對衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的干擾識別技術分析

趙憲章，李永安，馬曉遠

（河北東森電子科技有限公司，河北 石家莊 050200）

1 背景

隨著計算機技術的發(fā)展，人類正逐步從工業(yè)時代向信息時代過渡，信息的傳遞對于現(xiàn)代社會的發(fā)展有著舉足輕重的作用，誰在信息傳遞上領先，誰就處于發(fā)展的有利地位。因此，當前各式各樣的通信工具和通信手段成為了各國研發(fā)機構的重點領域。目前的信息傳遞手段以無線衛(wèi)星通信為主，所以無線通信的安全性顯得尤為重要，特別是在信息化戰(zhàn)場中，復雜的信息化戰(zhàn)場環(huán)境下，敵方的電子干擾裝備和手段頻出，無線通信的安全性成為了戰(zhàn)爭勝利的關鍵所在。作為一種重要的通信手段，衛(wèi)星通信在現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境中有著至關重要的地位和作用，是戰(zhàn)場指揮與控制的重要橋梁。

隨著通信技術的不斷發(fā)展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的干擾識別技術也會不斷提升，未來的衛(wèi)星通信系統(tǒng)將會面臨日益復雜的電磁干擾環(huán)境。因此，為了保證我方在衛(wèi)星通信領域取得優(yōu)勢，必然要對干擾識別技術進行更深入的研究。

2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)整體方案介紹

衛(wèi)星通信是地面利用太空人造通信衛(wèi)星作為中繼站而進行的無線電通信，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音等的傳播。衛(wèi)星通信系統(tǒng)由人造通信衛(wèi)星、衛(wèi)星地球站以及用戶終端組成，實質上是一種微波通信。其中，人造通信衛(wèi)星的主要作用是轉發(fā)各衛(wèi)星地球站的信號；衛(wèi)星地球站的作用是接收和發(fā)射用戶終端的信號。

目前，衛(wèi)星通信系統(tǒng)在我國國民的生產、工作、生活當中發(fā)揮著日益重要的作用，特別是對維護國家安全有著不可替代的作用。衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要有以下特色：

（1）覆蓋面積大：衛(wèi)星通信系統(tǒng)受自然環(huán)境和地理位置的影響小，在失去地面通信的情況下，特別是在地面通信無法到達的區(qū)域，在衛(wèi)星通信的覆蓋面積內均不受影響，且一顆衛(wèi)星可以覆蓋地球三分之一的面積，通信的距離與通信成本并沒有直接關聯(lián)，通信成本低。

（2）工作頻帶寬：衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可用頻段為150MHz-30GHz。

（3）通信質量好：衛(wèi)星通信中電磁波主要在大氣層以外傳播，電波傳播非常穩(wěn)定。雖然在大氣層內的傳播會受到天氣的影響，但仍然是一種可靠性很高的通信系統(tǒng)。

（4）網(wǎng)絡建設速度快、運營成本低：衛(wèi)星通信除了建設地面站以外，無需進行其他地面施工，運營維護的成本較低。

（5）信號傳輸時延大：與地面通信不同，為了保證衛(wèi)星通信的暢通，高軌道衛(wèi)星的雙向傳輸時延往往達到秒級，在進行語音傳輸時會有比較明顯的延時。

（6）控制復雜：衛(wèi)星通信技術作為一項高精尖技術，其控制要求相對較高，因為在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，所有的鏈路都是無限鏈路，而且太空中的人造通信衛(wèi)星是在不斷移動的，因此控制系統(tǒng)較為復雜。

3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的干擾識別技術

隨著衛(wèi)星通信系統(tǒng)的廣泛使用，衛(wèi)星信號的傳輸面臨著越來越復雜的電磁環(huán)境。為了更好地應對復雜的干擾環(huán)境，特別是在多變的戰(zhàn)場環(huán)境下，保障我方衛(wèi)星通信系統(tǒng)的正常使用，需要長期對存在的各式干擾信號進行采集、提取和分析，從而采取正確的應對措施。而且，識別技術越先進，更能夠越快、越準確地作出應對，取得衛(wèi)星通信的優(yōu)勢。

目前針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的干擾信號自動調制識別的方法主要是兩類：分別是決策論法和統(tǒng)計模式識別法。

而衛(wèi)星通信系統(tǒng)中干擾信號的特征識別主要是指對干擾信號調制方式的識別，即調制識別，其作用主要是識別不同干擾信號的調制種類。目前已有大量的研究成果，識別方法包括：BP神經網(wǎng)絡（應用最廣泛的神經網(wǎng)絡）、決策樹（直觀運用概率分析的一種圖解法）、SVM（由模式識別中廣義肖像算法發(fā)展而來的分類器）等。

4 衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的干擾信號分類

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的種種優(yōu)勢讓其在當今社會得到了廣泛應用，但是也正是由于這些優(yōu)勢，如通信覆蓋面積廣等，就很容易遭受各類電磁干擾。目前，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的干擾因素主要有以下幾類：

