卫星通信系统对抗性指标体系研究*

喻火根

（中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

卫星通信作为视距通信的补充部分，已成为各国通信结构中不可或缺的通信方式[1]，导致卫星通信成为各国军事行动中的主要攻击目标。由于卫星定点位置的公开化，使得卫星通信系统更容易面临电磁干扰、截获、入侵甚至被摧毁的威胁。为了提高卫星通信系统在复杂电磁环境下的抗干扰、抗截获、隐身以及抗入侵等能力，越来越多的对抗性技术措施被提出[2-6]。在这种背景下，如何客观、全面、准确地评价卫星通信系统的对抗性性能，已经成为研究的重点和难点。

对抗性性能评估不仅在卫星通信系统设计、研发和使用过程中起着重要作用，而且对卫星通信系统在复杂电磁环境下的使用策略起着重要的指导作用。对抗性性能评估的基础，是建立科学的对抗性指标体系。近年来，卫星通信系统相关对抗性指标得到越来越多的研究，但目前尚没有形成一套完备而有效的指标体系来适应信息对抗技术的不断发展。

本文在已有卫星通信系统对抗性指标基础上，从抗干扰、抗截获、隐身以及抗入侵等类别出发，归纳总结出一套科学的对抗性指标体系，并深入分析指标含义，提出了指标提升方法，为卫星通信系统对抗性技术研究提供基础支撑。

1 抗干扰指标体系

卫星通信系统抗干扰指标体系层次结构如图1所示。本指标体系主要由3 个一级指标构成，即天线抗干扰指标、波形抗干扰指标和综合抗干扰指标。

图1 卫星通信系统抗干扰指标体系

1.1 天线抗干扰指标

天线抗干扰指标的含义如下。

（1）天线增益：天线增益越高，接收信号信干比越高，接收信号抗干扰能力越强。

（2）天线波束宽度：波束宽度越小，受干扰概率越小。

（3）旁瓣抑制能力：旁瓣抑制能力越强，抗旁瓣干扰能力越强。

（4）零陷宽度和深度：天线零陷宽度描述天线波束形成的空间滤波器宽度；天线零陷深度描述天线波束形成的陷波深度。

1.2 波形抗干扰指标

波形抗干扰指标的含义如下。

（1）解调门限：解调门限越低，允许进入接收机的干扰越大，接收机抗干扰能力越强。

（2）干扰抑制能力：波形干扰抑制能力越强，系统抗干扰能力越强。

（3）干扰容限：干扰容限越高，抗干扰能力越强。

1.3 综合抗干扰指标

1.3.1 抗干扰改善因子

抗干扰改善因子的定义为：

其中，(S/J)´和S/J 分别为采取抗干扰措施和未采取抗干扰措施时卫星通信接收机输出的信干比。抗干扰改善因子可用来比较各种抗干扰措施的优劣，表现了抗干扰措施对卫通性能的改善状况。

1.3.2 压制系数

压制系数是卫星通信系统抗干扰效能评估的一个常用的综合化指标。在形成有效干扰条件下，卫星通信接收机输入端的干扰功率与信号功率之间的比值，被定义为该卫星通信接收机的压制系数。

其中，PJ和PT分别为干扰信号的发射功率和有用通信信号的发射功率；GJ和GT分别为干扰信号发射天线在有用通信信号接收机方向上的增益和有用通信信号发射天线在有用通信信号接收机方向上的增益；GRJ和GRT分别为有用通信信号接收天线在干扰信号发射方向上的天线增益和在有用通信信号发射方向上的天线增益；γJ为干扰信号与有用通信信号接收天线间的极化不匹配损耗；RRJ和RRT分别为有用通信信号接收机至干扰信号发射机、有用通信信号发射机间的距离；ΔfJ和ΔfR分别为干扰信号和有用通信信号接收机的带宽。

卫星通信接收机的压制系数越大，卫星通信系统抗干扰能力越强。

2 抗截获指标体系

卫星通信系统抗截获指标体系可进一步分解为战术指标和技术指标。其中，战术指标用于衡量特定作战环境下卫星通信系统相对于敌方截获机的抗截获性能；技术指标用于评价卫星通信系统自身抗截获水平的高低，属于卫星通信系统特有的特征参量，与敌方的截获装备无关。抗截获指标体系如图2 所示。

