对卫星通信系统的星地一体对抗技术初探

2019-12-12贾铁燕

航天电子对抗 2019年5期

贾铁燕，崔宁

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081; 2.中国人民解放军96902部队，北京 100015)

0 引言

世界高新技术的迅速发展，正改变着当今战争的模式，高技术下战争的特点将是陆、海、空、天、地、网、电等多维度立体化信息战，交战双方在战争中进行全时空的信息较量，争夺对信息的控制权，以赢得战争的胜利。信息战是建筑于指挥、控制、通信、情报、侦察、监视等一系列能力的基础之上，通信作为系统的神经与纽带，占有举足轻重的地位，而卫星通信由于其不可取代的空间优势经常被作为干线链路使用，是高速度、高强度、高技术现代战争的重要组成部分，因此研究对卫星通信网的对抗技术，成为掌握战争主动权的关键之一。

本文正是针对应用广泛的卫星通信系统，从无线通信网的对抗技术入手，对天基平台与陆基平台相结合的天地一体卫星通信系统对抗技术进行了初步探讨。

1 对无线通信网的攻击技术

无线通信网通过电磁波进行传输，因此在电磁波覆盖区域内，所有的用户均能够接触到网络中传输的内容，无线链路信道的这种开放特性，为实施攻击提供了便利条件。

针对无线通信网的攻击策略可以简单地划分为被动式攻击与主动式攻击两大类：被动攻击指攻击者并不实施攻击行为，攻击的目的主要是收集信息，而不是对目标网络造成破坏，被动攻击的主要形式是无线窃听，通过无线窃听、截获无线链路上传输的内容进行分析与统计，获得目标网络的运行状态、情报信息等；主动攻击则又可以根据攻击的方式方法细分为持续干扰、灵巧干扰、欺骗攻击以及智能干扰等，下面分别进行详述。

1.1 无线窃听

由于无线通信的通信信息经由无线信道进行传输，与有线通信相比较，无线链路的开放性使得其传输的信息内容更容易被截获。攻击者只需要使用相应设备，在其传输通路上，就可以对无线通信所传输的信息内容进行窃听。例如可以通过对商用无线通信系统的窃听，可获得用户身份信息、计费信息、密钥信息以及位置信息等，从而达到获取用户隐私、侵犯用户资源的目的；而对军事、国家等重要通信系统的窃听，更是可以获得用户的指令、行为、部署等信息，是窃取情报的重要手段。

1.2 持续干扰

持续干扰也可以理解为大功率压制干扰，由于无线通信的通信载体是电磁波，因此可以利用大功率发射装备对正常的通信链路实施不间断的干扰，即持续干扰，达到降效或阻断通信业务的目的。对目标通信网络使用的工作频率发射干扰信号，可使得接收端接收到的正常通信信号信噪比无法达到接收要求，从而接收端无法正确解译传输的通信内容，达到干扰目的。

1.3 灵巧干扰

灵巧干扰的定义并不十分明晰，本文将针对目标系统特性，采取灵活多变的干扰样式以达到一定干扰效果，同时可大量节约干扰功率的干扰方式称作灵巧干扰，一般指无反馈(反应)的干扰方式。

持续干扰一般会忽略通信的过程性特征，即不考虑通信的时、频、空、功率的变化性，在一定的频域、时域、空域以及功率域等多维空间上进行通信信号的覆盖，达到压制的效果。但是实际通信过程中，通信特征不是一成不变的，通常会包括同步、建联、持续、拆链等各个过程，数据封装的格式也会包括同步引导、帧同步、训练序列、校验字段等各个字段。因此，针对各种通信过程、环节、字段等，不再持续实施干扰而是只对数字信号的一部分进行有针对性的干扰，称之为灵巧干扰。

如灵巧干扰使用恰当，其效果将优于持续干扰，即在相同干扰效果时所使用的干信比将优于持续干扰。但是，灵巧干扰的干扰过程需要与目标通信系统相匹配，实现较为复杂。

灵巧干扰与持续干扰相比较，具有以下特点：

1)干扰隐蔽性较强，干扰功率较小。灵巧干扰弱化了功率的决定性作用，因此具有不易被察觉、保障己方安全的特点。

2)干扰设备的灵活机动性好。由于灵巧干扰降低了干扰功率，因此其成本被降低，而且设备体积也有所减小，可实现便携、车载、机载、星载等多种形式，方便组网形成更高效的干扰网络。

