卫星测控射频链路安全防护能力分析与设计

李文东 张莎莎 赵鹏飞 张涛

(中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094)

卫星自发射开始到在轨正常运行，需要完成卫星的遥控、遥测和测距功能，卫星测控链路在卫星的运行中具有举足轻重的地位，其安全性直接决定了航天器的安全性和可用性[1-2]，随着空间攻防态势的发展，卫星测控射频链路作为星地通信的关键，其安全防护设计需求也随之提升，卫星测控系统的安全防护能力将成为整星设计中必不可少的环节，目前在轨、在研的卫星测控系统通常采用扩频体制，S频段扩频体制具备15 dB左右的抗干扰能力[3-5]，是目前国内航天器采用的主要测控体制，面对日益复杂的太空电磁环境和空间安防态势，当前的抗干扰能力将难以满足部分具有高价值的卫星或航天器的安全防护能力的需求。相比于直扩扩频体制，直扩/跳频混合扩频体制具备更高抗干扰能力[6-7]，已经在某些重点型号上逐步开展在轨应用，并将逐渐成为未来一段时间内必备的测控体制，但由于测控S频段带宽受限，扩跳频体制下为了获得更高的抗干扰能力，通常采用较低遥控速率，仅支持卫星应急工况下的应急遥控功能。

本文首先分析了目前卫星在轨运行期间测控系统可能面临的威胁，对卫星采用的不同体制的测控链路抗干扰能力进行分析，在此基础上，提出一种基于兼容多种测控体制的多模式一体化应答机的测控系统方案设计，在满足卫星日常遥控遥测速率要求的同时，具备较高抗干扰能力和抗毁伤能力，可有效提升卫星测控链路的安全防护能力。

1 卫星测控链路安全威胁及抗干扰能力分析

卫星测控链路面临的威胁来自两方面：一方面是电子干扰威胁，主要威胁表现在卫星测控系统接收到无意干扰(或称自然干扰)或有意(或称人为干扰)信号，干扰卫星测控链路，影响卫星上行遥控的正常接收，使得卫星失去与地面测控系统的测控联系；另一方面是日益发展成熟的高功率微波(HPM)技术，通过地基或天基向卫星所在位置发射高功率脉冲，脉冲能量通过卫星接收天线进入测控通道(前门耦合)，对卫星测控通道中的电子器件造成的不可逆的硬杀伤，使整个卫星测控通道失效。

1.1 电子干扰威胁

卫星运行于离地面数百至数万千米的轨道上，地面测控系统上行信号经过空间衰减后，到达卫星测控系统接收端的信号功率较小，通常在-90～-110 dBm之间，所以对测控接收终端对微弱信号的捕获和跟踪灵敏度提出了很高的要求，但卫星测控系统较高灵敏度的设计，意味着对干扰信号也比较敏感，卫星测控链路容易受到各种无意或有意的干扰，影响卫星正常测控通信。

卫星测控射频链路面临的电子干扰威胁主要是来自地基或天基的电子干扰攻击。电子干扰攻击能够瞄准卫星平台的测控通信频段发射压制或欺骗干扰信号，从而降低卫星测控通信信号的信噪比，阻断卫星的正常测控和通信任务，在干扰功率持续期间，使卫星与地面测控系统失联，造成卫星短期无法正常执行任务，常见的电子干扰方式包括宽带阻塞干扰、窄带(单频)干扰、脉冲干扰和转发干扰等方式。

1.2 高功率微波(HPM)技术

HPM技术毁伤电子系统已成为一种极有潜力的新型方式，目前主要应用于航空和反导领域，随着空间技术的发展，HPM技术的应用逐渐拓展至航天领域，卫星等航天器也将面临着HPM的威胁。

美国在微波定向能武器研究和军用方面位于世界首位，在《美国空军2025年战略规划》报告中明确提出发展天基微波定向能武器，对地面、空中和空间目标均具有杀伤力。俄罗斯在高功率微波技术的研究长期处于世界领先地位，1992年研制的纳吉拉(NAGIRA)地基雷达，发射功率300 MW,工作频率10 GHz，脉宽5 ns，重复频率150 Hz，主要用于低空飞行的直升飞机等空中目标；2001年展出的射频火炮Ranet-E输出功率超过500 MW，工作在厘米级波段，产生10～20 ns的尖脉冲，主要作用于制导武器[8]。

