跟踪与数据中继卫星系统抗干扰技术

马 慧，吴彦鸿

(中国人民解放军装备学院 光电装备系，北京 101416)



跟踪与数据中继卫星系统抗干扰技术

马 慧，吴彦鸿

(中国人民解放军装备学院 光电装备系，北京 101416)

随着目前信息化局势的日益复杂，外层空间必将成为未来国际信息权争夺的重要战场，保证TDRSS具有优良的抗干扰性能，意味着能够在天基对抗中取得了主动权。介绍了TDRSS系统组成以及发展现状，针对TDRSS目前主要面临的干扰体制进行重点讨论并仿真模拟，列举了可采用的抗干扰技术。分别在系统设计层面和信号处理层面总结比较抗干扰技术现状和优劣性，并对未来的研究方向进行展望。

TDRSS系统；抗干扰技术；系统设计；信号处理

20世纪80年代以来，跟踪与数据中继卫星系统(tracking and data relay satellite system,TDRSS)的成功在轨运行，实现了低轨卫星的高覆盖率通信，标志着天基测控通信时代的到来。基于天基设计的TDRSS与地面站相比，从根本上解决了可靠性、传输效率以及覆盖率方面的问题，因此在载人航天、卫星平台等领域具有广泛应用。但在电磁环境日益恶劣的通信条件下，如何抑制恶意干扰，提升通信系统的抗干扰能力十分必要。如今星地链路和星间链路的配合使用已催生“无人作战”这种新型作战样式，可见现代战争的信息优势极大程度上取决于空间信息链路，一旦空间信息链路无法正常通信，军队作战能力将明显降低。

1 TDRSS及其干扰技术概述

1.1 中继卫星系统概述

TDRS是通过同步卫星和地面测控站对中低轨航天器进行高覆盖率测控管理和实时数据传输的卫星通信系统[1]。TDRSS包括中继卫星、用户航天器、地面终端站以及地面组网。其中中继卫星属于TDRSS的核心部分，起着透明转发作用，能够将地面遥控指令，测距信号以及其他数据进行宽带传输，转发给用户航天器终端。用户航天器接收指令后进行信号检测，并执行指令内容，然后返回中继卫星所需的测距信号和数据。中继卫星再将信号转发到地面终端站，实现测距测速以及数据通信。TDRSS的传输链路类似 “弯管”状，包括前向链路和反向链路，而每条链路包含地面站与中继卫星之间的星地链路(SGL)以及中继卫星与用户航天器之间的星间链路(SSL)这两部分，能够为用户提供SSA(S波段单址)、SMA(S波段多址)、KSA(Ka波段单址)服务。目前的国际中继卫星系统均是以天基系统为支撑，为中、低轨用户提供跟踪与通信服务。由于其在未来数据中继和测控服务领域的重要战略地位，使得以干扰、破坏和摧毁中继卫星系统为目的的国际电子战成为谋求战场优势的有效作战手段。

1.2 中继卫星干扰现状分析

因为TDRSS通信信道开放的特点，以及中继卫星位于系统前向链路以及反向链路的必经节点，所以对于星地链路及星间链路中存在的干扰必然会影响中继卫星。许多文献资料对地面干扰、低轨道干扰和伴星式干扰进行对比分析，得出等功率下伴星式干扰产生的干扰效果较强[2-4]，因此围绕伴星式干扰展开分析TDRSS干扰现状十分必要。TDRSS数据传输链路和测控链路分别采取直接传输和直接序列扩频(DS)方式进行星地通信和星间数据通信[1]。本节重点针对TDRSS扩频测控体制的干扰样式进行分析梳理，主要考虑压制式干扰和欺骗式干扰，为后续抗干扰技术研究提供理论依据。

1) 欺骗式干扰

欺骗式干扰是由位于地面站或者机载、星载干扰机发射的与TDRSS地面终端站(或用户航天器)发射信号相似，甚至功率更强的干扰信号，造成接收终端跟踪错误信息，产生误判的结果[2]。对于TDRSS航天测控信号施加的欺骗式干扰中，转发式宽带干扰是一种较为有效的干扰方式。干扰机对于截获的TDRSS信号，先将其反转放大，再进行延时处理并转发，当转发信号能量大于有用信号时，就会对TDRSS造成干扰。但是针对伴星式干扰时，当TDRSS同步完成之后的干扰效果还是有限的。

