对某低轨卫星通信系统上行链路的干扰研究＊

（装甲兵工程学院 北京 100072）

1 引言

随着当前卫星技术的迅速发展和移动通信需求的不断扩大，移动卫星通信已经成为军事卫星通信的重要组成部分，在现代军事行动中的地位也越来越重要，以美国为代表的军事大国十分关注民用移动卫星通信系统的军事应用潜力，甚至不惜重金扶持民用卫星项目。以“铱星”为代表的低轨卫星移动通信系统在经过破产重组，通过与美军方的合作，在军事应用领域取得较大的进展。

由于“铱星”系统任务的多样性，以及它在军事领域的应用前景十分广泛，因此研究其自身的特点，并据此分析对其进行干扰的可行性是十分必要的。本文分析了“铱星”系统及其抗干扰措施，对其上行链路的跟踪与干扰进行分析，仿真分析了干扰上行链路的可行性。

2 “铱星”系统及其抗干扰措施

“铱星”系统采用了以往的卫星移动通信系统不曾采用的低轨道和极地轨道、多卫星星座和多轨道平面的卫星轨道新体制，以及多小点波束和星际链路等核心技术，加之它满足了GEO 移动卫星通信系统所难满足的抗干扰能力与隐蔽性、抗毁性和顽存性等军事要求，因此更受美国军方青睐。“铱星”系统的抗干扰措施如下：

1）信关站。由于“铱星”系统拥有自己的信关站，可以把来自世界各地的电话引导到位于夏威夷瓦希阿瓦的信关站［1］，美军利用“铱星”系统为军用用户提供“机密的端到端通信”，而所用的手机都植入由国家安全局研制的安全保护芯片，这样就增加了系统的保密性。

2）多波束天线技术。可根据战场形势的变化控制星上发射天线指向，使其波束覆盖范围随用户运动作相应变化，还可恰当选择卫星天线波束形状来提高通信系统的抗干扰能力［2］。当某一波束受到干扰时，关闭这一波束，而其他波束不受影响，这样既阻止了干扰，也不影响卫星接收地面信号。

3）星际链路。星际链路使卫星之间互相连通构成卫星通信网。有多颗卫星、多链路供指挥通信使用，众多的用户直接对卫星通信。并具有互通能力，减少对地面中继系统的依赖性从而提高整个系统的抗毁性。

4）星上处理技术。铱星系统中所采用的基带信息处理式转发器是最复杂的一种星上处理转发器［3］，不仅具有星上再生能力（将经过线路传输受到失真和干扰等损伤的信号重新形成原传输信号的过程），而且还具有星上基带信号处理和交换能力。工作工程如图1所示。

图1 处理转发器工作工程

5）各种纠错方式增加了系统的抗干扰性。前向纠错（FEC）是在发送端送出能够纠错的码，接收端根据译码规则检出并自动纠正传输中出现的错误。“铱星”系统采取卷积码和QPSK 调制相结合的方式，用户终端采用3／4码率FEC／Viterib软判决译码的纠错方式，在误码率为10-3的条件下，编码增益大于2．6dB，从而使系统的整体性能得到提高。

3 信号跟踪及上行链路干扰

由于“铱星”系统在高度为780km 的轨道上运动，相对于地面站的位置是实时变化的。因此，对卫星信号的跟踪截获尤为关键，地面站对下行链路的侦收是对上行链路的干扰的基础。

3．1 对下行链路的侦收

通信侦察接收机要能对下行信号实施侦收，必须满足以下条件：

1）频率对准

首先，下行信号工作频段fd（GHz）在侦察接收机工作频段［fdmin，fdmax］之内。另外，“铱星”上下行链路采用FDMA／TDMA 形式，TDMA 信号的帧结构如图2所示。需要侦收的是DL1～DL4下行时隙（分帧）信号。

图2 TDMA 信号帧结构

2）方位对准

侦察接收机和通信方处于同一波束覆球区之内，即要满足位置条件：

式中，β为波束覆球区的地心角，βsd为通信卫星和侦察设备在地球表面上投影间的地心角。

对“铱星”系统跟踪实时性要求较高，通常使用单脉冲跟踪和程序跟踪或同时使用。可以利用跟踪软件Orbition对卫星进行实时的跟踪和模拟，Orbition提供了卫星星历，并依据观察点的不同可以模拟出不同时刻卫星的仰角、方位角以及运行轨迹。

