李波 張振權(quán) 傅蕾

摘要：通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器具有透明轉(zhuǎn)發(fā)的特性，容易受到敵我各種各樣的干擾，嚴(yán)重影響了衛(wèi)星通信質(zhì)量，因此識(shí)別敵我信號(hào)并能對(duì)敵信號(hào)進(jìn)行反干擾是一個(gè)非常重要的研究課題。文章通過(guò)研究頻譜感知技術(shù)和信號(hào)調(diào)制識(shí)別技術(shù)，通過(guò)指定頻段信號(hào)偵測(cè)感知對(duì)干擾信號(hào)偵測(cè)感知告警，從而完成對(duì)干擾信號(hào)的識(shí)別和檢測(cè)，同時(shí)利用衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器的IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析和挖掘、讓干擾源更加精確定位的目的，根據(jù)IP地址識(shí)別干擾源，并通知干擾源方停止干擾，進(jìn)行相應(yīng)處理。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星干擾；識(shí)別；反置；研究

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）31-0098-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

通信衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器一般都是透明轉(zhuǎn)發(fā)器，它直接對(duì)衛(wèi)星地球站發(fā)來(lái)的信號(hào)不進(jìn)行任何處理而進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)，特別是對(duì)于FDMA方式下，通過(guò)不同載波頻率來(lái)區(qū)別不同轉(zhuǎn)發(fā)者之間的信號(hào)，因此轉(zhuǎn)發(fā)器會(huì)受到不同頻率、調(diào)制方式的各種干擾。這些干擾的形成主要是通過(guò)增大發(fā)射功率造成轉(zhuǎn)發(fā)器飽和或者形成三階交調(diào)、雜散等造成衛(wèi)星通信中斷，影響衛(wèi)星通信正常工作[1]。實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的識(shí)別首先就需要了解這些干擾信號(hào)的種類和產(chǎn)生方法，才能有效對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和檢測(cè)。而對(duì)衛(wèi)星干擾信號(hào)的識(shí)別主要是對(duì)其調(diào)制方式、編碼類型、調(diào)制速率等參數(shù)的識(shí)別，其中最主要的是干擾信號(hào)的調(diào)制方式的識(shí)別。對(duì)于衛(wèi)星信號(hào)調(diào)制方式的識(shí)別主要有人工識(shí)別和自動(dòng)識(shí)別兩種。人工識(shí)別主要是通過(guò)頻譜的方式利用頻譜儀來(lái)測(cè)量觀察識(shí)別信號(hào)的一種方式，是比較古老的方式。但是隨著數(shù)字調(diào)制方式的發(fā)展，我們對(duì)數(shù)字調(diào)制和自動(dòng)調(diào)制技術(shù)不僅僅通過(guò)頻譜的方式，更需要對(duì)信號(hào)的感知方式動(dòng)態(tài)設(shè)置門限方式，通過(guò)數(shù)字頻譜算法獲得衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制方式和特征參數(shù)，從而區(qū)分是否為正常調(diào)制方信號(hào)[2]。

1 衛(wèi)星通信干擾的基礎(chǔ)理論

1.1 衛(wèi)星通信干擾的形式

干擾的實(shí)質(zhì)是在頻域、時(shí)域、空域、能量（功率）域上使干擾信號(hào)和信號(hào)重疊，通過(guò)搜索截獲、參數(shù)測(cè)量、測(cè)向定位等方式來(lái)進(jìn)行。根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)可能面臨的干擾威脅環(huán)境和干擾站所處的地理位置不同，造成干擾衛(wèi)星通信的形式主要有三種，地基干擾、天基干擾和空基干擾[3]。地基干擾主要是以地面固定站、車載和艦載等大型干擾為主，干擾功率大，常用寬帶阻塞式干擾來(lái)進(jìn)行干擾衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。天基干擾主要通過(guò)航天器和低軌道衛(wèi)星為主，干擾功率小，但可以大范圍來(lái)干擾下行鏈路?？栈蓴_主要靠飛機(jī)等空間平臺(tái)為主，機(jī)動(dòng)靈活，易于實(shí)現(xiàn)突發(fā)干擾，通常通過(guò)干擾下行鏈路的方式實(shí)現(xiàn)干擾。常見的通信干擾模型主要有兩大類：壓制式干擾和欺騙式干擾。壓制式干擾通常采用噪聲或者類噪聲的強(qiáng)干擾信號(hào)來(lái)遮蓋或淹沒(méi)通信信號(hào)，具有抗偵查、抗摧毀、抗入侵等特性，是衛(wèi)星通信抗干擾的主要研究對(duì)象。欺騙式干擾則是故意制造的虛假信號(hào)，一般應(yīng)用在雷達(dá)通信中。