2) 压制式干扰

基于国际间对于安全技术的保密性，国外关于TDRSS安全性防护相关文献资料相对较少，但是可以借鉴美国的MILISTAR和AEHF系统[3-4]。压制式干扰同欺骗式干扰相比，具有易于实现、成本低廉等优点。因此国内的干扰研究主是要围绕压制式干扰展开。近几年研究较为普遍的压制式干扰样式包括宽带干扰(扫频干扰和噪声调频干扰)、音频干扰以及脉冲干扰，能够对输出前、返向链路信号进行实时和分时干扰。

3) 音频干扰

基于天基系统的TDRSS信号传输中，无论是用户终端还是地面终端站接收到的信号都极其微弱，通常低于噪声20 dB左右。音频干扰作为一种可同时干扰多个通信信道的拦阻式干扰，适用范围广泛，干扰效果较好。当音频窄带干扰的信号干扰比达到80 dB时，低功率的测控信号将会完全被压制，使得接收端无法正确解调出传输信息，造成链路错误概率增加。音频干扰主要有单音干扰和多音干扰[5]，本文以多音信号为例，进行讨论分析；音频干扰表达式为

(1)

其中fj表示干扰信号频率；Δf表示各信号之间的频率差；θi表示信号对应的随机相位，均匀分布在[0,2π)。如图1所示是单个窄带带宽为500 Hz，单个载波频率为18 kHz、20 kHz、22 kHz、24 kHz、26 kHz和28 kHz的音频干扰频谱图，能量比较集中，实现难度不高。当干扰信号频率等于TDRSS传输信号频率时，干扰效果达到最好，并且TDRSS受干扰的程度随着干扰信号的中心频率偏离程度的增大而降低。当系统扩频接收机受到单音干扰时，常见的干扰抑制技术是时/频域处理技术。其中处理效果较好的主要2D-CDMA(时频二维扩频)技术和多载波技术。其中，2D-CDMA通过解扩非相关二维扩频矩阵处理音频干扰[6]。针对窄带音频信号只能干扰部分TDRSS信号的特点，多载波技术例如OFDM技术可通过优化分配多个子载波信号有效抑制音频干扰，满足TDRSS可靠性和高数传速率的要求[7]。

图1 多音干扰的时域和频域

4) 窄脉冲干扰

窄脉冲干扰信号实质上是一种矩形脉冲序列，其能量大多数分布在主瓣内[8]。脉冲干扰不同于连续波干扰，是一种新型干扰样式。干扰信号表达式为

(2)

式中：Aj表示干扰信号幅度值；Tr表示序列的脉冲重复周期；g(t)表示具有一定脉冲宽度的矩形脉冲。脉冲干扰的频谱表达式为

(3)

式中：τ表示信号g(t)的脉冲宽度；G(f)表示矩形信号的傅里叶变换频谱。窄脉冲干扰的频谱是包络为Sa函数的离散谱，其时域和频域波形图如图2所示。由图2可知，脉冲干扰的特点是干扰信号瞬时输出功率高于平均输出功率2～3个数量级。因此，突发的脉冲干扰信号很可能使TDRSS测控系统中的中继卫星很快达到饱和状态，造成前、返向链路通信比特错误率显著增大直至通信中断[9]。针对强阻塞的脉冲干扰，合适的处理方式是SMART-AGC(自动增益控制系统)，通过移动线性放大器产生干扰零区对干扰限幅[10]。

图2 窄脉冲干扰的时域和频域

5) 扫频干扰

宽带噪声干扰通常是由宽带扫频干扰和噪声调频干扰相结合组成，能够对某频段产生阻塞式干扰。其中扫频干扰是在一定周期内，信号幅度和本振频率在较宽的频带范围内随时间成比例变化[8]得到的一种分时干扰样式。扫频干扰的表达式为

j(t)=Aj(t)cos(ωjt+φ(t)+θ)=

Aj(t)cos(ωjt+φ(t))

