卫星通信中极化信号安全传输技术研究

2023-08-22乐恒志杨文芳

通信电源技术 2023年13期

关键词：卫星通信卡尔曼滤波极化

乐恒志，杨文芳

（91977 部队，北京 100080）

0 引言

卫星通信在商业等领域中具有较高的应用价值，但传统的卫星通信中仍存在一些问题。极化信号可以为解决卫星通信问题提供更多新的思路，因此在现有研究结果的基础上分析卫星通信中的极化信号以及如何保障极化信号的安全传输。

1 卫星通信概述

卫星通信是借助卫星与无线电通信站进行通信的技术，即通过人造地球卫星这一中继站进行无线电波的转发，从而实现若干个地球站之间的通信[1]。该通信系统主要由通信地球站等多个部分共同组成。相比于其他通信，卫星通信具有通信范围大、可靠性强、电路设置灵活以及开通电路迅速等优点，在诸多领域中发挥着重要作用。

2 传统卫星通信中的信号安全传输技术

在安全意识不断增强的背景下，人们越来越关注信息传输的安全性，一些学者构建了物理层的安全理论以及窃听信道模型，从而研究信道保密能力。而通过研究发现，卫星通信中信号传输安全性会受到电离层闪烁、临道干扰等诸多因素的影响，只有不断提升抗干扰技术与防窃听技术的水平才能够保障信号传输的安全性，为此将卫星通信中信号安全传输技术的重点放在了这2 方面[2]。第一，传统的抗干扰技术有跳频（基于频域的抗干扰技术）和多波束天线（基于空域的抗干扰技术），其中跳频技术所需频段相对较宽和多波束天线技术会受到干扰源位置等因素的影响，无法达到良好的抗干扰效果。同时，传统技术包括应用滤波器的技术与相关参数识别技术，但这些技术都存在一定的不足，会降低极化信号传输的安全性。因此，需要在这些技术手段的基础上进行针对性研究，通过有效手段弥补技术不足。例如，可以通过联合极化空间抗干扰这种方法弥补传统技术的缺陷[3]。第二，在利益等因素的驱动下，一些窃听者会通过违法手段窃听卫星通信系统中的信息，严重威胁到信号传输的安全。同时，在云计算等技术不断发展的过程中，加密破解等风险相对较大。因此，只有灵活应用防窃听技术才能够解决窃听问题，避免出现信息泄露等情况。但是，传统的防窃听技术没有充分应用极化敏感阵列，导致通信安全得不到保障。应在此基础上研究更先进的防窃听技术，例如对传统的快速双极化跳变技术进行优化改进，使固定卫星通信的物理层更加安全[4]。

3 卫星通信中极化信号安全传输技术

在技术水平不断提升的背景下，极化信号在卫星通信中的作用越来越重要。而基于信号极化特性的抗干扰和防窃听技术会对信号的安全传输产生较大影响。因此，需要从抗干扰和防窃听方面入手，分析如何保障极化信号的安全传输。

3.1 基于卡尔曼滤波的极化抗干扰技术

卡尔曼滤波是一种算法，可以准确估计系统状态，充分发挥相关方程与数据的作用。卡尔曼滤波的最优估计也是一种滤波过程，可以减少数据当中的干扰因素如噪声等，使获取的数据更加真实，在通信中的应用价值相对较高。基于卡尔曼滤波的极化抗干扰技术如图1 所示，该技术主要是利用这种滤波算法识别极化参数并利用斜投影滤波算子过滤信号，使信号传输处于安全的状态中。首先，利用极化模型分析干扰极化状态估计；其次，利用滤波算法构建递推方程；最后，根据算子原理及运算性质进行抗干扰处理。

图1 基于卡尔曼滤波的极化抗干扰技术

（1）系统设计。在应用这种方法时应先根据信号传输的安全需求设计极化抗干扰系统的总体方案。在合法的接收用户中配备相应的双极化天线：首先，通过天线进行EV和EH等极化信号的接收，使这2 种极化信号分别经过同相/正交支路（In-phase/Quadrature，I/Q）的分解处理并形成4 路信号；其次，通过滤波算法识别干扰信号的极化参数，并通过滤波算子运算结果；最后，根据滤波算子性质过滤掉干扰信号，使目标传输信号得以保存[5]。