1.2 衛(wèi)星干擾方式及強(qiáng)度

對(duì)于衛(wèi)星通信來(lái)說(shuō)，可以干擾的三個(gè)目標(biāo)就是衛(wèi)星上行鏈路、通信衛(wèi)星、下行鏈路。對(duì)于上行鏈路的干擾主要是上行通信信號(hào)的瞄準(zhǔn)式和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾；對(duì)衛(wèi)星的干擾主要是干擾衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶內(nèi)信號(hào)，特別是當(dāng)功率將轉(zhuǎn)發(fā)器推向飽和后，通信鏈路就會(huì)癱瘓；下行干擾則是采用下行轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，只有當(dāng)干擾信號(hào)在信號(hào)頻帶內(nèi)才有效。衛(wèi)星信號(hào)的干擾主要是通過(guò)對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的干擾，對(duì)于通信衛(wèi)星的干擾量是通過(guò)干擾強(qiáng)度來(lái)衡量和計(jì)算的。由于衛(wèi)星通信地球站和干擾站兩者與處于同步衛(wèi)星之間的距離基本接近，只要干擾站的EIRP值和通信站的EIRP值接近，就可以對(duì)正常通信形成干擾，因此干擾機(jī)的EIRP值和干擾頻段就是衡量其電子攻擊能力的主要指標(biāo)。

1.3 衛(wèi)星信號(hào)識(shí)別的感知算法

頻譜中信號(hào)的感知識(shí)別算法中，一個(gè)重要的參數(shù)是信號(hào)識(shí)別門限。由于受到掃描帶寬設(shè)置、噪聲強(qiáng)度和鄰近信號(hào)干擾等因素影響，一個(gè)固定的信號(hào)識(shí)別門限無(wú)法準(zhǔn)確地識(shí)別各種信號(hào)。為解決這一問(wèn)題，本系統(tǒng)的信號(hào)感知識(shí)別算法采用了動(dòng)態(tài)識(shí)別門限參數(shù)，在給定的頻譜帶寬下，由采樣后的數(shù)據(jù)特征動(dòng)態(tài)生成識(shí)別門限，以此識(shí)別各種信號(hào)。動(dòng)態(tài)門限的方法大大提高了信號(hào)感知識(shí)別的準(zhǔn)確性。實(shí)時(shí)的頻譜采樣數(shù)據(jù)存在著波動(dòng)跳躍大的現(xiàn)象，對(duì)信號(hào)感知的準(zhǔn)確性造成一定影響，為避免這種情況，系統(tǒng)使用了采樣平滑算法，通過(guò)對(duì)多次掃描的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存和平均計(jì)算，得到較為平滑的頻譜曲線[3]。

對(duì)于頻譜中存在的部分信號(hào)帶寬和強(qiáng)度不在關(guān)注范圍內(nèi)的信號(hào)，系統(tǒng)分別設(shè)置了信號(hào)帶寬和強(qiáng)度的識(shí)別門限參數(shù)，通過(guò)修改這些參數(shù)，系統(tǒng)對(duì)于帶寬和強(qiáng)度在設(shè)置以外的信號(hào)不會(huì)有感知?jiǎng)幼鳌?/p>

2 衛(wèi)星干擾源的調(diào)制識(shí)別方法

在信號(hào)自動(dòng)調(diào)制識(shí)別中，有很多信號(hào)參數(shù)可以作為信號(hào)的特征統(tǒng)計(jì)量，換言之，可以從不同角度去獲取信號(hào)特征。目前研究較多的主要有：瞬時(shí)特征、譜特征、高階累積量特征以及變換域特征（如小波特征參數(shù)）等。本文采用“基于譜相關(guān)特征”算法設(shè)計(jì)分類器實(shí)現(xiàn)BPSK、QPSK信號(hào)解調(diào)，采用“基于信號(hào)循環(huán)平穩(wěn)性譜特征提取”算法完成目標(biāo)信號(hào)載波頻率、調(diào)制速率估計(jì)。

2.1 衛(wèi)星調(diào)制信號(hào)的調(diào)制識(shí)別

調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)及特征值選擇具體如下：首先，根據(jù)接收信號(hào)的循環(huán)頻譜呈現(xiàn)的“特征一”識(shí)別現(xiàn)頻段內(nèi)是否有信號(hào)存在，即識(shí)別信號(hào)與噪聲；其次，根據(jù)QPSK、BPSK循環(huán)頻譜呈現(xiàn)的“特征二”識(shí)別現(xiàn)有信號(hào)調(diào)制類型及識(shí)別是BPSK或QPSK。