3)干扰信号样式多，目标针对性较强。灵巧干扰针对不同的过程特征使用不同的干扰信号样式，如可干扰导频信号、干扰同步过程等，因此干扰信号样式多种多样，效果也灵活多变，但是由于目标通信系统的多样性，灵巧干扰只能针对特定目标实施。

灵巧干扰的基本架构设计如图1所示。首先进行信号侦收，获取信号参数特征，再根据信号特征进行干扰信号引导，设计不同的干扰样式，生成干扰信号发送。此过程中，需根据先验知识进行干扰信号的引导与生成，并从时间、空间、频率、样式、过程等多个维度引导发射干扰信号。

图1 灵巧干扰基本架构

1.4 欺骗攻击

无线通信系统用户与网络之间的交互过程是利用无线链路完成的，仍然是由于无线链路的开放特性，如果一旦可以窃听到用户的身份并进行仿冒，那么攻击者就可以利用窃听到的合法身份进行仿冒攻击，从而达到对目标网络欺骗的目的，这样一来，不仅仅对目标网络造成了扰乱，而且实现了欺骗。通过欺骗攻击，攻击者可以无偿获得网络的服务，也可以假冒网络服务欺骗终端用户，从而掌控更多的网络资源。

由于欺骗攻击针对不同的目标网络其实施与实现过程均不同，涉及物理层、链路层、网络层乃至应用层等多层次的知识，这里不作为重点描述。

1.5 智能干扰

电磁环境日益复杂，信号在频域、时域、空域等多维严重拥堵，常规的无线窃听能力被降低；而通信信号抗截获与抗干扰性能不断提升，灵巧干扰已经无法适应，在人工智能、软件无线电、认知电子战等多种技术的综合推动下，智能干扰技术应运而生。

非合作条件下，攻击方无法充分掌握目标通信系统的全部模式，而面对未知的目标系统，灵巧干扰更是受到很大制约，智能干扰则利用干扰策略推理、干扰策略学习技术，在面临未知状态时具备快速自主学习能力，针对未知目标或已知目标的未知模式时给出快速有效的干扰方案，并选择高效干扰模式，合成最佳干扰信号样式以达到最优的干扰效果。

智能干扰决策模块示意图如2所示。通信对抗过程中，当干扰目标被发现时，智能通信干扰决策模块利用经验信息进行干扰策略推测，如果经过基于经验的干扰策略推理可以获得有效的干扰策略，则进行干扰措施的配置并可实施干扰；如果经过基于经验的干扰策略推理无法获得有效的干扰策略，则需要进行基于智能算法的干扰策略学习，由经验数据库提供初始策略给在线学习算法。如果在线学习算法经过学习后可以获得有效的干扰策略，那么该策略将被存储进数据库，达到自主演进的目的。

图2 智能通信干扰决策基本架构

智能干扰技术与传统电子干扰相比较，具有较为明显的优势：

1)智能干扰技术作为反应式干扰具备快速威胁感知能力，并且可以对外部环境及目标具有记忆和学习能力；

2)智能干扰通过自主分析外部环境威胁，进而选择有效的干扰策略；

3)智能干扰可以根据对外部环境的感知、分析，进行干扰效果评估，从而动态调整干扰策略；

4)智能干扰具备一定的学习能力，通过对外部环境探测了解目标，然后进行对比分析进行自我学习掌握目标，最后通过自我调整以适应目标，达到有效的干扰效果。

2 卫星通信网特点及干扰方式2.1 卫星通信网

卫星通信具有一系列的优点：通信覆盖面积大，距离远；容量大，可传输话音、数据、图像；可靠度高，通信质量好，具有广播性，可以动中通。因此在现代战争中占有非常重要的地位，世界各国军事力量均非常重视卫星通信的发展。

现代作战的一个重要特征就是大范围、全纵深、超视距的综合打击,这种作战行动必须要有卫星系统的支撑，原因是它不受地理、气象和距离的限制，可以自由地在全球范围内实施各种信息保障。卫星系统的这种极其重要的战略地位，使得以干扰、破坏和摧毁卫星系统为目的的空间电子战成为谋求战场信息优势的最为重要的作战手段。空间电子战的主要目标就是遍布于浩瀚空间的、构成航天军事信息保障系统的各种军用卫星。所以，空间电子战的核心就是卫星对抗，它是破坏敌方卫星信息系统的正常工作的一种作战手段，包括对敌方卫星的侦察发现、跟踪破坏等。

