衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)抗性指標(biāo)體系研究*

喻火根

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

衛(wèi)星通信作為視距通信的補(bǔ)充部分，已成為各國(guó)通信結(jié)構(gòu)中不可或缺的通信方式[1]，導(dǎo)致衛(wèi)星通信成為各國(guó)軍事行動(dòng)中的主要攻擊目標(biāo)。由于衛(wèi)星定點(diǎn)位置的公開(kāi)化，使得衛(wèi)星通信系統(tǒng)更容易面臨電磁干擾、截獲、入侵甚至被摧毀的威脅。為了提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾、抗截獲、隱身以及抗入侵等能力，越來(lái)越多的對(duì)抗性技術(shù)措施被提出[2-6]。在這種背景下，如何客觀、全面、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的對(duì)抗性性能，已經(jīng)成為研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

對(duì)抗性性能評(píng)估不僅在衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研發(fā)和使用過(guò)程中起著重要作用，而且對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的使用策略起著重要的指導(dǎo)作用。對(duì)抗性性能評(píng)估的基礎(chǔ)，是建立科學(xué)的對(duì)抗性指標(biāo)體系。近年來(lái)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)相關(guān)對(duì)抗性指標(biāo)得到越來(lái)越多的研究，但目前尚沒(méi)有形成一套完備而有效的指標(biāo)體系來(lái)適應(yīng)信息對(duì)抗技術(shù)的不斷發(fā)展。

本文在已有衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)抗性指標(biāo)基礎(chǔ)上，從抗干擾、抗截獲、隱身以及抗入侵等類(lèi)別出發(fā)，歸納總結(jié)出一套科學(xué)的對(duì)抗性指標(biāo)體系，并深入分析指標(biāo)含義，提出了指標(biāo)提升方法，為衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)抗性技術(shù)研究提供基礎(chǔ)支撐。

1 抗干擾指標(biāo)體系

衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。本指標(biāo)體系主要由3 個(gè)一級(jí)指標(biāo)構(gòu)成，即天線(xiàn)抗干擾指標(biāo)、波形抗干擾指標(biāo)和綜合抗干擾指標(biāo)。

圖1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾指標(biāo)體系

1.1 天線(xiàn)抗干擾指標(biāo)

天線(xiàn)抗干擾指標(biāo)的含義如下。

（1）天線(xiàn)增益：天線(xiàn)增益越高，接收信號(hào)信干比越高，接收信號(hào)抗干擾能力越強(qiáng)。

（2）天線(xiàn)波束寬度：波束寬度越小，受干擾概率越小。

（3）旁瓣抑制能力：旁瓣抑制能力越強(qiáng)，抗旁瓣干擾能力越強(qiáng)。

（4）零陷寬度和深度：天線(xiàn)零陷寬度描述天線(xiàn)波束形成的空間濾波器寬度；天線(xiàn)零陷深度描述天線(xiàn)波束形成的陷波深度。

1.2 波形抗干擾指標(biāo)

波形抗干擾指標(biāo)的含義如下。

（1）解調(diào)門(mén)限：解調(diào)門(mén)限越低，允許進(jìn)入接收機(jī)的干擾越大，接收機(jī)抗干擾能力越強(qiáng)。

（2）干擾抑制能力：波形干擾抑制能力越強(qiáng)，系統(tǒng)抗干擾能力越強(qiáng)。

（3）干擾容限：干擾容限越高，抗干擾能力越強(qiáng)。

1.3 綜合抗干擾指標(biāo)

1.3.1 抗干擾改善因子

抗干擾改善因子的定義為：

其中，(S/J)′和S/J 分別為采取抗干擾措施和未采取抗干擾措施時(shí)衛(wèi)星通信接收機(jī)輸出的信干比?？垢蓴_改善因子可用來(lái)比較各種抗干擾措施的優(yōu)劣，表現(xiàn)了抗干擾措施對(duì)衛(wèi)通性能的改善狀況。

1.3.2 壓制系數(shù)

