卫星通信系统抗干扰性能评估指标体系研究

2014-10-17鲁娜张杰马东堂

现代电子技术 2014年19期

鲁娜++张杰++马东堂

摘要：抗干扰性能评估是卫星通信系统研发中的一项基础工作，要使得评估的结果更加有效可靠，建立一套科学合理的评估指标体系至关重要。给出了卫星抗干扰评估指标体系建立的原则，分析了卫星通信过程中所遇到的各类干扰威胁和相应的抗干扰手段及其对评估指标体系的影响，提出了评价系统物理层安全传输性能的指标，建立了一套卫星通信系统抗干扰性能评估指标体系。

关键词：卫星通信；性能评估；抗干扰；指标体系

中图分类号： TN927?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）19?0029?04

Study on anti?jamming performance evaluation index

system of satellite communication system

LU Na， ZHANG Jie， MA Dong?tang

（School of Electronic Science and Engineering， National University of Defense Technology， Changsha 410073， China）

Abstract： Anti?jamming performance evaluation is a basic work in developing a satellite communication system. It is crucial to establish a scientific and rational evaluation index system to make the assessment more valid and reliable. In this paper， a principle of establishing an anti?jamming evaluation index system is given， and then various jamming threaten， corresponding anti?jamming methods and their impact on evaluation index system are analyzed. Several evaluation indexes of physical layer security are discussed. An anti?jamming performance evaluation index system for satellite communication system was established.

Keywords： satellite communication； performance evaluation； anti?jamming； index system

0 引言

当今卫星通信受到各国的关注和青睐，但由于受在公开的轨道上运行这一自身条件的限制，会面临电磁干扰、截获甚至被摧毁的威胁。面对可能遇到的威胁，各国纷纷提高自身卫星通信系统的抗干扰能力。美国为战略和战术两种环境下的移动用户研发了高抗干扰、高可靠性军事星系统（MILSTAR），又研发了先进极高频（AEHF）卫星通信系统。它继承了军事星的诸多特点，能够提供高安全性的、抗干扰的、不易截获的、不易探测到的通信服务，同时提供“动中通”服务[1]。

性能评估作为一项基础性工作，在系统的设计研发和使用过程中起着重要的作用。评估指标体系不仅能验证系统的合理性，也可以为研发工作提供建议和研发方向。在卫星通信系统抗干扰性能评估方面，目前尚没有一套完备而有效的指标体系。为了突出重点，主要考虑电磁干扰和摧毁这两类威胁，综合分析跳频技术、自适应调零天线技术和链路抗干扰技术等抗干扰手段在评估中的影响，引入卫星通信物理层安全的概念和性能评价指标，建立了一套有效的卫星抗干扰性能评估指标体系，为卫星通信系统抗干扰技术研究提供基础支撑。

1 抗干扰性能评估指标体系建立原则和过程

指标体系是为评估确定的层次化的准则和与方案相联系的属性集的总称[2]。指标体系中的层次是构成体系的骨骼，各个指标则是构成体系的血肉。因此在选取指标时要遵循明确性、全面性、可行性和协调性的原则，在建立指标体系时要遵循完备性、独立性、客观性、简练性、层次性、通用性和开放性的原则[3]。

在建立抗干扰性能评估指标体系的过程中，首先要对卫星通信系统面临的干扰威胁以及抗干扰手段进行分析，确定抗电磁干扰性能和抗摧毁威胁性能这两个主要指标。考虑到跳频和天线在抗干扰过程中的重要作用以及网络交换和物理层安全的影响，抗电磁干扰性能指标包括跳频抗干扰性能、Smart AGC（SMART Automatic Gain Control）抗干扰性能、天线抗干扰性能、星上处理抗干扰性能、链路抗干扰性能、网络交换抗干扰性能和物理层安全传输性能；抗摧毁威胁性能指标主要有可靠性、抗毁性和电子防御能力。在这些指标的基础上，根据其自身特点，还要确定子指标，子指标要具备清晰化、可量化的特点。

2 卫星通信系统面临的主要干扰威胁和主要抗

干扰手段

2.1 主要干扰威胁

由于卫星运行在特定的轨道和高度，因此不具备隐蔽性，这就使得卫星会面临来自各个方面各种类型的干扰。按照链路的不同，常分为上行干扰、星间干扰和下行干扰三种。就上行干扰和下行干扰而言，通常是侦查到上行信号从而干扰下行信号，或者是侦查到下行信号而去干扰上行信号。通常是对上行链路实施干扰，这是由于卫星的轨道和高度固定，易于瞄准；而对下行链路的干扰而言，由于通信终端的距离不定，有些相隔很远，这使得在干扰时需要消耗更大的功率。但是对于距离相隔很近的终端，下行干扰也是很有效的[4]。