2.2 对卫星通信网干扰

从卫星对抗对象的构成上来看，对空间系统的对抗应包括对空间平台(即卫星)的对抗(含对特定空间的轨道封锁)、对星载传感器的对抗、对卫星传输链路和信息节点的对抗、对最终用户装备的对抗，同时也包括对己方空间和地面的重要武器系统、重要军事经济设施的保护。卫星通信数据链路对抗就是通过干扰敌通信卫星、数据中继卫星的星间、星地信息交换链路极大地降低星地信息交换的成功率，使其失去航天信息保障的优势。同步轨道卫星通信系统及可攻击链路图如图3所示。

图3 同步轨道卫星通信系统及可攻击链路

对于同步轨道卫星通信系统而言，其组成包括中心站、小站以及作为透明转发器的卫星，总结其系统可能遭到攻击的链路、节点以及攻击信号注入点如表1所示。

表1 同步轨道卫星通信系统可能遭到攻击的链路、节点以及攻击信号注入点

从表1中可以看出，虽然①和②都是对前向链路实施攻击，但是由于攻击信号进入目标系统的接入点不同，所以可攻击的节点范围是不同的，一般而言如经由卫星转发，则攻击影响的节点范围更大，甚至可以对全网小站实现攻击，而不经由卫星转发时，攻击仅能影响区域内的小站，且对攻击实施者的所处的位置有要求，即需要在攻击信号直接覆盖范围内，此时天基系统的位置优势就可发挥巨大作用。同理，③和④虽然都是针对回传链路进行攻击，但是对于③而言，攻击信号必须可以进入中心站天线接收范围内，这也只能借助升空平台或抵近方式实现，因此对于卫星通信系统开展攻击技术研究，如果可以借助星载平台，星地一体联合实施攻击则方式方法更为灵活多样。

3 星地一体卫星通信对抗技术

在进行星地一体卫星通信对抗体系设计时，可以借鉴美国在空间态势感知系统中的发展思路“星地一体”。美“低轨天基空间监视系统”卫星配备了星上任务数据任务处理器，可实现星上图像数据的初步处理，减少下行链路数据的传输量。卫星采用可编程(在线编程)的星上软件，支持卫星在轨性能升级，从而降低了卫星运行风险。美“地球同步轨道空间态势感知计划”卫星部署于近地球同步轨道，通过与地球同步轨道目标的相对漂移实现对同步轨道的全监视，采用光电探测载荷提供准确的目标轨道和特征数据，观测结果将汇入空间监视网。“评估局部空间自首卫纳卫星”可实现非合作目标自主抵近侦察，进行“逼近、绕飞、悬停”等操作实现态势感知，掌握目标特性和活动意图。

发展星地一体系统，不仅需要在地面进行组网，还需要进行空间组网，最终形成跨越天、地平台的网络协议，实现星地一体的感知、对抗系统。

星载系统的卫星根据轨道不同可分为地球静止轨道/地球同步轨道卫星，通常3颗等距分布的卫星就可以覆盖全球；低轨卫星通常需要由多颗卫星构成，各星间利用无线链路进行互通才能达到覆盖全球的目的。星载系统作为侦察接收和干扰实施使用，将对目标卫星通信系统的态势信息快速传递到地面控制中心，地面控制中心的攻击意图实时反馈给星载系统，这样既可以充分利用星载平台的地理位置优势，提高应用效能，也可以充分利用地面系统资源。例如在实施智能干扰时，是否可以将干扰策略学习与经验数据库放在地面上，当星载系统可以获得有效的干扰策略时，可自主实施干扰，一旦无有效策略，则将数据传输至地面系统，由地面系统的学习模块进行学习后获得干扰策略。

此外，在考虑星载系统设计时，可应用基于软件无线电技术的软件可重构卫星技术，相较于传统的卫星载荷设计，可实现在轨加载及升级，从而可以在一定功能框架下实现对不同目标卫星系统的干扰，应用更为广泛。

对于星载系统的轨道设计，可采用“伴星”或组网方式，可充分获取目标卫星通信系统星地链路传输的信息内容，利用其位置优势也可对星间链路进行侦察，获得更为全面的目标卫星通信系统的态势信息。