壓制系數(shù)是衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾效能評(píng)估的一個(gè)常用的綜合化指標(biāo)。在形成有效干擾條件下，衛(wèi)星通信接收機(jī)輸入端的干擾功率與信號(hào)功率之間的比值，被定義為該衛(wèi)星通信接收機(jī)的壓制系數(shù)。

其中，PJ和PT分別為干擾信號(hào)的發(fā)射功率和有用通信信號(hào)的發(fā)射功率；GJ和GT分別為干擾信號(hào)發(fā)射天線(xiàn)在有用通信信號(hào)接收機(jī)方向上的增益和有用通信信號(hào)發(fā)射天線(xiàn)在有用通信信號(hào)接收機(jī)方向上的增益；GRJ和GRT分別為有用通信信號(hào)接收天線(xiàn)在干擾信號(hào)發(fā)射方向上的天線(xiàn)增益和在有用通信信號(hào)發(fā)射方向上的天線(xiàn)增益；γJ為干擾信號(hào)與有用通信信號(hào)接收天線(xiàn)間的極化不匹配損耗；RRJ和RRT分別為有用通信信號(hào)接收機(jī)至干擾信號(hào)發(fā)射機(jī)、有用通信信號(hào)發(fā)射機(jī)間的距離；ΔfJ和ΔfR分別為干擾信號(hào)和有用通信信號(hào)接收機(jī)的帶寬。

衛(wèi)星通信接收機(jī)的壓制系數(shù)越大，衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾能力越強(qiáng)。

2 抗截獲指標(biāo)體系

衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗截獲指標(biāo)體系可進(jìn)一步分解為戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)。其中，戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)用于衡量特定作戰(zhàn)環(huán)境下衛(wèi)星通信系統(tǒng)相對(duì)于敵方截獲機(jī)的抗截獲性能；技術(shù)指標(biāo)用于評(píng)價(jià)衛(wèi)星通信系統(tǒng)自身抗截獲水平的高低，屬于衛(wèi)星通信系統(tǒng)特有的特征參量，與敵方的截獲裝備無(wú)關(guān)。抗截獲指標(biāo)體系如圖2 所示。

圖2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗截獲指標(biāo)體系

2.1 戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)

2.1.1 截獲距離

為了減少信號(hào)的截獲概率，應(yīng)盡量減少多維窗口同時(shí)重合的概率及時(shí)間。在衛(wèi)星通信中，截獲機(jī)可通過(guò)接收衛(wèi)星終端上行信號(hào)來(lái)完成上行衛(wèi)星信號(hào)的截獲；截獲機(jī)可通過(guò)接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)來(lái)完成衛(wèi)星終端下行信號(hào)的截獲。截獲機(jī)的截獲距離通常被用來(lái)定量評(píng)價(jià)衛(wèi)星通信信號(hào)的低截獲性能。截獲距離可定義為有用衛(wèi)星通信信號(hào)在截獲接收機(jī)處達(dá)到截獲機(jī)靈敏度時(shí)有用衛(wèi)星通信信號(hào)發(fā)射機(jī)與截獲接收機(jī)間的距離。

其中，Pt為有用通信信號(hào)的發(fā)射功率（對(duì)上行衛(wèi)星鏈路進(jìn)行截獲時(shí)，該發(fā)射功率指的是衛(wèi)星終端的發(fā)射功率；對(duì)下行衛(wèi)星鏈路進(jìn)行截獲時(shí)，該發(fā)射功率指的是衛(wèi)星的發(fā)射功率）；Gti為有用通信信號(hào)發(fā)射天線(xiàn)在截獲機(jī)接收天線(xiàn)方向上的增益；GI為截獲接收機(jī)的天線(xiàn)增益；λ 為電磁波長(zhǎng)，LI為截獲接收機(jī)的所有損耗；δI為截獲接收機(jī)的靈敏度。截獲距離RI的大小需在一定的發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率下進(jìn)行定義。