3）侦察设备接收到的下行信号功率Sdd应不低于侦察机的灵敏度Pdmin。即满足能量条件：

式中，Sdd＝EⅠRPs＋Gds-Ls，Gds为侦察设备接收天线在通信卫星方向上的增益，Ls为传播损耗。

3．2 对上行链路的干扰

实现对“铱星”系统的有效干扰，一般选取瞄准式干扰或拦阻式干扰。由于大多采用地面大功率干扰站，因此本文重点研究对上行链路的干扰。

干扰设备对上行信号进行有效干扰，必须满足以下条件［4］：

1）上行信号工作频率Fu在干扰设备的可干扰频率范围［fjmin，fjmax］之内。

2）干扰设备和通信方处于同一波束覆球区之内，即要满足位置条件：

式中，β为波束覆球区的地心角，βsj为通信卫星和干扰设备在地球表面上投影间的地心角，

3）卫星接收机接收到的干扰信号功率要大于等于卫星接收机的灵敏度。

在“铱星”系统中，上行链路信号采用QPSK 调制方式。载波接收功率与噪声功率之比C／N 可以写成

式中，Eb为每单位比特信息能量；R为比特传输速率，R＝50kbs；B为接收机带宽，B＝50kHz；n0为单位频带噪声功率（单边噪声功率谱密度）。Eb／n0称为归一信噪比。

假设干扰设备有效全向辐射功率为EⅠRPE，上行链路总的传播损耗为LU，卫星转发器接收天线增益为GRS，则卫星转发器接收机输入端的干扰功率为

接收系统噪声功率为N0，N0＝10lg（kTB）。式中，k为波尔兹曼常数（1．38×10-23W／（Hz·K），T为卫星转发器输入端等效噪声温度；B为卫星转发器接收机带宽。

自由空间损耗为

其中d为传播距离，f为工作频率f＝1．62125GHz。LU＝LP＋La，La为传播损耗La＝15．7dB（有遮蔽）。

卫星转发器接收机输入端的载噪比为

其中C＝EⅠRPU＋GRS-LU（dBW），EⅠRPU为用户终端有效全向辐射功率。

综合以上所得：

卫星转发器接收机输入端的干扰功率为

干扰设备有效全向辐射功率

4 干扰可行性分析

数字通信系统的干扰效果一般用通信系统的差错率——误码率Pe来度量。为了评价通信系统受干扰的程度，可以定义数字通信系统的干扰等级［5］：

当Pe≥0．2时，通信系统受到强干扰，干扰等级为三级；

当0．12≤Pe≤0．2 时，通信系统受到中度干扰，干扰等级为二级；

当0．05≤Pe＜0．12时，通信系统受到轻度干扰，干扰等级为一级；

当Pe＜0．05时，通信系统未受干扰。

对于QPSK来讲，误码率与归一信噪比的关系为

那么，结合式（5），铱星系统误码率为

4．1 干扰功率要求

理想情况下，“铱星”系统卫星接收机灵敏度为-148．5dBW。链路余量为16dB。因此C＝-148．5＋16＋2．6（dBW）＝-129．9dBW（2．6dB 为纠错增益），LU＝161．3dB，接收天线增益GRS＝22．6dB，因此，结合式（8），利用Matlab仿真，如图3所示。

图3 理想情况下干扰功率—误码率曲线

从图3中可以看到，当JU＝1×10-12W 时，系统误码率为0．325，系统干信比达到了10。我们认为通信被完全干扰，系统无法正常工作，即达到干扰效果。

此时，干扰设备有效全向辐射功率：

干扰设备功率：

G为干扰天线增益，取G＝10dB

“铱星”系统一个波束可以提供80路全双工话音电路，因此若干扰整个波束需要的干扰功率为

4．2 实例分析

“铱星”系统波束覆盖图如图4所示。

图4 “铱星”系统波束覆盖图

假设干扰设备处于蜂窝1＃、6＃、12＃、16＃。

结合以上公式，计算数据如表1所示。

表1 用户—卫星上行链路参数

因此，当干扰设备处于16＃波束内，所需干扰功率最大，为730W。若采用地基干扰站，完全可以满足这个需求。

5 结语

由上面的分析可知，对上行链路进行有效干扰时，需要满足一定的功率要求。若采用升空平台或伴星干扰，由于干扰距离降低，所需得干扰功率也会大大降低。因此，发展升空平台，采用机载干扰机将是未来重点的发展方向。

［1］陈周国，陈浩，谢永春．美军卫星通信安全防护技术发展概要［J］．卫星与网络，2008，11（11）：66-67．

［2］柴焱杰，孙继银，李琳琳，等．卫星通信抗干扰技术综述［J］．现代防御技术，2011，39（3）：113-117．

［3］张更新，张杭．卫星移动通信系统［M］．北京：人民邮电出版社，2001（9）：500-502．

［4］曹志耀，丁鲲，顾有林．卫星通信对抗方法及其数学模型［J］．军事运筹与系统工程，2001，3（3）：9-19．

［5］冯小平，李鹏，杨绍全．通信对抗原理［M］．西安：西安电子科学技术大学出版社，2009（8）：225．