就具体的威胁来说，主要考虑电磁干扰和摧毁两大类，下面就这两类威胁进行具体分析。

电磁干扰可以分为压制式干扰、欺骗式干扰和灵巧干扰三类。具体分类如图1所示。

压制式干扰是最常见的干扰样式，脉冲干扰、跟踪干扰等都是一些典型的压制式干扰。例如在快速跳频通信中，利用跟踪干扰的方式会有很好的干扰效果，但是干扰效果同时也受到跳频通信和干扰之间的跳速等参数的限制[5]。

随着抗干扰技术的发展，压制式干扰的功率将大幅度增大，加大了干扰设备的复杂度和规模。然而干扰设备的发展趋势是灵巧性、隐蔽性、便捷性等，这对干扰样式提出了更高的要求。灵巧干扰是一种新的干扰样式，主要考虑以下两个方面的“灵巧”：第一种是针对通信过程步骤中的各个特征实施干扰。常规的干扰研究只关心信号本身的特征，而忽略了通信的过程特征。然而一次完整的通信过程应包括同步引导、帧同步、训练序列等步骤，每一个步骤对准确通信均有重要作用。灵巧干扰根据通信信号的调制、传输、解调等环节特点设计干扰[6]。第二种是可以利用地基干扰机、空基干扰机、天基干扰机的组合形式对通信系统进行干扰。由于各种干扰机的特性不同，组合在一起后可以扩大干扰的频率范围，同时可以减少干扰功率。同时，针对不同的干扰目标，可通过调整干扰机的数量和位置来达到较好的干扰效果。

除了常见的电磁干扰对卫星通信的影响，本文还将分析卫星对抗摧毁的问题。在激光武器等高能武器迅速发展的今天，利用他们对卫星进行的硬摧毁也是不可忽视的一个重要方面。与电磁干扰不同的是，利用定向能武器干扰需要付出更高的代价和成本，但是效果也是电磁干扰无法媲美的。如果说电磁干扰只是导致不能接受正确的指令和不能正常工作，那么定向能武器则可以使整个系统致盲甚至是彻底摧毁。因此，在必要时，即使是要付出更多的代价，定向能武器也是更好的选择。虽然这类干扰的效果很好，但是也受到一些客观因素的限制，例如制导精度、击毁方式和技术难度等都是急需考虑的问题[7]。卫星所面临的摧毁威胁如图2所示。

2.2 主要抗干扰手段及其性能评价指标

卫星通信系统所采用的抗电磁干扰的技术手段很多，常用的有跳频技术、自适应调零天线技术、多波束天线技术、Smart AGC技术等，这些常常被用到抵抗电磁干扰威胁上。对于跳频技术而言，在面临窄带噪声、脉冲干扰这类在部分频段干扰的情况时，跳频能发挥很好的抗干扰效果，甚至有些还具有检测功能，这样就可以避开干扰频段；但是对转发式、跟踪式干扰的抵抗效果一般。如果要抵抗这些干扰，就对跳速提出了一定要求。同时，对于跳频系统自身而言，跳频带宽、跳频码长度、同步时间、跳频增益和干扰容限这几个基本的因素是衡量跳频抗干扰效果的关键[8]。

Smart AGC是一种新型的自适应卫星抗干扰技术，由于其理想的抗干扰性能，已被应用于美国军事卫星通信中[9]。在实施抗干扰的过程中，输入信干比对抗干扰效果的影响很大，因此在性能评估时要考虑这一指标。对于天线抗干扰技术而言，由于不同的天线有着不同的抗干扰特点，因此天线的样式是一个关键的问题，在样式多变不定的情况下，天线的数量、覆盖率和绝对增益都会影响抗干扰效果。除此之外，星上处理抗干扰能力也是需要重视的方面。由于透明转发器自身的抗干扰能力限制，使得现在的星上主要采用处理转发器，其处理转发能力和信号再生能力都是衡量转发器性能的重要指标，其次还需要考虑其编码增益。另外，网络交换的抗干扰能力也影响了卫星通信抗干扰水平，主要关注的指标有服务容量、路由开销、拥塞率、路由切换时延和网络平均吞吐量。最后，链路的抗干扰能力选用干扰容限这一指标。