高功率微波干扰对卫星电子设备的毁伤效应主要包括电效应和热效应，首先高功率电磁脉冲通过卫星的接收天线耦合进入到卫星的射频接收通道内部，其能量在系统内部形成瞬间电场或者变成随时间、空间变化的大电流、大电压，然后耦合进入的能量经过电缆、波导等介质传导或者电磁空间辐射传输到系统内部脆弱的部位，如敏感单机、集成电路以及电子元器件等，最后进入空间结构体的电磁脉冲作用于非常小的高密度的脆弱部位，短时的大功率在电子元器件上汇集，产生大量的热能烧毁电子设备中的半导体器件和集成电路。

1.3 直扩(DS)体制抗干扰能力

直接序列扩频(简称直扩)是目前卫星测控系统应用较广的一种测控体制，该体制将基带数据信号扩展到一个很宽的带宽上，来实现通信抗截获和抗干扰。直扩测控体制具有抗单频干扰能力强、低截获率、码分多址和抑制多径效应等优点，已成功应用到多种通信系统，在军事通信领域得到广泛应用。

由于直扩通信系统通过在发端扩展信号频谱，在收端解扩后恢复传输信息，给系统的输出信噪比带来了相对改善，提高了通信系统的抗干扰能力。通常会用处理增益来衡量扩频通信系统的抗干扰能力，扩频处理增益定义为扩频信号的总带宽与信息带宽的比值[9]，可表示为

(1)

式中：Rc为直扩伪码速率，Rb为信息速率；也可表示为应答机解扩输出的信噪比与应答机输入信噪比的比值，即G=Φout/Φin，其中Φout表示输出信噪比，Φin表示输入信噪比，两种定义并不矛盾，直扩系统的处理增益与频谱扩展带宽正相关，与信息速率负相关，信号频谱扩展越宽，处理增益越大，抗干扰能力越强。

1.4 扩跳频体制抗干扰能力

直扩体制(DS)和跳频体制(FH)的抗干扰机理不同，直扩系统通过伪随机码的相关处理，降低进入应答机的干扰功率来达到抗干扰的目的；而跳频系统是通过载频的随机跳变来躲避干扰，将干扰排斥在接收通道以外来达到抗干扰的目的。两种体制在抗干扰性能方面既有各自的优点也存在各自的不足。如在面对窄带单频干扰时跳频系统优于直扩系统，而在宽带干扰下，直扩系统好于跳频系统。直扩/跳频混合扩频(简称扩跳频)系统则有效的利用了前两种扩频技术的优点，其一方面通过直接序列扩频系统信号功率谱密度可低于噪声功率谱密度的特性起到保密的作用，另一方面通过跳频获得超大的频谱宽度，提高系统的抗干扰能力。

扩跳频体制抗干扰能力与直扩体制的分析方法类似，系统处理增益可表示为

(2)

式中：Δf为跳频间隔，Nh为跳频点数。

对于各种类型的强信号干扰，扩跳频体制兼具直扩系统的隐蔽性和跳频系统对干扰的躲避性，在目前卫星测控系统面对日益复杂的电磁环境中，将扩跳频测控体制应用到特殊环境下的应急测控来提高抗干扰能力将成为一种必然趋势。

2 测控链路安全防护设计

为了保证卫星测控链路的安全性和可靠性，卫星设计时通常配置多个测控通道互为备份，理论上卫星可配置多种测控终端和天线组成相互独立的测控通道，分别实现不同测控体制，但此种方式必然造成系统内单机数量、系统质量和研制成本的增加，不符合当前卫星设计“集成化、小型化、轻量化”的设计思路。

本文提出的测控系统方案以多模式一体化应答机为核心，采用共用射频通道设计，基带部分基于高性能现场可编程门阵列(FPGA)平台设计，同时支持包括测控数传一体化、扩频体制和扩跳频体制多种体制上行信号的捕获和跟踪，并按照预设的优先级向后端的综合电子输出上行遥控信息。常规测控模式工作在直扩体制下，现有技术成熟且上下行信息速率较高，具备一定的抗干扰能力，可以满足卫星日常运行任务星地操控需求；当有高速上下行需求时工作在测控数传一体化体制下，具备每秒兆比特级速率的高速测控上下行能力；紧急情况下通过地面或由星上自主切换至扩跳频模式下，采用低码速率实现卫星应急测控。