(4)

式中：Aj(t)表示干扰信号幅度变化函数；ωj表示干扰信号初始频率；θ表示干扰信号初始相位。该干扰信号载波的瞬时频率为

(5)

频谱图如图3所示，干扰频率不断进行变化，在某些频段内呈现波动状态。并且可以看出扫频信号能量主要均匀分布在带宽之中，载频为10 kHz，而TDRSS中由于扩频增益的存在，接收端能够对干扰进行一定的扩展。针对属于非平稳过程的扫频干扰，较有效的处理技术是变换域处理技术[11]。

图3 扫频干扰的时域和频域

6) 噪声调频干扰

噪声调频干扰作为宽带压制式干扰的一种，其干扰频率依据基带噪声发生变化。其时域表达式为

(6)

式中：Aj表示干扰信号幅度值；ωj表示干扰中心频率；un(t)表示服从标准正态分布的随机噪声；θ表示干扰信号初始相位，在[0,2π)服从均匀分布。如图4所示是中心频率为100 MHz，调频指数为0.4的噪声调频干扰的频谱图。噪声调频干扰的使用一般与扫频干扰相结合，可产生全面阻塞式干扰。因为TDRSS链路扩频处理增益受到一定限制，干扰方通常使用倾向于这种宽带干扰。针对噪声调频干扰的抑制技术，比较合适的是天线抗干扰技术，调整天线波束对准方向以避开干扰[12]。

图4 噪声调频干扰的时域和频域

2 TDRSS抗干扰技术研究现状

作为天基测控系统的重要组成部分，提高TDRSS的抗干扰能力、实现实时传输十分必要。本文依据抗干扰策略运用方式的不同，将其按照系统设计、信号处理这两大层面进行研究。首先围绕这两个层面的代表技术进行综述，其次详细分析各种抗干扰技术的适用类型和优劣性能。

2.1 系统设计层面抗干扰技术

1) 扩谱技术

扩展频谱技术作为卫星通信抗干扰的常用技术之一，通过伪随机序列特有的大冗余度提高干扰容限，符合卫星通信信道的稳定性和隐蔽安全需求。扩谱技术包括跳频扩谱(FH)、直接序列扩谱(DSSS)以及混合扩频(DS/FH)[13]。文献[14]对自适应跳频技术进行分析，对于宽带噪声干扰和音频干扰抑制性能有明显改善。而扩谱技术的兼容性使得扩谱技术能够和多种技术相融合，包括DS-CDMA、OFDM-CDMA技术，保证尽可能利用频谱资源，但在一定程度上受到系统发射功率的限制。运用扩谱技术需要重点关注的问题是接收站的时钟同步问题，要求克服系统传输过程中的抖动和时延现象，保证卫星实现定时精确。

2) 编码调制技术

TDRSS目前数字调制技术以MPSK(多进制相移键控)为主，主要为BPSK、QPSK以及8PSK技术，编码技术包括BCH编码、RS编码以及级联码。但是随着中继卫星数据通信的任务需求，采用频谱利用率高且干扰抑制能力强的编码调制方式已亟不可待。Cham等人针对军事通信系统数据速率有限问题，提出使用MBOK(多进制正交键控)调制方式，验证了其在脉冲干扰及噪声干扰情况下较原有波形性更优[15]。李春霞等人针对卫星导航信号，采用BOC(二进制偏移副载波)技术进一步改善了载波跟踪抗干扰效果[16]。美国的JTIDS(联合战术信息分布)系统就在使用MSK调制方式的基础上，建立多层纠检错编码方式，提高通信系统性能。到目前位置，LDPC(低密度奇偶校验)编码因为具有接近香农极限的优势，使得其在卫星通信领域使用广泛，但是会受到结构上随机性的限制。针对这种情况，有学者提出了具有准循环特性的QC-LDPC(准循环低密度奇偶校验)码[17]。文献[18]提出将该码与MIMO技术相级联，既可以提升信息速率又可以保证较好的鲁棒性。而Maleki等学者提出，对于链路中干扰情况可利用认知无线电技术进行实时频谱感知，保证链路状态和通信环境最大化匹配，兼顾考虑通信链路的吞吐量和可靠性[19]。