物理层安全传输性能是近年来提高无线通信系统抗侦测能力的一种新的技术手段。利用无线信道自身特性之间的差异性（如衰落、信号混合和噪声）和随机性，来提高合法用户之间信息传输的安全性。物理层安全性能评价目前尚没有公认的性能评价指标。目前已提出的评价指标主要有保密容量、保密速率、保密中断概率、保密区域等。

保密容量是指合法用户能够以完全保密的方式进行通信时的最大信息传输速率。保密中断概率是指系统的保密传输速率小于某一特定门限速率的概率，当保密传输速率小于此门限速率时即认为保密中断，此时发送者不应试图给合法接收者发送任何信息，即不能达到完全保密的概率。影响系统保密容量及系统中断概率的主要因素是合法用户信道的信噪比与窃听用户信道的信噪比。前者相对于后者越大，保密容量就越大，在相同的信息传输速率下，中断概率也就越小[10]。

在评价抗摧毁威胁时，不会像分析抗电磁威胁时一样从各个不同的具体的抗干扰技术出发，而是从最基本的可靠性、抗毁性和电子防御能力三个大的方面进行评价。对于可靠性，它要既能反映出卫星自身可用的时间限制，也能反映出卫星在出现故障的情况下能够正常完成任务的能力。卫星使用寿命可以体现第一项，第二项可以通过星上设备的备份情况、地面故障修复率和运控系统的冗余度体现。抗毁性是应对毁坏性电子攻击或永久性物理破坏的抵御能力，主要从网络拓扑层的冗余性设计、设备层的硬件备份和设备的可维修概率这三个方面评价。电子对抗已经是未来卫星通信过程中不容忽视的一个方面，它反映卫星通信系统的通信对抗能力，主要有抗干扰措施、处理增益和干扰容限、反欺骗能力以及电磁兼容性这几个评价指标。

3 卫星抗干扰性能评估指标体系

卫星抗干扰性能评估指标体系要对各方面的影响因素进行规整并进行层次划分。卫星抗干扰性能评估指标体系如图3所示。

由于卫星通信系统结构复杂，耗资大，在层次的考虑上要兼顾全面，将指标体系分为四层。第一层卫星是总目标层。由于卫星面临的干扰是多方面的，主要是电磁干扰和摧毁威胁两个大的方面，因此第二层是以抗电磁干扰和抗摧毁威胁这两点为子目标。第三层从十个方面对上一层进行补充，这十项指标相互协调，基本全面地满足上一层指标的要求。第四层所选取的指标是对上一层的具体化，具有可量化和清晰化的特点，可以通过这些指标对卫星的抗干扰性能进行直观的评估[11]。

该体系主要从两大干扰威胁出发进行建立。在电磁干扰部分，综合考虑了常用的抗干扰手段，包括跳频技术、Smart AGC技术、天线的选择和星上处理能力，同时考虑具体的链路和网络交换抗干扰性能及物理层安全传输性能方面，基本能够体现抗电磁干扰性能；在摧毁威胁部分，由于和电磁干扰的性质和方式都不同，因此从可靠性、抗毁性和电子防御三个大的方面进行概括，较为完整地阐述了抗干扰性能的各个方面。

4 结语

抗干扰性能评估指标体系的建立是一个复杂的过程，本文对电磁干扰和摧毁威胁两个方面进行了具体的研究。如今的抗干扰方式也很多，对几种典型常用的抗干扰手段进行了分析，其中包含了评价物理层安全传输性能的相关指标。本文建立的卫星抗干扰性能评估指标体系可为卫星通信系统总体性能评估奠定基础。

参考文献

[1] 杨海平，胡向晖，李毅.先进极高频（AEHF）卫星[J].数字通信世界，2008（06）：84?87.

[2] 郭齐胜.装备效能评估概论[M].北京：国防工业出版社，2005.

[3] 宋鹏涛，马东堂，李树峰，等.军用卫星星座效能评估指标体系研究[J].现代电子技术，2007，30（15）：43?45.

[4] 徐敬，张生.对卫星通信链路干扰仿真分析[J].指挥控制与仿真，2010，32（4）：82?85.

[5] 贺志强.星载雷达干扰机技术与仿真研究[D].长沙：国防科学技术大学，2011.

[6] POISEL R A. Modern communication jamming principle and techniques [M].北京：电子工业出版社，2005.

[7] 杨艺，郭静.美军定向能武器发展通览[J].国外坦克，2012（10）：51?56.

[8] 张毅敏.跳频通信信号参数估计及干扰技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2006.

[9] 谢嫫.基于SMART AGC卫星通信系统的干扰技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2013.