截獲接收機(jī)靈敏度δI可進(jìn)一步表示為：

在衛(wèi)星通信中，上行衛(wèi)星鏈路對(duì)應(yīng)的截獲距離指的是截獲機(jī)與衛(wèi)星終端間的距離；下行衛(wèi)星鏈路對(duì)應(yīng)的截獲距離指的是截獲機(jī)與衛(wèi)星間的距離。圖3 給出了上下行衛(wèi)星鏈路截獲示意圖。

圖3 衛(wèi)星鏈路截獲示意

截獲距離RI越大，表明有用衛(wèi)星通信信號(hào)在很遠(yuǎn)的地方就能被截獲機(jī)截獲，從而進(jìn)一步表明有用衛(wèi)星通信信號(hào)被破譯或干擾的可能性越大。因此，為了提升有用衛(wèi)星通信信號(hào)的抗截獲性能，應(yīng)盡可減小截獲的截獲距離。

2.1.2 截獲概率

截獲概率定義為有用衛(wèi)星通信發(fā)射信號(hào)在時(shí)域、空域、頻域以及能量域上同時(shí)被截獲機(jī)截獲的概率。

（1）時(shí)域截獲：截獲機(jī)在有用衛(wèi)星通信信號(hào)發(fā)射的時(shí)間內(nèi)工作；

（2）空域截獲條件：截獲機(jī)的接收天線(xiàn)位于有用衛(wèi)星通信信號(hào)發(fā)射機(jī)天線(xiàn)主瓣或副瓣內(nèi)；

（3）頻域截獲：截獲機(jī)的工作頻段覆蓋了有用衛(wèi)星通信信號(hào)頻段；

（4）能量域截獲：在截獲機(jī)處的有用衛(wèi)星通信信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度高于截獲機(jī)的接收靈敏度。

為了便于分析，可使用多維“窗函數(shù)”（如時(shí)間窗、頻率窗、能量窗、空間窗等）描述截獲機(jī)的工作過(guò)程。圖4 給出了截獲機(jī)窗函數(shù)示意圖。

其中，窗函數(shù)包含3 個(gè)參數(shù)。

（1）窗函數(shù)周期：截獲接收機(jī)在某個(gè)維度上的掃描周期。

（2）窗寬度：截獲接收機(jī)與發(fā)射機(jī)在某個(gè)維度上重疊的時(shí)間。

（3）起始時(shí)間：截獲接收機(jī)在某個(gè)維度上開(kāi)始掃描的時(shí)間。

根據(jù)窗函數(shù)理論，多維窗口同時(shí)重合的平均持續(xù)時(shí)間τ 為：

全部窗函數(shù)同時(shí)重合的平均周期T 為：

在t 時(shí)間內(nèi)至少發(fā)生一次截獲的概率為：

其中：

從上述分析可知，為了減少信號(hào)的截獲概率，應(yīng)盡量減少多維窗口同時(shí)重合的概率及時(shí)間。

2.2 技術(shù)指標(biāo)

抗截獲技術(shù)指標(biāo)的含義。

（1）天線(xiàn)旁瓣電平：敵方截獲接收機(jī)往往只能截獲有用衛(wèi)星通信信號(hào)的副瓣，為了實(shí)現(xiàn)低截獲概率的衛(wèi)星通信，需要衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有低的發(fā)射天線(xiàn)旁瓣電平，故可將天線(xiàn)旁瓣電平作為評(píng)估技術(shù)指標(biāo)之一。

（2）信號(hào)功率譜密度：信號(hào)功率譜密度越低，敵方截獲接收機(jī)發(fā)現(xiàn)有用信號(hào)的概率越低。

（3）頻率捷變能力：頻率捷變能力越強(qiáng)，敵方截獲接收機(jī)捕獲有用信號(hào)的概率越低。

（4）信號(hào)輻射時(shí)間：信號(hào)輻射時(shí)間越短，敵方截獲接收機(jī)檢測(cè)到有用信號(hào)的概率越低。

（5）功率管理能力：根據(jù)不同的工作環(huán)境，衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)能自適應(yīng)調(diào)整有用信號(hào)的發(fā)射功率，從而在保證既定通信任務(wù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率資源的高效利用，同時(shí)降低敵方截收機(jī)截獲信號(hào)的概率。

