一种卫星干扰信号识别及IP地址反置的方法研究

李波 张振权 傅蕾

摘要：通信卫星转发器具有透明转发的特性，容易受到敌我各种各样的干扰，严重影响了卫星通信质量，因此识别敌我信号并能对敌信号进行反干扰是一个非常重要的研究课题。文章通过研究频谱感知技术和信号调制识别技术，通过指定频段信号侦测感知对干扰信号侦测感知告警，从而完成对干扰信号的识别和检测，同时利用卫星调制解调器的IP数据包进行解析和挖掘、让干扰源更加精确定位的目的，根据IP地址识别干扰源，并通知干扰源方停止干扰，进行相应处理。

关键词：卫星干扰；识别；反置；研究

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）31-0098-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

通信卫星的转发器一般都是透明转发器，它直接对卫星地球站发来的信号不进行任何处理而进行透明转发，特别是对于FDMA方式下，通过不同载波频率来区别不同转发者之间的信号，因此转发器会受到不同频率、调制方式的各种干扰。这些干扰的形成主要是通过增大发射功率造成转发器饱和或者形成三阶交调、杂散等造成卫星通信中断，影响卫星通信正常工作[1]。实现对干扰信号的识别首先就需要了解这些干扰信号的种类和产生方法，才能有效对干扰信号进行识别和检测。而对卫星干扰信号的识别主要是对其调制方式、编码类型、调制速率等参数的识别，其中最主要的是干扰信号的调制方式的识别。对于卫星信号调制方式的识别主要有人工识别和自动识别两种。人工识别主要是通过频谱的方式利用频谱仪来测量观察识别信号的一种方式，是比较古老的方式。但是随着数字调制方式的发展，我们对数字调制和自动调制技术不仅仅通过频谱的方式，更需要对信号的感知方式动态设置门限方式，通过数字频谱算法获得卫星信号的调制方式和特征参数，从而区分是否为正常调制方信号[2]。

1 卫星通信干扰的基础理论

1.1 卫星通信干扰的形式

干扰的实质是在频域、时域、空域、能量（功率）域上使干扰信号和信号重叠，通过搜索截获、参数测量、测向定位等方式来进行。根据卫星通信系统可能面临的干扰威胁环境和干扰站所处的地理位置不同，造成干扰卫星通信的形式主要有三种，地基干扰、天基干扰和空基干扰[3]。地基干扰主要是以地面固定站、车载和舰载等大型干扰为主，干扰功率大，常用宽带阻塞式干扰来进行干扰卫星转发器。天基干扰主要通过航天器和低轨道卫星为主，干扰功率小，但可以大范围来干扰下行链路。空基干扰主要靠飞机等空间平台为主，机动灵活，易于实现突发干扰，通常通过干扰下行链路的方式实现干扰。常见的通信干扰模型主要有两大类：压制式干扰和欺骗式干扰。压制式干扰通常采用噪声或者类噪声的强干扰信号来遮盖或淹没通信信号，具有抗侦查、抗摧毁、抗入侵等特性，是卫星通信抗干扰的主要研究对象。欺骗式干扰则是故意制造的虚假信号，一般应用在雷达通信中。

1.2 卫星干扰方式及强度

对于卫星通信来说，可以干扰的三个目标就是卫星上行链路、通信卫星、下行链路。对于上行链路的干扰主要是上行通信信号的瞄准式和转发式干扰；对卫星的干扰主要是干扰卫星转发器带内信号，特别是当功率将转发器推向饱和后，通信链路就会瘫痪；下行干扰则是采用下行转发式干扰，只有当干扰信号在信号频带内才有效。卫星信号的干扰主要是通过对卫星转发器的干扰，对于通信卫星的干扰量是通过干扰强度来衡量和计算的。由于卫星通信地球站和干扰站两者与处于同步卫星之间的距离基本接近，只要干扰站的EIRP值和通信站的EIRP值接近，就可以对正常通信形成干扰，因此干扰机的EIRP值和干扰频段就是衡量其电子攻击能力的主要指标。