特征二：循環(huán)頻譜在f=0時(shí)譜線最大值，與在alpha=0時(shí)譜線最大值比值。當(dāng)輸入信號(hào)為QPSK，明顯小于1；當(dāng)輸入信號(hào)為BPSK時(shí)，比值接近于1。根據(jù)實(shí)際測(cè)試將比值設(shè)定為0.5能夠以完全實(shí)現(xiàn)上述兩種調(diào)制方式識(shí)別[4]。由于QPSK信號(hào)循環(huán)譜在切面上的譜線最大值與切面上的譜線最大值的比值相當(dāng)，而BPSK信號(hào)的該特征則不具有前者的特點(diǎn)，如圖3信號(hào)的循環(huán)譜圖所示：

2.2? 調(diào)制參數(shù)識(shí)別實(shí)現(xiàn)

本文采用“基于信號(hào)循環(huán)平穩(wěn)性譜特征提取”[5]算法實(shí)現(xiàn)了信號(hào)調(diào)制速率、調(diào)制載頻參數(shù)的識(shí)別。在通信理論中無(wú)線傳輸信號(hào)通常用隨機(jī)過(guò)程來(lái)定量描述，可用平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程描述的信號(hào)稱為平穩(wěn)信號(hào)，否則為非平穩(wěn)信號(hào)。循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)作為非平穩(wěn)信號(hào)，其非平穩(wěn)性表現(xiàn)為周期平穩(wěn)性，信號(hào)呈現(xiàn)周期平穩(wěn)性，可根據(jù)所呈現(xiàn)的周期性的統(tǒng)計(jì)數(shù)字特性，分為二階、四階和八階等循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)。課題涉及的BPSK、QPSK信號(hào)分別屬于二階、四階循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)，對(duì)應(yīng)信號(hào)二階譜函數(shù)如下：

信號(hào)平方表達(dá)式為：

[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）]

將上式第一項(xiàng)用U（t） 表示，第二、三項(xiàng)用D（t） 表示，對(duì)應(yīng)二階功率譜：

BPSK信號(hào)

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

[D（f）=14[S（f-2fc）+S（f+2fc）]]? ?（2）

QPSK信號(hào)

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

[D（f）=SI（f）-SQ（f）]? ? ?（3）

從上式可知，BPSK信號(hào)二階功率譜在f=1/T、2fc和2fc±1/T存在離散譜線。QPSK信號(hào)二階功率譜僅在f=1/T存在離散譜線。根據(jù)上述分析過(guò)程，將信號(hào)四次方后做功率譜計(jì)算即可得到四階譜特征譜線。BPSK信號(hào)四階功率譜在f=1/T、2fc、2fc±1/T、4fc、4fc±1/T存在離散譜線；QPSK信號(hào)二階功率譜f=1/T、4fc、4fc±1/T存在離散譜線。我們通過(guò)離散的譜信號(hào)就能辨別出調(diào)制參數(shù)。

總之，調(diào)制識(shí)別在很多方面都有著重要的作用，在通信信號(hào)認(rèn)證、干擾識(shí)別及頻譜管理等工作中，調(diào)制識(shí)別有助于提高區(qū)分用戶和確認(rèn)干擾的能力，防止無(wú)線頻譜的非法利用，保證合法通信的正常進(jìn)行。對(duì)目標(biāo)信號(hào)特征進(jìn)行選定，確定與相應(yīng)的調(diào)制種類相聯(lián)系的取值范圍，再對(duì)實(shí)際信號(hào)進(jìn)行特征測(cè)量，并根據(jù)結(jié)果對(duì)信號(hào)的調(diào)制進(jìn)行分類判決[6]。本文采用的“基于信號(hào)循環(huán)平穩(wěn)性譜特征提取”算法能夠快速、有效實(shí)現(xiàn)BPSK、QPSK信號(hào)調(diào)制速率、調(diào)制載頻參數(shù)識(shí)別。