3 隱身指標(biāo)體系

隱身技術(shù)是指為了規(guī)避敵方聲、光、電、熱等探測(cè)設(shè)備對(duì)我方武器裝備探測(cè)而發(fā)展起來(lái)的一種綜合技術(shù)。根據(jù)對(duì)探測(cè)信號(hào)控制的不同，隱身技術(shù)可以分為無(wú)源隱身技術(shù)和有源隱身技術(shù)[7]。

無(wú)源隱身技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)是盡量減少武器裝備對(duì)電波、紅外波、聲波以及可見(jiàn)光等能量的反射或輻射，降低敵方發(fā)現(xiàn)上述反射或輻射能量的概率，從而實(shí)現(xiàn)武器裝備的隱身。實(shí)現(xiàn)無(wú)源隱身的措施主要包括巧妙設(shè)計(jì)外形和結(jié)構(gòu)以及采用吸波、透波材料等。

有源隱身技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)是利用有源手段規(guī)避敵方聲、光、電、熱等探測(cè)設(shè)備對(duì)我方武器裝備探測(cè)。其中，射頻隱身技術(shù)是一種重要的有源隱身技術(shù)，其通過(guò)武器裝備上的電子設(shè)備或系統(tǒng)來(lái)抵御敵方射頻無(wú)源探測(cè)、跟蹤和識(shí)別，從而減少敵方射頻無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)的作用距離和跟蹤制導(dǎo)精度。

3.1 無(wú)源隱身技術(shù)指標(biāo)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)終端分機(jī)往往安裝在平臺(tái)內(nèi)部，所以影響系統(tǒng)無(wú)源隱身性能的瓶頸因素是衛(wèi)通天線(xiàn)。衡量衛(wèi)通系統(tǒng)無(wú)源隱身性能的重要技術(shù)指標(biāo)為天線(xiàn)RCS（Radar Cross Section）。

3.2 有源隱身技術(shù)指標(biāo)

實(shí)現(xiàn)有源隱身的方法通常稱(chēng)為低截獲概率技術(shù)[8]，故前文的抗截獲指標(biāo)可作為有源隱身技術(shù)指標(biāo)。

4 抗入侵指標(biāo)體系

衛(wèi)星通信信道的開(kāi)放性使得衛(wèi)星通信系統(tǒng)容易受到敵方的非法入侵。入侵是指非法用戶(hù)獲得系統(tǒng)訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限或相關(guān)授權(quán)的行為。系統(tǒng)入侵可能導(dǎo)致合法用戶(hù)接收到虛假或錯(cuò)誤信息，從而使整個(gè)系統(tǒng)變得不可靠和不可用。因此，系統(tǒng)入侵造成的危害比一般的干擾更嚴(yán)重?？谷肭值闹饕康氖欠乐瓜到y(tǒng)受非法用戶(hù)的控制。

針對(duì)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，根據(jù)入侵形式的不同可分為兩種：一種是通過(guò)有線(xiàn)形式入侵無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)，對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行篡改、注入病毒或虛假的信息，然后利用無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)合法的無(wú)線(xiàn)信道進(jìn)行傳輸，以達(dá)到破壞系統(tǒng)的目的；另一種是直接利用無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)信道，向系統(tǒng)注入病毒或虛假信息。