（1）傳輸路徑上的干擾。衛(wèi)星通信信號在從人造通信衛(wèi)星傳輸?shù)叫l(wèi)星地球站時會遭受各種各樣的外來因素干擾，包括電離層（含平流層）延遲干擾、對流層延遲干擾、多路徑誤差干擾等。電離層（含平流層）延遲干擾是指高度在60-1000千米間的大氣層，在太陽紫外線、X射線、γ射線和高能粒子的作用下，該區(qū)域內的氣體分子和原子將產生電離，形成自由電子和正離子，從而影響到衛(wèi)星通信信號的傳輸；對流層延遲干擾是指在10-20千米的對流層，受地球天氣影響較大，包括雨、云、霧等，都能對衛(wèi)星通信信號產生一定的影響；多路徑誤差干擾是指在地面環(huán)境復雜的衛(wèi)星地球站，某些物體所產生的信號與通信衛(wèi)星所傳輸?shù)男盘栠M行重疊后共同由衛(wèi)星地球站接收，影響了衛(wèi)星通信的質量。

（2）同類系統(tǒng)間的干擾。在衛(wèi)星通信信號傳輸?shù)倪^程中，如果周邊有同類通信系統(tǒng)，且傳輸頻率類似，就可能會出現(xiàn)相互干擾的情況，比如地面通信系統(tǒng)、衛(wèi)星電視等，但是這類干擾一般持續(xù)時間較短，也影響較小。

（3）人為電磁干擾。這類干擾信號主要出現(xiàn)在通信戰(zhàn)場環(huán)境下，用于敵我雙方對戰(zhàn)場上通信信號的爭奪。

以上是目前出現(xiàn)衛(wèi)星通信干擾信號的主要成因，而這些出現(xiàn)的干擾信號又有以下幾類典型：

（1）寬帶噪聲干擾信號和窄帶噪聲干擾信號。這是根據(jù)在通信全頻范圍內，干擾頻帶的占比來進行分類的，占比較大或全頻段干擾的是寬帶噪聲干擾信號，占比較小的是窄帶噪聲干擾信號。

（2）單音干擾信號和多音干擾信號。指針對通信頻帶的單個或多個頻點進行干擾的信號。

（3）脈沖干擾信號。大多是認為的電磁干擾，主要應用于敵我雙方對戰(zhàn)場上通信信號的爭奪，通常會對通信質量產生巨大影響。

5 干擾識別技術研究現(xiàn)狀

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的干擾識別技術實質上也是一種模式識別，對衛(wèi)星通信干擾信號的識別可分為以下三個步驟：

第一，首先針對通信系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和信號進行提前處理，將內容從信號空間轉移到觀察空間；

第二，對通信系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和信號進行特征選擇，將其從觀察空間轉移到特征空間，并對這些信號的各類特征與參數(shù)進行選擇與甄別，這一步驟是整個過程的關鍵與核心。

第三，通過前兩個步驟的實施已經可以識別出干擾信號的各類數(shù)據(jù)。最后一個步驟的作用主要是針對已識別出的干擾信號，進行針對性的應對。如果是曾經遇到過的干擾信號，只需要根據(jù)以往的應對措施進行布置與安排，如果是未知信號，則需要對其進行數(shù)據(jù)錄入與分析，得出最科學的應對措施。

目前雖然有很多通信專家都進行了此類技術的研究，但是考慮到衛(wèi)星通信領域的特殊性與敏感性，事實上公開報道出來的衛(wèi)星通信系統(tǒng)干擾識別技術還比較缺乏，大多數(shù)是針對特定環(huán)境或特定項目的干擾技術研究。

本文根據(jù)眾多專家學者的研究成果，主要提出以下兩類干擾識別技術：

（1）基于特征提取的干擾識別技術研究。目前，基于特征提取的干擾識別技術研究已有大量成果，其算法也是多種多樣，比如：BP神經網(wǎng)絡（應用最廣泛的神經網(wǎng)絡）、決策樹（直觀運用概率分析的一種圖解法）、SVM（由模式識別中廣義肖像算法發(fā)展而來的分類器）等等。

（2）基于卷積神經網(wǎng)絡的干擾識別技術研究。卷積神經網(wǎng)絡是一類包含卷積計算且具有深度結構的前饋神經網(wǎng)絡，是深度學習的代表算法之一。卷積神經網(wǎng)絡具有表征學習能力，能夠按其階層結構對輸入信息進行平移不變分類，因此也被稱為“平移不變人工神經網(wǎng)絡”。

6 干擾識別技術的未來發(fā)展趨勢

通過對當前衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及技術分析，未來的衛(wèi)星通信干擾識別技術將有以下幾個發(fā)展趨勢：

（1）小型微型化。未來的衛(wèi)星通信領域，特別是通信戰(zhàn)場，在不具有大型專業(yè)化的抗干擾監(jiān)測設備的情況下，特別需要小型微型化尤其是能夠單人攜帶的手持檢測設備，來應對突發(fā)情況的產生，保持衛(wèi)星通信的通暢。

（2）高性能化。隨著衛(wèi)星通信和信號干擾技術的發(fā)展，未來一定會產生大量具有高破壞力的干擾信號發(fā)射設備，比如已經面世的電磁脈沖技術，而且這些技術和設備只會向更加便捷化、小型化發(fā)展，干擾的功率也會越來越高，因此需要高性能和的抗干擾技術與設備來與之對抗。

（3）復合化。未來的衛(wèi)星通信系統(tǒng)干擾識別技術不僅僅是要實現(xiàn)對干擾信號的監(jiān)測，更需要能夠處理這些干擾信號的能力，包括提取、識別、破壞等，同時也要提高預防能力，可以實現(xiàn)全天候不間斷地監(jiān)。

7 結束語

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的干擾識別技術研究，能夠實現(xiàn)對各類型干擾信號的甄別與應對，有效保障了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的正常運轉，對于維護國家安全、保障民生有著重大的戰(zhàn)略意義。