)行自動(dòng)控制和優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)陣元的加權(quán)處理，使衛(wèi)星通信過(guò)程中受到的干擾最小，實(shí)現(xiàn)在干擾源方向上的深度清零。應(yīng)用天線調(diào)零技術(shù)的天線類型主要有相控陣天線和多波束天線。

3.4 信息處理技術(shù)

1） 星上處理技術(shù)

通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器通常為透明轉(zhuǎn)發(fā)器，上行干擾通常會(huì)對(duì)下行產(chǎn)生作用。通過(guò)星上處理技術(shù)，可以將上、下行鏈路分開(kāi)，限制了噪聲和干擾的積累，從而提升了整個(gè)系統(tǒng)的性能。星上處理技術(shù)包括：星上信號(hào)解調(diào)再生、譯碼/編碼，速率變換、多波束交換、復(fù)用/多址方式轉(zhuǎn)換等等。隨著數(shù)字處理算法更加先進(jìn)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，星上處理技術(shù)呈現(xiàn)多樣化、智能化的趨勢(shì)，能夠有效降低衛(wèi)星通信干擾。

2）限幅技術(shù)

限幅技術(shù)是目前廣泛采用的一種抗干擾措施[4]，美軍現(xiàn)役通信衛(wèi)星基本都使用了限幅控制技術(shù)。其作用是通過(guò)技術(shù)手段將功率過(guò)高的上行載波濾除，避免轉(zhuǎn)發(fā)器的功放被大功率的上行干擾推至飽和，使得通信信號(hào)載噪比下降造成通信中斷。

3）自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)

自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)能使信道具備自適應(yīng)特性，從而達(dá)到提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾能力的目的。是在對(duì)信道進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)的前提下，利用回傳信道把信道狀態(tài)信息傳遞到發(fā)送端，使發(fā)送端能夠根據(jù)信噪比程度并通過(guò)自適應(yīng)功能改變調(diào)制方法與編碼方法。當(dāng)信噪比較低時(shí)，其信息速率就較低，當(dāng)信噪比較高時(shí)，其信息速率就較高，從而使信道的利用率得到了顯著提高，使系統(tǒng)能夠更加高效可靠地進(jìn)行通信傳輸，極大地確保了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的整體性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)衛(wèi)星通信易受干擾的缺點(diǎn)，分析衛(wèi)星通信面臨的主要干擾，以及衛(wèi)星通信抗干擾的相關(guān)技術(shù)，對(duì)提高衛(wèi)星通信的抗干擾能力、確保信道安全暢通具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 尹訓(xùn)鋒.衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)研究[J].專題技術(shù)，2018，（02）：54-55.

[2] 韓雪謙. 衛(wèi)星通信系統(tǒng)多域協(xié)同抗干擾技術(shù)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2016，38（5）：78-81.

[3] 于江，王春嶺，沈劉平，張磊 . 擴(kuò)頻通信技術(shù)原理及其應(yīng)用 [J]. 中國(guó)無(wú)線電 .2010（03） ： 44-47.

[4] 史智恒. 衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J].數(shù)字通信，2016，（05）：19-20.