第一種形式的入侵是“信息入侵”，屬于“信息安全”范疇，一般可基于信息特征分析進(jìn)行入侵檢測(cè)及處理。例如，通過(guò)對(duì)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，檢測(cè)此種形式的入侵行為，并采取清除入侵信息或關(guān)閉可疑通信節(jié)點(diǎn)等相應(yīng)的措施。第二種形式的入侵是“信號(hào)入侵”，屬于“傳輸安全”范疇，一般可基于信號(hào)特征分析進(jìn)行入侵檢測(cè)及處理。例如，告警以避免可疑信號(hào)進(jìn)入解調(diào)器、消除入侵信號(hào)，以保證正常信號(hào)的解調(diào)、調(diào)整通信信號(hào)的參數(shù)以躲避同模式干擾等。

針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，系統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)可借鑒其他無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)在信息入侵檢測(cè)和處理上采取的抗入侵技術(shù)，故敵方通過(guò)第一種形式入侵系統(tǒng)較為困難?？紤]到衛(wèi)星通信通信信道的開(kāi)放性，衛(wèi)星波束覆蓋范圍內(nèi)的地球站都可以向衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射信號(hào)，故敵方通過(guò)第二種形式入侵系統(tǒng)是比較容易實(shí)現(xiàn)的。第二種形式入侵的信號(hào)物理層參數(shù)、上層協(xié)議與合法用戶(hù)正常通信信號(hào)往往具有很大的一致性，是合法用戶(hù)正常通信信號(hào)的同模式信號(hào)。

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，針對(duì)同模式入侵信號(hào)干擾時(shí)，系統(tǒng)可能存在兩種情況：

（1）一般出現(xiàn)在非擴(kuò)頻系統(tǒng)中，入侵信號(hào)功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于合法通信信號(hào)功率，合法接收機(jī)自動(dòng)捕獲并解調(diào)強(qiáng)功率的入侵信號(hào)；

（2）一般出現(xiàn)在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，入侵信號(hào)與合法通信信號(hào)擴(kuò)頻碼型一致，相位相互滑動(dòng)，功率沒(méi)有明顯差異，合法接收機(jī)不可能長(zhǎng)時(shí)間鎖定在其中一個(gè)信號(hào)上。合法接收機(jī)既可以對(duì)入侵信號(hào)解調(diào)，又可以對(duì)合法通信信號(hào)解調(diào)，且有可能在通信過(guò)程中以一定的概率在二者之間切換。

從傳輸安全的角度考慮，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗入侵可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）降低系統(tǒng)被入侵的概率：通過(guò)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和信號(hào)設(shè)計(jì)，加大敵方對(duì)合法通信信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別、參數(shù)提取及跟蹤的難度（如快速跳頻、自適應(yīng)擴(kuò)頻等）。

（2）監(jiān)測(cè)入侵信號(hào)并及時(shí)告警：當(dāng)在信道中監(jiān)測(cè)到可疑信號(hào)時(shí)，向系統(tǒng)發(fā)出警示，并切斷入侵信號(hào)與信號(hào)連接器的連接，以避免入侵信號(hào)虛假信息的輸入。

（3）消除或躲避入侵信號(hào)。當(dāng)受到入侵時(shí)，首先應(yīng)盡可能消除入侵信號(hào)，并將抵消后的合法信號(hào)送解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)；對(duì)于無(wú)法消除的入侵信號(hào)，可通過(guò)更換通信參數(shù)的方式來(lái)躲避，從而維持系統(tǒng)的正常通信。

抗入侵性能的好壞可通過(guò)入侵檢測(cè)的虛警概率和漏警概率來(lái)評(píng)價(jià)。入侵檢測(cè)虛警將可能導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)行不必要的處理，從而影響衛(wèi)星通信系統(tǒng)整體性能。入侵檢測(cè)漏警將可能使用戶(hù)接收到虛假信息，從而導(dǎo)致衛(wèi)星通信系統(tǒng)不可靠甚至不可用。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合已有衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)抗性指標(biāo)，歸納總結(jié)了一套科學(xué)的對(duì)抗性指標(biāo)體系，并深入分析了指標(biāo)含義，提出了指標(biāo)提升方法。本文建立的衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)抗性指標(biāo)體系，可為衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)抗性性能評(píng)估奠定基礎(chǔ)。