3 利用IP地址識(shí)別數(shù)據(jù)捕獲與反制信號(hào)發(fā)射

衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器目前都是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镮P數(shù)字信號(hào)，接入數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)，本文對(duì)信號(hào)的類型、頻率、IP地址解調(diào)分析后，就可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)判斷該信號(hào)是來(lái)自哪里的信號(hào)。當(dāng)有干擾發(fā)生時(shí)，根據(jù)信號(hào)分析結(jié)果，結(jié)合信號(hào)特征，初步判斷干擾信號(hào)為我方干擾信號(hào)還是他方干擾信號(hào)。如果干擾信號(hào)初步判斷為我方干擾信號(hào)，則根據(jù)我方信號(hào)參數(shù)特征規(guī)律，遠(yuǎn)程設(shè)置解調(diào)器參數(shù)，如果能夠解調(diào)出網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，則調(diào)用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)捕獲程序，捕獲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并根據(jù)捕獲的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中源IP地址，從我方通信數(shù)據(jù)庫(kù)中查找該信號(hào)放射方，及時(shí)制止干擾的發(fā)生；如果干擾信號(hào)初步判斷為他方干擾信號(hào)，則根據(jù)信號(hào)分析結(jié)果，遠(yuǎn)程設(shè)置調(diào)制器參數(shù)，發(fā)射一個(gè)覆蓋干擾信號(hào)帶寬，壓制干擾信號(hào)幅度的大電平高帶寬信號(hào)，使干擾信號(hào)無(wú)法通信。該部分是項(xiàng)目的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)干擾信號(hào)分析結(jié)果，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)調(diào)制解調(diào)器的頻率、數(shù)據(jù)速率、解調(diào)方式、解碼方式等解調(diào)參數(shù)，努力使解調(diào)器鎖定，并盡力解調(diào)出數(shù)據(jù)包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包捕獲程序抓取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，分析其中的網(wǎng)絡(luò)地址，并從數(shù)據(jù)庫(kù)中查找是否為已知IP地址，及時(shí)發(fā)現(xiàn)我方干擾并及時(shí)制止干擾繼續(xù)，達(dá)到消除干擾的目的。當(dāng)發(fā)現(xiàn)干擾不是我方干擾時(shí)，遠(yuǎn)程控制調(diào)制解調(diào)器參數(shù)，發(fā)射特定頻率、特定電平、特定帶寬的反制信號(hào)，對(duì)干擾信號(hào)實(shí)施再干擾，使干擾信號(hào)無(wú)法通信，達(dá)到干擾信號(hào)反制的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星通信是靠天上的通信衛(wèi)星來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電信號(hào)而進(jìn)行的無(wú)線電通信，因?yàn)橥ㄐ判l(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器一般都是透明轉(zhuǎn)發(fā)，且使用的絕大部分均為FDMA方式，因通信衛(wèi)星受自身通信方式及通信環(huán)境的限制，會(huì)受到各種各樣的干擾，主要是通過(guò)強(qiáng)烈的雜波信號(hào)讓對(duì)方衛(wèi)星接收機(jī)無(wú)法正確解調(diào)數(shù)據(jù)造成通信中斷。本文在分析通信衛(wèi)星通信干擾的方式的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究頻譜感知技術(shù)和信號(hào)調(diào)制識(shí)別技術(shù)，通過(guò)指定頻段信號(hào)偵測(cè)感知對(duì)干擾信號(hào)偵測(cè)感知告警，從而完成對(duì)干擾信號(hào)的識(shí)別和檢測(cè)?；谧V相關(guān)特征算法設(shè)計(jì)分類器實(shí)現(xiàn)BPSK、QPSK信號(hào)解調(diào)，采用“基于信號(hào)循環(huán)平穩(wěn)性譜特征提取”算法完成目標(biāo)信號(hào)載波頻率、調(diào)制速率估計(jì)。最后基于衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器的IP輸出特性，利用衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器的IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析和挖掘、讓干擾源更加精確定位的目的，根據(jù)IP地址識(shí)別干擾源，并通知干擾源方停止干擾，進(jìn)行相應(yīng)處理，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢?yōu)榉俏曳礁蓴_信號(hào)則通過(guò)遠(yuǎn)程遙測(cè)調(diào)制解調(diào)器的方式控制相應(yīng)發(fā)射參數(shù)對(duì)該處信號(hào)進(jìn)行反置起到相應(yīng)的作用，在實(shí)際工作中具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李蕾.現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的干擾分析[C]//第十四屆全國(guó)遙測(cè)遙控技術(shù)年會(huì)論文集，2006.

[2] 杜東科.衛(wèi)星通信系統(tǒng)的干擾檢測(cè)識(shí)別及決策技術(shù)[D].成都：電子科技大學(xué)，2019.

[3] 李暉.衛(wèi)星通信與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2018：45-56.

[4] 呂海寰.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京：人民郵電出版社，1988.

[5] 王麗娜，王兵.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].2版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2014.

[6] 陳小文.通信抗干擾和通信干擾綜合技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2002.

【通聯(lián)編輯：聞翔軍】