1.3 卫星信号识别的感知算法

频谱中信号的感知识别算法中，一个重要的参数是信号识别门限。由于受到扫描带宽设置、噪声强度和邻近信号干扰等因素影响，一个固定的信号识别门限无法准确地识别各种信号。为解决这一问题，本系统的信号感知识别算法采用了动态识别门限参数，在给定的频谱带宽下，由采样后的数据特征动态生成识别门限，以此识别各种信号。动态门限的方法大大提高了信号感知识别的准确性。实时的频谱采样数据存在着波动跳跃大的现象，对信号感知的准确性造成一定影响，为避免这种情况，系统使用了采样平滑算法，通过对多次扫描的采样数据进行暂存和平均计算，得到较为平滑的频谱曲线[3]。

对于频谱中存在的部分信号带宽和强度不在关注范围内的信号，系统分别设置了信号带宽和强度的识别门限参数，通过修改这些参数，系统对于带宽和强度在设置以外的信号不会有感知动作。

2 卫星干扰源的调制识别方法

在信号自动调制识别中，有很多信号参数可以作为信号的特征统计量，换言之，可以从不同角度去获取信号特征。目前研究较多的主要有：瞬时特征、谱特征、高阶累积量特征以及变换域特征（如小波特征参数）等。本文采用“基于谱相关特征”算法设计分类器实現BPSK、QPSK信号解调，采用“基于信号循环平稳性谱特征提取”算法完成目标信号载波频率、调制速率估计。

2.1 卫星调制信号的调制识别

调制解调器设计及特征值选择具体如下：首先，根据接收信号的循环频谱呈现的“特征一”识别现频段内是否有信号存在，即识别信号与噪声；其次，根据QPSK、BPSK循环频谱呈现的“特征二”识别现有信号调制类型及识别是BPSK或QPSK。

特征二：循环频谱在f=0时谱线最大值，与在alpha=0时谱线最大值比值。当输入信号为QPSK，明显小于1；当输入信号为BPSK时，比值接近于1。根据实际测试将比值设定为0.5能够以完全实现上述两种调制方式识别[4]。由于QPSK信号循环谱在切面上的谱线最大值与切面上的谱线最大值的比值相当，而BPSK信号的该特征则不具有前者的特点，如图3信号的循环谱图所示：

2.2  调制参数识别實现

本文采用“基于信号循环平稳性谱特征提取”[5]算法实现了信号调制速率、调制载频参数的识别。在通信理论中无线传输信号通常用随机过程来定量描述，可用平稳随机过程描述的信号称为平稳信号，否则为非平稳信号。循环平稳信号作为非平稳信号，其非平稳性表现为周期平稳性，信号呈现周期平稳性，可根据所呈现的周期性的统计数字特性，分为二阶、四阶和八阶等循环平稳信号。课题涉及的BPSK、QPSK信号分别属于二阶、四阶循环平稳信号，对应信号二阶谱函数如下：

信号平方表达式为：

[S（t）2=（rI（t）cos（ωct）+rQ（t）sin（ωct））2 =12（rI2（t）+rQ2（t））+12（rI2（t）-rQ2（t））cos（2ωct）+rI（t）rQ（t）sin（2ωct）         （1）]

将上式第一项用U（t） 表示，第二、三项用D（t） 表示，对应二阶功率谱：

BPSK信号

[U（f）=A2+B2Ti=-∞i=+∞[G（f）*G（f）]δ（f-iT）]

[D（f）=14[S（f-2fc）+S（f+2fc）]]   （2）

QPSK信号

[U（f）=A2+B2Ti=-∞i=+∞[G（f）*G（f）]δ（f-iT）]

[D（f）=SI（f）-SQ（f）]     （3）

从上式可知，BPSK信号二阶功率谱在f=1/T、2fc和2fc±1/T存在离散谱线。QPSK信号二阶功率谱仅在f=1/T存在离散谱线。根据上述分析过程，将信号四次方后做功率谱计算即可得到四阶谱特征谱线。BPSK信号四阶功率谱在f=1/T、2fc、2fc±1/T、4fc、4fc±1/T存在离散谱线；QPSK信号二阶功率谱f=1/T、4fc、4fc±1/T存在离散谱线。我们通过离散的谱信号就能辨别出调制参数。