图2 卫星通信系统抗截获指标体系

2.1 战术指标

2.1.1 截获距离

为了减少信号的截获概率，应尽量减少多维窗口同时重合的概率及时间。在卫星通信中，截获机可通过接收卫星终端上行信号来完成上行卫星信号的截获；截获机可通过接收卫星发射的信号来完成卫星终端下行信号的截获。截获机的截获距离通常被用来定量评价卫星通信信号的低截获性能。截获距离可定义为有用卫星通信信号在截获接收机处达到截获机灵敏度时有用卫星通信信号发射机与截获接收机间的距离。

其中，Pt为有用通信信号的发射功率（对上行卫星链路进行截获时，该发射功率指的是卫星终端的发射功率；对下行卫星链路进行截获时，该发射功率指的是卫星的发射功率）；Gti为有用通信信号发射天线在截获机接收天线方向上的增益；GI为截获接收机的天线增益；λ 为电磁波长，LI为截获接收机的所有损耗；δI为截获接收机的灵敏度。截获距离RI的大小需在一定的发现概率和虚警概率下进行定义。

截获接收机灵敏度δI可进一步表示为：

在卫星通信中，上行卫星链路对应的截获距离指的是截获机与卫星终端间的距离；下行卫星链路对应的截获距离指的是截获机与卫星间的距离。图3 给出了上下行卫星链路截获示意图。

图3 卫星链路截获示意

截获距离RI越大，表明有用卫星通信信号在很远的地方就能被截获机截获，从而进一步表明有用卫星通信信号被破译或干扰的可能性越大。因此，为了提升有用卫星通信信号的抗截获性能，应尽可减小截获的截获距离。

2.1.2 截获概率

截获概率定义为有用卫星通信发射信号在时域、空域、频域以及能量域上同时被截获机截获的概率。

（1）时域截获：截获机在有用卫星通信信号发射的时间内工作；

（2）空域截获条件：截获机的接收天线位于有用卫星通信信号发射机天线主瓣或副瓣内；

（3）频域截获：截获机的工作频段覆盖了有用卫星通信信号频段；

（4）能量域截获：在截获机处的有用卫星通信信号的信号强度高于截获机的接收灵敏度。

为了便于分析，可使用多维“窗函数”（如时间窗、频率窗、能量窗、空间窗等）描述截获机的工作过程。图4 给出了截获机窗函数示意图。

其中，窗函数包含3 个参数。

（1）窗函数周期：截获接收机在某个维度上的扫描周期。

（2）窗宽度：截获接收机与发射机在某个维度上重叠的时间。

（3）起始时间：截获接收机在某个维度上开始扫描的时间。

根据窗函数理论，多维窗口同时重合的平均持续时间τ 为：

全部窗函数同时重合的平均周期T 为：

在t 时间内至少发生一次截获的概率为：

其中：

从上述分析可知，为了减少信号的截获概率，应尽量减少多维窗口同时重合的概率及时间。

2.2 技术指标

抗截获技术指标的含义。

（1）天线旁瓣电平：敌方截获接收机往往只能截获有用卫星通信信号的副瓣，为了实现低截获概率的卫星通信，需要卫星通信系统具有低的发射天线旁瓣电平，故可将天线旁瓣电平作为评估技术指标之一。

（2）信号功率谱密度：信号功率谱密度越低，敌方截获接收机发现有用信号的概率越低。

（3）频率捷变能力：频率捷变能力越强，敌方截获接收机捕获有用信号的概率越低。

（4）信号辐射时间：信号辐射时间越短，敌方截获接收机检测到有用信号的概率越低。

（5）功率管理能力：根据不同的工作环境，卫星通信系统应能自适应调整有用信号的发射功率，从而在保证既定通信任务的基础上实现系统功率资源的高效利用，同时降低敌方截收机截获信号的概率。

3 隐身指标体系

隐身技术是指为了规避敌方声、光、电、热等探测设备对我方武器装备探测而发展起来的一种综合技术。根据对探测信号控制的不同，隐身技术可以分为无源隐身技术和有源隐身技术[7]。

无源隐身技术的出发点是尽量减少武器装备对电波、红外波、声波以及可见光等能量的反射或辐射，降低敌方发现上述反射或辐射能量的概率，从而实现武器装备的隐身。实现无源隐身的措施主要包括巧妙设计外形和结构以及采用吸波、透波材料等。