3) 天线抗干扰技术

HPLC-QAMS同时测定复方黄芩片中6种活性成分的含量……………………………………………………… 胡 丹（11）：1510

在天线端采取相应措施，分离出有用信号，也是一种较为普遍的方法。天线抗干扰方面主要的抗干扰技术包括自适应调零技术、DFB(自适应数字波束形成)技术、SMART AGC技术。自适应调零技术是利用自适应加权操作对干扰信号进行陷波处理，降低信号受干扰程度。现有的自适应滤波算法中，Compton学者提出的功率倒置算法[20]应用极为广泛，但是自适应调零技术对于实时性要求较高[21]。DFB技术是指运用自适应算法对射频信号进行加权更新处理的阵列天线控制技术[22]。SMART AGC技术利用干扰信号与测控信号各自的包络特点通过自动调整零区，达到抑制干扰能量的效果[23]。

4) 星上处理技术

中继卫星位置固定，属于TDRSS中的重要部分也是脆弱部分，因而采取星上处理技术十分必要。星上处理技术主要作用于前向链路和反向链路上，以减少TDRSS传输时所受干扰。目前常用的星上处理技术包括星上基带处理技术、星上编码及交织技术、信号复用技术等[24]。美国的Milstar卫星采用星上处理技术进行解扩操作，简化地面站设备复杂度的同时提高卫星的信号保密性[25]。而针对再生式星上处理技术存在的应用复杂问题，杨烊等人基于时分复用技术，设计了非再生式星上处理技术，在一定程度上降低技术实现的复杂度[26]。文献[27]对WCDMA星上处理技术进行讨论。

5) 激光通信链路的组建

采用激光通信技术能够在满足未来天基高数据传输率的同时，也能有效避免电磁波信号的干扰。目前美国等国家逐步确定在2017年前发射激光数据中继卫星，而且已经获得部分成果[28-30]。目前我国关于激光通信非相干体制通信的研究取得一定进展[20]，但至今还未得到实际验证。基于激光通信在传输容量方面的优势，着重发展我国的星间激光通信很有必要。

2.2 信号处理抗干扰技术

1) 变换域处理技术

变换域处理通过将信号变换到其他域以获得信号的有用特征信息，取得更好的抑制结果。最初通过FFT变换技术提出变换域滤波技术，能够有效抑制干扰，但是受限于频谱泄露的约束。有学者对此进行优化，提出滤波器组变换域技术，一定程度上克制了频谱受限的约束。但是基于块变换的处理技术都对频率波动比较敏感，鲁棒性一般。因此学者Jones提出了重叠变换的处理技术并加以研究分析，应用结果显示重叠变换能够较好地抑制平稳窄带干扰，但是对于非平稳过程适用性差[31]。还有学者对基于小波变换的处理技术进行研究，能够对实时变化的干扰信号起到抑制效果，鲁棒性较好[32]。

ADP(幅度域处理)技术是基于干扰信号的概率密度函数，对输入信号的幅值重新设定，达到改善信噪比的结果。文献[33]基于干扰信号幅度的统计特性进行干扰抑制研究，处理过程相对易于实现，对于连续波干扰、脉冲干扰以及线性调频干扰抑制效果较好，但不适于高斯白噪声干扰。然而研究表明，幅度域滤波在有些干扰场景下具有一定的局限性，针对此文献[34]提出将幅度域滤波应用于频域处理干扰，针对扩频信号的抗干扰可靠性进一步提高。但在一定程度上会导致频谱泄露，对此张天桥等人围绕重叠加窗思想对频域处理技术进行优化，并针对计算过程进一步简化，降低了系统实现复杂度[35]。

3) 链路自适应技术

目前TDRSS星地和星间链路都是恒定传输速率，给系统的抗干扰能力带来很大的局限性。为保 证信息传输的实时性和准确性，链路调制体制需要具备自适应匹配环境状态的能力。链路自适应技术包括功率自适应技术和数据速率自适应技术[36]，