总之，调制识别在很多方面都有着重要的作用，在通信信号认证、干扰识别及频谱管理等工作中，调制识别有助于提高区分用户和确认干扰的能力，防止无线频谱的非法利用，保证合法通信的正常进行。对目标信号特征进行选定，确定与相应的调制种类相联系的取值范围，再对实际信号进行特征测量，并根据结果对信号的调制进行分类判决[6]。本文采用的“基于信号循环平稳性谱特征提取”算法能够快速、有效实现BPSK、QPSK信号调制速率、调制载频参数识别。

3 利用IP地址识别数据捕获与反制信号发射

卫星调制解调器目前都是将模拟信号转变为IP数字信号，接入数字传输网络，本文对信号的类型、频率、IP地址解调分析后，就可以根据数据库来判断该信号是来自哪里的信号。当有干扰发生时，根据信号分析结果，结合信号特征，初步判断干扰信号为我方干扰信号还是他方干扰信号。如果干扰信号初步判断为我方干扰信号，则根据我方信号参数特征规律，远程设置解调器参数，如果能够解调出网络数据，则调用网络数据捕获程序，捕获网络数据，并根据捕获的网络数据中源IP地址，从我方通信数据库中查找该信号放射方，及时制止干扰的发生；如果干扰信号初步判断为他方干扰信号，则根据信号分析结果，远程设置调制器参数，发射一个覆盖干扰信号带宽，压制干扰信号幅度的大电平高带宽信号，使干扰信号无法通信。该部分是项目的执行机构。根据干扰信号分析结果，远程调节调制解调器的频率、数据速率、解调方式、解码方式等解调参数，努力使解调器锁定，并尽力解调出数据包，通过网络数据包捕获程序抓取网络数据包，分析其中的网络地址，并从数据库中查找是否为已知IP地址，及时发现我方干扰并及时制止干扰继续，达到消除干扰的目的。当发现干扰不是我方干扰时，远程控制调制解调器参数，发射特定频率、特定电平、特定带宽的反制信号，对干扰信号实施再干扰，使干扰信号无法通信，达到干扰信号反制的目的。

4 结束语

卫星通信是靠天上的通信卫星来转发无线电信号而进行的无线电通信，因为通信卫星的转发器一般都是透明转发，且使用的绝大部分均为FDMA方式，因通信卫星受自身通信方式及通信环境的限制，会受到各种各样的干扰，主要是通过强烈的杂波信号让对方卫星接收机无法正确解调数据造成通信中断。本文在分析通信卫星通信干扰的方式的特点的基础上，研究频谱感知技术和信号调制识别技术，通过指定频段信号侦测感知对干扰信号侦测感知告警，从而完成对干扰信号的识别和检测。基于谱相关特征算法设计分类器实现BPSK、QPSK信号解调，采用“基于信号循环平稳性谱特征提取”算法完成目标信号载波频率、调制速率估计。最后基于卫星调制解调器的IP输出特性，利用卫星调制解调器的IP数据包进行解析和挖掘、让干扰源更加精确定位的目的，根据IP地址识别干扰源，并通知干扰源方停止干扰，进行相应处理，通过数据库查询为非我方干扰信号则通过远程遥测调制解调器的方式控制相应发射参数对该处信号进行反置起到相应的作用，在实际工作中具有很强的现实指导意义。

参考文献：

[1] 李蕾.现代卫星通信系统的干扰分析[C]//第十四届全国遥测遥控技术年会论文集，2006.

[2] 杜东科.卫星通信系统的干扰检测识别及决策技术[D].成都：电子科技大学，2019.

[3] 李晖.卫星通信与卫星网络[M].西安：西安电子科技大学出版社，2018：45-56.

[4] 吕海寰.卫星通信系统[M].北京：人民邮电出版社，1988.

[5] 王丽娜，王兵.卫星通信系统[M].2版.北京：国防工业出版社，2014.

[6] 陈小文.通信抗干扰和通信干扰综合技术研究[D].成都：电子科技大学，2002.

【通联编辑：闻翔军】