1.2 卫星通信干扰技术发展现状及趋势

1.2.1 卫星通信干扰技术发展现状

卫星通信在传输有用信号的过程中，会受到各种形式的干扰，干扰源可以在地面、飞机或卫星上，链路既有通信链路，也有干扰链路。卫星通信系统干扰示意如图1-2所示。

卫星通信系统的正常工作保障人们日常生产、工作、生活的正常运转，对维护国家安全有着不可替代的作用。传输损耗、噪声和干扰都是影响卫星系统通信链路质量的重要因素，相对于传输损耗和噪声等客观因素，干扰，尤其是来自第三方的干扰对卫星通信造成的影响更让人措手不及。在卫星通信中，由于卫星点波束覆盖范围比较广、数量众多并且地面和空间干扰场景复杂，卫星通信系统容易受到多种多样的干扰影响。

美国曾经拼装了一个直径不足10 cm 的小型干扰机，该干扰机的影响范围高达70 km，而成本却不超过500美元。不仅美国在发展卫星信号干扰技术，其他国家（如英国和俄罗斯）也在进行相关的干扰研究。英国的防御研究局采用干扰功率为1 W的干扰机对GPS实施调频干扰，使得GPS接收机在22 km范围内无法工作。俄罗斯研究的第一代GPS干扰机也通过对GPS信号发射高功率的调频噪声进行干扰，其优点是使用便利、结构简单，缺点是目标太大，容易被发现。后面研发的第二、三、四、五代干扰机通过对 GPS 信号发射相关或高度相似的干扰信号进行干扰，干扰机功率小，不易被暴露，这几代干扰机都是基于欺骗式干扰的思维设计的。欺骗式干扰从信息层面对信号进行攻击，隐蔽性强且干扰效果好，目前应用到卫星领域的实际案例越来越多。

近年来，全球范围内发生了多起针对全球导航卫星系统（GNSS）信号的欺骗或干扰式攻击，证明了卫星信号的脆弱性。2012年6月，HUMPHREYS教授团队针对无人机进行了欺骗式干扰攻击测试，最后无人机成功被欺骗。2017年，黑海有数十艘船只报告其GPS设备出现故障，位置却显示这些船只位于内陆。欺骗式干扰信号的攻击模式是可变的，导致抗欺骗式干扰方法多样，但是目前还没有一种方法适合应对多种欺骗式干扰信号。因此，研究复杂环境下具有通用性和适应性的欺骗式干扰检测方法已成为反欺骗领域的热点。

1.2.2 卫星通信干扰技术发展趋势

随着通信对抗和电子战相关技术的发展进步，卫星面临的电磁环境日益复杂。电磁干扰信号呈现多模式、多制式、智能化、高度自适应和快速捷变等特点。认知无线电技术的提出进一步加快了信息系统的智能化进程，多功能软件定义波形电台、认知雷达和认知通信等技术的应用日益广泛，传统的通信对抗系统面临更大的挑战。因为干扰与抗干扰是“矛”与“盾”的两个对立面，这两个对立面在斗争中不断发展。要提高信息链路的抗干扰能力，首先应该对现有的干扰模式进行研究[2]。

目前，对卫星通信系统人为干扰的研究主要集中在物理层面、信道层面和信息层面。在物理层面，主要是对通信卫星的星体造成物理材质上的破坏，破坏程度往往是剧烈且持久的，在特定情况下有着重要意义。在信道层面，主要针对通信卫星的信道进行电磁干扰，使信号无法正常传输，这是目前针对卫星通信系统的主要干扰手段。在信息层面，主要针对卫星通信系统的测控、通信、管理等分系统进行信息截获、系统破坏和系统入侵等。

现阶段，信道层面的干扰技术正在从传统的以压制式干扰为主要手段的、以干扰压制通信信号为目标的方式，发展成为以灵巧干扰为主要手段的、以侦收和无线入侵接入攻击为目标的信息层面的干扰技术，这给卫星通信系统的安全防护带来了巨大的挑战。处于信道层面的干扰技术，主要利用电子干扰设备发射特定的微波，对卫星和地面控制系统所使用的电子设备造成电磁干扰，使其丧失正常通信能力，甚至以入侵攻击的方式破坏、截获目标的通信信息。

针对信道层面的干扰信号研究，必须具备两个基本属性：其一是破坏性，以达到干扰信号压制、破坏通信的目的；其二是隐蔽性，干扰信号要尽可能在达到干扰目的的同时不被目标发现，以提高自身的存活可能性，延长干扰的作用时间。

除了通过传统方法研究干扰信号，随着科技的发展，机器学习、自主推理和智能决策等技术逐渐用于通信对抗领域，即认知通信对抗系统的研究。它们的任务是在频谱密集的环境下实现在任意时间、任意地点快速电磁频谱态势认知和电子干扰策略生成，并通过学习目标的变化加以优化，提高攻击效能[3]。在面对未来更加复杂的威胁时，新型干扰信号的设计意义在于：一方面对非合作方系统进行攻击，破坏或削弱其工作进程；另一方面通过主动的干扰攻击，保护己方系统的安全[4-6]。智能化干扰信号的发展是把双刃剑，在攻守双方的博弈中，谁能更快速地进行可靠决策和高效攻击，谁就掌握了信息化对战的制胜先机。