（2）系统仿真。在完成设计工作后需要对抗干扰系统进行仿真处理，判断系统能否正常运行，能否保障极化信号的安全传输。在仿真过程中应科学设计干扰信号的相关极化参数，例如可以将εj设置为45°，将δj设置为0°，并将干燥比设置为25 dB[6]。之后，进行仿真，卡尔曼滤波的跟踪曲线呈逐渐收敛的趋势，且趋向于稳定。在这种情况下调整最小均方算法（Least Mean Square，LMS）算法的步长，使其曲线能够接近稳定状态并利用算法运算时间等指标评估跟踪性能。进行仿真计算后发现，通过卡尔曼滤波算法获取的εj稳态均方误差为0.53、δj的均方误差为0.17，但通过LMS 算法获取的εj稳态均方误差为0.81、δj的均方误差为0.66，说明在收敛速度相同的情况下，卡尔曼滤波算法具备更佳的跟踪性能。同时，在进行仿真运算时计算了2 种算法的平均消耗时间，其中卡尔曼滤波算法的时间为0.003 s，LMS 算法的时间为0.030 s，这就说明卡尔曼滤波算法的平均消耗时间更短。

（3）技术分析。在分析后发现，相比于LMS算法，卡尔曼滤波算法的收敛性与鲁棒性更佳，因此在卫星通信中可以通过这种方法识别信号的极化参数，且可以通过斜投影滤波算子进行信号的抗干扰。

3.2 改进型快速双极化跳变技术

一些技术人员会在卫星通信中应用跳变技术进行安全传输。但从实际情况来看，传统的技术手段无法达到高效防窃的效果，会对整体传输产生影响。而改进后的跳变技术可以达到良好的防窃听效果，在相移键控（Phase Shift Keying，PSK）调制方式中发挥着重要作用。因此，需要提高对改进后技术手段的重视程度，通过新的极化状态进行幅相调制信号的承载。在这一过程中应构建合适的系统模型，明确具体的信号盲识别方案，之后设计新的信号，最后设计信号的信机。

第一，科学设计。设计信号极化盲识别方案时，需科学设计接收端，使接收端通过双极化天线接收信号，并通过载波下变频等处理获取正交双极化信号EV和EH。同时，可以通过I/Q 支路对极化信号进行分解，之后获取4 路信号，并通过卡尔曼滤波算法处理这些信号，从而获取信号的极化状态与参数δR、γR，再通过进行极化匹配处理获取以幅相调制为基础的信号[7]。但在这一过程中，获取信号的极化状态只是为了保障传输安全，并不携带相应的信息，因此需要做好信号的幅相调解工作。

第二，信号表示。在传统跳变技术中，信息只存在于Øn上，相位中没有γs，因此窃听用户可以获取准确的解调信号，便无法实现极化信号的防窃听。而在改进后的技术中，可以通过叠加的手段处理信号，在这种情况下每一个相位中都增加了γs/α[8]。

第三，参数识别。对信号进行极化参数识别就可以获取相应的结果。

第四，结果分析。获取相应的结果后发现，进行极化匹配处理后，无论是信号幅度还是相位都会受到γs的影响，因此无论信息是否在相位上，窃听用户都无法获取准确信号，能够有效保障极化信号的传输安全[9]。同时，这种技术手段不会对合法用户接收极化信息产生影响。此外，这种技术具有良好的防窃听性能，可以满足安全传输的相关需求。

3.3 方向极化调制技术

这种技术手段属于复合型安全传输技术，灵活应用了方向调制技术与极化调制技术，不仅改进了极化调制发射机，而且降低了成本。在运行过程中，一些数据信号可以通过功分等单元映射出信号的极化状态，通过载波获取射频信号，最后对信号进行幅相校准[10]。同时，可以通过能够调制方向的发射机进行极化信号的双向发送，通过零空间中的人工噪声形成完整的方向极化调制。因此，极化发射机可以通过调制发射机对单一天线进行改善和取代，并通过人工噪声使合法接收机获取不存在人工噪声的极化信号。方向极化调制如图2 所示，无论是垂直天线还是水平天线都可以根据实际情况进行信号的接收，之后进行下变频、信号采样与幅相校准处理并通过振幅与相位差合理表示矢量，即G1、G2、G3，最后映射到球面上并利用最大似然准则进行信息的调解。此外，相比于传统技术，方向极化调制技术的整体误码率相对较高，可以利用这种技术保障信号传输的安全[11]。但是，这种技术也不完全成熟，应对更先进的技术进行深入研究，不断突破技术限制，利用更有效的手段解决极化信号传输中的干扰问题，确保合法用户能够接收到更完整、更准确且不存在任何噪声的信息，从而推动卫星通信的良好发展。