有源隐身技术的出发点是利用有源手段规避敌方声、光、电、热等探测设备对我方武器装备探测。其中，射频隐身技术是一种重要的有源隐身技术，其通过武器装备上的电子设备或系统来抵御敌方射频无源探测、跟踪和识别，从而减少敌方射频无源探测系统的作用距离和跟踪制导精度。

3.1 无源隐身技术指标

卫星通信系统终端分机往往安装在平台内部，所以影响系统无源隐身性能的瓶颈因素是卫通天线。衡量卫通系统无源隐身性能的重要技术指标为天线RCS（Radar Cross Section）。

3.2 有源隐身技术指标

实现有源隐身的方法通常称为低截获概率技术[8]，故前文的抗截获指标可作为有源隐身技术指标。

4 抗入侵指标体系

卫星通信信道的开放性使得卫星通信系统容易受到敌方的非法入侵。入侵是指非法用户获得系统访问权限或相关授权的行为。系统入侵可能导致合法用户接收到虚假或错误信息，从而使整个系统变得不可靠和不可用。因此，系统入侵造成的危害比一般的干扰更严重。抗入侵的主要目的是防止系统受非法用户的控制。

针对无线通信系统，根据入侵形式的不同可分为两种：一种是通过有线形式入侵无线通信系统的地面网络，对地面网络信息进行篡改、注入病毒或虚假的信息，然后利用无线通信系统合法的无线信道进行传输，以达到破坏系统的目的；另一种是直接利用无线通信系统的无线信道，向系统注入病毒或虚假信息。

第一种形式的入侵是“信息入侵”，属于“信息安全”范畴，一般可基于信息特征分析进行入侵检测及处理。例如，通过对无线通信系统运行情况进行统计、分析，检测此种形式的入侵行为，并采取清除入侵信息或关闭可疑通信节点等相应的措施。第二种形式的入侵是“信号入侵”，属于“传输安全”范畴，一般可基于信号特征分析进行入侵检测及处理。例如，告警以避免可疑信号进入解调器、消除入侵信号，以保证正常信号的解调、调整通信信号的参数以躲避同模式干扰等。

针对卫星通信系统，系统的地面网络可借鉴其他无线通信系统地面网络在信息入侵检测和处理上采取的抗入侵技术，故敌方通过第一种形式入侵系统较为困难。考虑到卫星通信通信信道的开放性，卫星波束覆盖范围内的地球站都可以向卫星转发器发射信号，故敌方通过第二种形式入侵系统是比较容易实现的。第二种形式入侵的信号物理层参数、上层协议与合法用户正常通信信号往往具有很大的一致性，是合法用户正常通信信号的同模式信号。

在卫星通信系统中，针对同模式入侵信号干扰时，系统可能存在两种情况：

（1）一般出现在非扩频系统中，入侵信号功率远远大于合法通信信号功率，合法接收机自动捕获并解调强功率的入侵信号；

（2）一般出现在扩频系统中，入侵信号与合法通信信号扩频码型一致，相位相互滑动，功率没有明显差异，合法接收机不可能长时间锁定在其中一个信号上。合法接收机既可以对入侵信号解调，又可以对合法通信信号解调，且有可能在通信过程中以一定的概率在二者之间切换。

从传输安全的角度考虑，卫星通信系统的抗入侵可从以下几个方面进行设计。

（1）降低系统被入侵的概率：通过合理的系统设计和信号设计，加大敌方对合法通信信号进行模式识别、参数提取及跟踪的难度（如快速跳频、自适应扩频等）。

（2）监测入侵信号并及时告警：当在信道中监测到可疑信号时，向系统发出警示，并切断入侵信号与信号连接器的连接，以避免入侵信号虚假信息的输入。

（3）消除或躲避入侵信号。当受到入侵时，首先应尽可能消除入侵信号，并将抵消后的合法信号送解调器进行解调；对于无法消除的入侵信号，可通过更换通信参数的方式来躲避，从而维持系统的正常通信。

抗入侵性能的好坏可通过入侵检测的虚警概率和漏警概率来评价。入侵检测虚警将可能导致系统进行不必要的处理，从而影响卫星通信系统整体性能。入侵检测漏警将可能使用户接收到虚假信息，从而导致卫星通信系统不可靠甚至不可用。

5 结 语

本文结合已有卫星通信系统对抗性指标，归纳总结了一套科学的对抗性指标体系，并深入分析了指标含义，提出了指标提升方法。本文建立的卫星通信系统对抗性指标体系，可为卫星通信系统对抗性性能评估奠定基础。