自适应功率控制技术就是根据信号在通信链路传输过程中的损耗大小自适应调整地面测控站的功率发送，尽量减少链路受干扰程度。工作形式包括开环、闭环和反馈环路三种。而数据速率自适应技术可对功率控制技术进行补充，用信息传输速率的降低换取信号的分集能力，在保证链路裕量的前提下降低中断率。兼顾通信链路的频谱利用率和数据传输速率方面，已在EDGE、GPRS、OFDM、DVB-S2标准方面具有较好的应用前景[37-39]。如今自适应无线技术发展日益成熟，翟政安等学者提出链路参数自适应调整的理念，中继卫星可根据链路干扰进行即时调整，相比固定调制体制而言，能够提供更大的干扰容限，达到降低链路的误码率和中断可能性的目的[40]。

通过在系统设计、信号处理角度进行干扰抑制手段的分析，对于TDRSS未来安全防护技术具有重要意义。为更好地保证系统的隐蔽性、低截获能力，对各种干扰抑制手段的代表技术进行具体分析，并且列出其具体应用场景，以及对各自算法的优劣性进行列表对比。如表1所示，表1为更好实现TDRSS功能，尽可能降低军事干扰提供理论依据和具体参考。

表1 干扰抑制技术及优劣性对比

3 进一步的研究方向

尽管目前的通信抗干扰技术发展迅速，对于优化TDRSS性能有很大意义，但现有抗干扰技术仍存在适用范围局限、抑制效果一般，抗干扰体制还存在一定的缺陷。因此基于现有的通信抗干扰方法，结合新型算法和科学技术，研究出保障力更强的通信体制很有必要。目前，仍存在一些方面值得重点研究：

1) 设计高抗干扰容限的卫星通信传输体制。对现有的空时域处理、幅度域处理和编码域处理等技术进行联合研究，从TDRSS链路实际要求出发，综合提高系统抗干扰能力。目前在宽带测控、智能组网方面研究仍处于空白状态，因此建立完善的抗干扰体制必不可少。从安全防护角度进行考虑，不仅要对系统关键节点进行抗干扰研究，还需考虑研究系统链路或者通信设置。

2) 对混合扩频和自适应扩频编码进行进一步研究。DS/FH电子对抗手段还不成熟，混沌序列和密码序列作为新型编码算法，具有良好的处理增益。同时对于采用扩频技术时产生的互调分量的影响，要进行针对性的抑制。

3) 依据卫星信道实时状态，选择合适的调整方式，对多调制方式、多编码方式进行研究，实现实时链路自适应调整。在保证通信系统抗干扰性能良好的同时，达到尽可能大的数据传输速率。

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(责任编辑 杨继森)

Research on Tracking and Data Relay Satellite System Anti-Jamming Technology

MA Hui, WU Yanhong

(Institute of photo-electricity Equipment, Academy of Equipment of PLA, Beijing 101416, China)

With the increasing complexity of information situation, the outer space will be an important battlefield for the future international information rights competition. And it’s important to ensure that TDRSS(tracking and data relay satellite system) has excellent anti-jamming performance which means that it can take the initiative in space confrontation. Firstly, the composition and development status of TDRSS system are briefly introduced. Secondly, the interference system of TDRSS is mainly discussed and simulated, and the anti-jamming technologies which can be used are put forward. Finally, the current research situation of anti-jamming technology is analyzed at the system design level and the signal processing level, and the advantages and disadvantages of different technical means are discussed respectively. The future research direction of relay satellite anti-jamming technology is prospected.

TDRSS system; anti-jamming technology; system design; signal processing

10.11809/scbgxb2017.07.027

2017-03-18；

2017-04-25

马慧(1993—)，女，硕士研究生，主要从事现代信号处理的研究。

format:MA Hui, WU Yanhong.Research on Tracking and Data Relay Satellite System Anti-Jamming Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):123-128.

TN911.4

A

2096-2304(2017)07-0123-06

本文引用格式：马慧，吴彦鸿.跟踪与数据中继卫星系统抗干扰技术[J].兵器装备工程学报，2017(7):123-128.