1.2.3 卫星通信抗干扰技术发展现状

很多国家已经早就开始了对军事卫星通信干扰与抗干扰技术的研究[7]。美国在卫星通信抗干扰方面的研究与应用较为深入，技术水平先进。美国的卫星通信抗干扰手段主要有：

（1）采用扩频通信体制，如军事星系统（Milstar）和舰队卫星通信系统；

（2）采用跳频通信技术，如军事星、舰队通信卫星7号和8号上装有的极高频（EHF）组件，上下行链路均使用跳频技术；

（3）采用星载自适应调零天线和星上信号再生技术，如军事星和GPS卫星等；

（4）采用跳时、跳频加直接序列扩频的综合抗干扰技术体制，如美国联合战术信息分发系统（JTIDS）；

（5）扩展通信频段，发展毫米波甚至卫星光通信技术，如美国的军事星系统使用60 GHz的星际链路，由于该频率上大气层的衰减很高，所以星际链路不受地基电子战设备的干扰。

目前，卫星通信中常用的抗干扰技术主要包含：天线抗干扰技术、直扩/跳频技术、自适应编码调制技术、无线光通信技术、星上处理技术、限幅技术等[8]。

卫星通信系统分布在不同的地域、空域，很容易受到干扰，所以抗干扰的首要目的是实现灵活的、优化的卫星覆盖，使卫星接收天线最大限度地接收信号，同时零化干扰信号。天线抗干扰技术是卫星通信中最常用的抗干扰措施，包括自适应调零、智能天线和相控阵天线等技术。

自适应调零的原理是，在星上采用大型的、具有多波束的接收天线，组成一副赋形的天线照射到某一区域，当卫星检测到干扰时，自动将干扰方向的点波束关闭，从而达到抗干扰的目的。利用自适应调零，多波束天线可以在干扰源方向产生深度调零，使干扰信号的电平减小25～35 dB。

智能天线是一种根据实际无线信道环境（包括干扰变化）实时自动地改变天线方向图从而使本身性能保持最佳的天线系统，一副智能天线可同时抑制来自不同方向的多个干扰方干扰，使信干比提高几十dB。智能天线抗干扰的原理是利用信号在幅度、编码、频谱或空间方位方面的不同特征，通过信号处理器对各阵元进行自适应加权处理，自动控制和优化天线阵列的方向图，使天线的增益在通信方信号方向上保持最大，在干扰方向增益最小，实现空间滤波。天线主要由3部分组成：天线阵列、信号通道和自适应信号处理。天线阵列由按某种规律排列的单元天线或阵元构成，阵元间隔应小于相干距离。信号通道则为每个阵元的空间感应信号提供物理通道， 在信号通道中可进行放大、变频、A/D（或D/A）转换等处理。自适应信号处理由波束成形网络和自适应算法构成，是智能天线的核心部分。

相控阵天线在空域进行波束合成来抑制强干扰也是保障卫星正常通信的一种关键技术，其运行时可根据形势的变化控制星上发射天线指向，使波束覆盖范围随用户运动做相应变化，还可恰当选择卫星天线波束形状来提高通信系统的抗干扰能力。其中一个重要的问题是如何在尽可能短的时间里估计出多个干扰方向然后进行调零。总之，天线抗干扰技术的原理是检测出干扰源所在，进而设计出增强信噪比的天线技术。

郝才勇[9]提出了双星定位和三星定位地面干扰源的方法，双星定位原理如图1-3所示，三星定位原理与双星类似，只是额外引入了一颗邻星。位于地面的监测站分别接收干扰信号经过主星和邻星转发的两路信号，这两路信号的传输路径不同，导致了不同的到达时间，形成到达时差（TDOA）。主星和邻星相对于地球运动的速度不同，导致了接收信号产生多普勒频移的差异，形成到达频差（FDOA）。通过对接收的信号进行参数估计得到TDOA和FDOA值，从而确定一对位于地球表面的定位位置线（TDOA线和FDOA线），它们的交点即干扰源的定位结果，定位精度可达几千米。

文献[10]针对Ka频段低地球轨道（LEO）和地球静止轨道（GEO）卫星系统之间的上行链路干扰，以 OneWeb 系统为例，提出了设置排除角的干扰缓解技术，即在设定的排除角范围内LEO卫星系统不与地面系统进行通信，直至离开排除角范围。但这种方法会带来 LEO 卫星系统与地面通信质量的损失。文献[11]研究了多波束系统中的排除区域问题，以降低地面无线电系统与卫星系统频率共享带来的有害干扰。排除区域的概念一方面可以减少来自边界区域相邻小区的干扰，另一方面由于减少了地面无线电系统可以使用的子带数目，从而降低了频谱效率。NGUYEN M D等[12]引入多波束赋形概念设计了一种多通道接收机，对低仰角卫星飞行器方向的阵列增益进行自适应最大化，并在干扰源的方向上设置深度归零点，从而抑制干扰。