卫星测控射频链路的安全防护设计主要从系统层面和设备层面进行设计，系统级的安全防护设计主要采用不同的测控体制和通道，支持在时间、空间和频率多个维度灵活切换，确保在应急状态下某种测控通道受到干扰无法正常实现星地测控功能时，通过地面切换或星上自主切换至其他通道，保持卫星的星地测控能力。设备级安全防护的设计理念是在设备设计和研制时考虑安全防护的需求，在应答机从软硬件层面开展抗干扰和抗毁伤设计，硬件层面包括射频通道的抗干扰设计、敏感元器件的选用等措施，对射频通道进行前门加固设计，提升抗毁伤能力；软件层面采用时域/频域抗干扰算法，识别和抑制干扰信号，提升测控接收系统的抗干扰能力。

2.1 抗干扰设计

1)抗宽带干扰设计

宽带干扰覆盖了整个信号通信频带，由于宽带干扰不具备可用的统计特性，无法识别和抵消，抗宽带干扰的能力主要是由直扩/跳频体制决定，根据式(2)中扩跳频体制下的处理增益，扩跳频系统抗宽带干扰能力取决于跳频系统的跳频间隔和跳频点数，直扩伪码速率和信息速率。实际工程实现中上行遥控采用较低的速率，缩短跳频间隔(提升跳速)，采取较为复杂的跳频图案，可以获得较高的处理增益，进而提升宽带抗干扰能力。

2)抗窄带干扰设计

针对窄带干扰，在多模式一体化应答机设计中采取了以下措施：一是设计大动态范围的射频通道，以避免信号功率饱和；二是在软件中通过时域加窗和频域陷波算法进行干扰识别和抵消。

相较于以往的非相干扩频应答机动态范围70 dB，本文中多模式一体化应答机的射频接收通道采用在射频段和中频段两级自动增益(AGC)联合控制，当上行信号较弱时，采用中频AGC作为主控，当信号较强时，则在射频段通过多级电调衰减器进行辅助控制，以保证在信号不失真的前提下将大动态的射频信号控制在相对稳定的范围内，可实现110 dB以上的动态范围，当较强的干扰信号进入到接收通道内时，可以保证接收通道不被阻塞。

频域抗干扰算法的基本思想是根据有用信号和干扰信号的不同频谱特性，利用数字处理技术对信号频谱进行处理，算法通过估计信号的频谱以达到有效抑制干扰、保留有用信号的目的。相对于宽扩跳频信号，窄带干扰的能量集中在很窄的频带内，所以先将混合信号变换到频域，检测出干扰的频谱位置，将这些谱线限定在一定的水平以下，经过窄带干扰消除模块后的干扰信号再利用扩跳频信号的处理增益消除，最后通过反变换还原成时域信号再进行解扩(见图1)。

注：X(n)为有用信号，W(n)为噪声或干扰。

3)抗脉冲干扰设计

脉冲干扰在一瞬间能够让通道饱和，通过在应答机接收端低噪放之前增加限幅器，可有效限制进入接收通道的脉冲功率，对射频通道部件进行保护。对于扩跳频测控系统而言，脉冲干扰的作用时间短，对符号位影响有限；其次，由于它的占空比很小，在相对长的时间内，它不再干扰信道，因此通过在上行信号中增加BCH编码措施，能够通过BCH译码纠正脉冲引起的误码，通过编码增益有效提升对脉冲干扰信号的抵抗能力。

4)抗转发干扰设计

转发干扰就是对方通过获取有用信号，并放大经过一定的处理后再发射出去，使其最大限度的被我方应答机接收，从而达到干扰应答机正常接收的目的，转发干扰由于需要处理，与有用信号相比存在延时，扩跳频体制采用较高的跳速，使得扩跳频的跳频间隔大于转发干扰的延时，达到躲避干扰的目的。

同时，当存在转发式干扰信号时，应答机基带软件利用干扰信号位于有用信号之后的特征进行识别和消除。如果信号和干扰同时出现在一个搜索间隔内时，捕获模块会同时出现两个相关峰值，如果两个相关峰值都超过捕获门限，则认为前一个为正确相位，后一个为转发式干扰信号相位，跟踪模块可跟踪前一个相位的信号，达到规避转发干扰的目的。

2.2 抗毁伤设计

射频接收通道中易损毁射频芯片特别是低噪声放大器(LNA)在HPM作用下极易发生放大增益急剧下降，放大信号严重失真，以致完全损坏，接收通道无法正常工作。针对高功率微波的威胁，在设计时充分考虑了测控设备的抗毁能力设计，在卫星应答机接收通道的设计上提出多级综合防护思路，采用带外滤波抑制和带内限幅相结合等综合防护技术。

如图2所示，在应答机的上行射频接收通道入口处加入高功率耐受、低损耗的限幅器，将进入射频通道的高功率输入信号的幅度限制在一定范围后输出，在遭遇HPM攻击或脉冲干扰时，限制进入测控射频通道的功率，防止通道上敏感器件的损伤，起到前门加固的作用，保证后端的低噪放等模块和器件不受损伤，后端设计带通滤波器，滤除接收带外信号，保证基带部分仅收到符合卫星要求的上行信号。

图2 接收通道抗毁伤设计

3 数值分析与试验验证

3.1 抗干扰能力分析

对于采用扩跳频体制的测控系统，针对于不同类型干扰信号，抗脉冲干扰能力最强，其次是窄带抗干扰能力，宽带干扰和转发干扰的抗干扰能力最低且基本相当(前提转发干扰源距离卫星的距离较近的前提下)，在此针对宽带干扰的抗干扰能力进行分析。

设定测控系统扩跳频体制参数如下：Δf=40 kHz；Nh=2047；Rc=10 MHz；Rb=88 bit/s，代入式(1)中计算可得扩跳频测控系统处理增益G约为57.6 dB。

测控系统要求上行遥控误码率要求以及信道编码增益，扩跳频体制的解调门限(所需信噪比SNR)为7.6 dB。实际工程实现中，测控终端采取多路相关器+FFT分析的方法实现跳扩频信号的快速捕获，在此过程中，由于时频搜索步进误差、量化误差以及电离层效应对积分能量带来了一定的损失；此外，射频通道中射频前端的限幅器、低噪放等也将引入噪声，进一步恶化信噪比，降低系统抗干扰能力，综合考虑上述因素后，其他损耗按10 dB计算。则扩跳频体制下抗宽带干扰能力M=57.6-7.6-10=40 dB。

当干扰信号强度比应答机接收地面上行的有用信号-70 dBm强40 dB，即-30 dBm(-60 dBW)，扩跳频体制测控来链路通信可能受到影响。假定卫星运行于600 km轨道高度上，面临该强度的S频段宽带干扰，地基和天基干扰需要具备的条件见表1。

表1 扩跳频体制干扰功率

从表1可知，若卫星上行接收受到来自地基的干扰，S频段宽带干扰信号需要地面发射机连续输出万瓦级功率，工程实现难度巨大；若卫星上行接收受到来自对抗卫星的干扰，在双方卫星距离30 km以内时，需要6000 W以上连续输出功率，才可使跳扩测控信号受到干扰，干扰效费比较低。

对于窄带干扰信号，由于采用时域加窗和频域陷波算法，相比宽带干扰信号，其抗干扰能力要明显优于宽带干扰信号，地面或天基干扰源信号功率与宽带干扰相比需提升3～4个数量级；脉冲干扰信号达到干扰的目的需达到吉瓦级。

3.2 抗毁伤能力分析

对于抗毁伤设计，本文中选用的限幅器限幅功率为15 dBm，插损小于0.3 dB，耐受功率为1 W，当到达应答机接收端口的干扰信号达到1 W时，按照600 km轨道、30 m口径天线计算，地面的发射功率需要达到吉瓦级以上；如果为近距离干扰，按照1 km距离，2 m口径的天线，也需要千万瓦级以上输出功率，根据目前调研的结果，天基HPM技术要达到此功率的工程实现难度巨大。

3.3 地面试验验证

多模式一体化应答机在地面测试开展抗干扰能力专项测试，应答机分别在弱电平(-112 dBm)、中等电平(-90 dBm)和强电平(-70 dBm)状态下，通过信号源模拟宽带、窄带和脉冲等不同类型的干扰信号，设置地面模拟源输出的干扰信号在应答机上行接收带宽(100 MHz)范围内，干扰信号功率与有用测控信号的干信比为40 dB，应答机均能正常锁定上行遥控信号，捕获时间满足系统要求，验证了测控系统的抗干扰能力。

4 结束语

本文介绍了卫星测控链路面临的复杂电磁环境以及可能遭受的干扰或攻击，详细分析了直扩体制和混合扩频体制测控系统的抗干扰能力。提出了一种基于兼容多种测控体制一体化应答机的测控系统设计方法，软件设计上采取基于窗函数的频域抗干扰算法，硬件设计中在射频通道增加限幅器，可有效抵御蓄意的电子干扰和脉冲武器的毁伤威胁，对卫星测控链路安全防护设计具有指导意义。