衛星自適應調零技術對抗方法研究

林錦順,豐 濤,陳斌輝,蔣春山

(中國電子科技集團公司第三十六研究所,浙江嘉興 314001)

1 引言

對于無線通信系統,干擾源首先從天線進入接收系統,從而破壞或削弱無線電通信系統的使用效能,而自適應天線陣列就是無線通信系統抵抗干擾源的第一道關卡,在干擾比信號強得多的情況下,讓己方的通信信號通過,將敵方的干擾信號抑制掉。自適應調零天線陣列的抗干擾性能,使得單純地提高干擾系統功率的方法不再有效,這就要求對抗方探索新的干擾策略。

2 自適應調零技術分析

星載天線實現多波束形成的類型有相控陣天線和多波束天線兩種。前者通過控制天線單元的饋電相位,極其靈活地實現波束掃描或快速跳變,并能獲得良好的空間(調零)分辨特性。但相控陣天線用作衛星天線時,其波束覆蓋性能往往難以滿足要求。與之相反,多波束天線利用同一天線口徑形成多個獨立且相互重疊的窄波束,雖然調零分辨率不及相控陣天線,但可以實現波束的最佳空域覆蓋,并且易于在干擾源方向形成具有寬帶特性的零點。從國外通信衛星的實際應用狀況來看,相控陣天線比較適合工作在UHF較低頻段的衛星移動場合(一般為中、低軌道衛星),而在較高的SHF或EHF頻段的衛星通信時,普遍采用多波束天線體制。多波束自適應陣列天線系統如圖1所示,其主要組成單元包括:多波束天線、多通道信道接收機、數字波束形成(DBF)網絡、自適應處理器。數字波束形成的作用是通過將各個波束加權求和之后,在輸出時形成一個具有干擾零陷的抽象波束,等效為接收天線的波束形狀產生自適應變化。而自適應處理器用來調整波束形成網絡中的可變加權系數,是整個系統的核心。

圖1 多波束自適應陣列天線系統

從本質上看,天線自適應調零是一個信號處理過程。DBF技術的發展使天線信號處理可全部在取樣后用數字方法來完成,因而提供了不失真地進行多種復雜信號處理的可能性,也就是說,DBF技術可將各陣元的接收信號轉換到基帶,由A/D轉換器轉換成數字信號,然后對數字信號作加權等處理,形成所需波束。

實現自適應處理的基本算法有:信噪比最大化算法(SNR)、最小均方誤差算法(LMS)、采用矩陣求逆算法(SMI)、最小二乘法(LS)等?；贚MS和SNR算法的閉環自適應處理器實現簡單,它們的主要缺點是收斂速度慢,算法性能對信號協方差矩陣的特征值散布很敏感。隨著數字處理技術的發展,應用SM I等算法的開環自適應處理器逐漸受到重視,SM I算法是利用取樣信號協方差矩陣來直接估計自適應加權系數的。這一算法的優點是能夠實現與特征值散布無關的最快收斂速率,但需要高性能的數字處理器來完成矩陣求逆運算,否則會出現數值計算不穩定導致系統性能下降。而遞歸最小二乘法(RLS)是一種數據域遞歸算法,在收斂速率和特征值散布度的關系上具有同SM I一樣的不敏感性。

采用DBF技術,天線系統能利用方向圖的變化,自適應地調整波束的零點位置,使之對準干擾源方向,降低干擾信號電平,以抑制干擾,同時保證天線主波束輸出始終處于最佳狀態。由于DBF技術是利用空間特性來改進接收系統輸出信噪比的,因此當系統采用星載DBF技術和擴頻技術相結合的方式時,大部分非用戶方向的干擾都能被零天線抑制掉,剩余部分的干擾以及來自用戶方向的干擾可由擴頻技術來抵消,這樣,可顯著提高系統的抗干擾性能。

3 對抗策略研究

所有的自適應調零系統從數學上來看都是一個最優化過程,而且這個最優化過程必然會造成系統設備量增加、信號處理復雜度增加、系統通聯時間加長和系統使用效率下降等等。要想破壞衛星上自適應調零系統,必須先了解自適應調零系統的弱點。從目前來看自適應調零系統,遠非無懈可擊,而是存在很多破綻,其主要有以下幾個方面:

(1)任何自適應調零系統區分信號和干擾的空間分辨率也是有限的,如果干擾信號和通信信號靠得很近,自適應調零系統將無法在干擾方向形成零點,或者即使在干擾方向形成零點也無法在信號方向形成主波束,導致系統信噪比嚴重下降;

(2)能夠處理的干擾數目是有限的,在實際的自適應調零系統中,當干擾信號數大于陣列自由度時系統抑制干擾信號的能力迅速下降;

(3)存在干擾的情況下,系統從捕獲到通信信號到形成穩定的零點需要一定的反應時間,如果干擾時有時無,或干擾來波方向不停地變將導致系統無法鎖定并抑制干擾;

(4)自適應調零系統對相關信號處理能力要比不相關信號的處理能力要差得多,處理也更復雜一點,如果干擾和信號存在一定的相關性,將導致自適應調零系統的性能大大下降甚至失效,所以轉發干擾或許是一種不錯的干擾方式,但要考慮衛星軌道高度導致的路徑延時。

針對自適應天線調零技術存在的弱點,可以采取以下一些策略。

3.1 逼近式干擾策略

利用艦載體制,讓對抗設備盡量接近通信目標。相對與岸基的對抗系統,艦載對抗系統更為接近敵方艦艇編隊的船只,使得干擾信號進入通信主波束,降低其“零陷”自適應能力。

首先計算衛星點波束覆蓋范圍?，F假設艦艇位置處于某地以東洋面24°N 123°E,利用133°E衛星進行通信。

地球站對靜止衛星的觀測參數有方位角φ(方位角的定義為地球站所在經線的正北方向,按順時針方向與方位線所構成的夾角)、仰角θ、站星距d;已知參數為地球站經度Ψ1及緯度β、靜止衛星經度(也即星下點經度)Ψ2、地球半徑Re(6378.16km)、衛星高度h(35860km)。地球站與衛星的經度差為:

Ψ=Ψ2-Ψ1;

令k=(Re+h)/Re=6.622,則站星距:

d=Re[(k2+1)-2k cosΨcosβ]1/2=36725km

從而計算出點波束覆蓋范圍半徑為320km左右。為了獲取最佳的干擾效果,干擾信號應該接近通信目標320km范圍內。

圖2是通過的干擾信號接近主波束時零陷效能分析,從仿真圖可以看出,當干擾信號逼近主波束時,接收系統在主波束方向對信號的接收和零陷能力都有較大降低。

3.2 分布式干擾策略

采用分布式干擾機和高效分布式干擾天線技術也是干擾自適應陣通信系統的有效途徑,尤其是分布式干擾,因為其很易滿足干擾源大于自適應陣的自由度的要求,且技術難度相對較小、費用較低、有高的距離增益、有較高的性價比。

圖2 干擾信號接近主波束時零陷效能分析

自適應天線陣列也有其局限性,即當干擾信號數大于其自由度(陣元數-1)時自適應天線陣抑制干擾的能力大大減弱。當干擾源數不大于自適應陣的自由度時,自適應陣可起到很好的抑制干擾的能力,最終的SINR恒定,不隨干擾的增強而變化;反之,其陣列輸出的SINR會隨干擾增強迅速下降。因此,對于采用自適應陣抗干擾技術的通信系統的干擾,則干擾元的自適應天線陣通信,至少需n個干擾元。

圖3是通過的增加干擾信號時零陷效能分析,陣元數為7,設期望信號入射仰角和方位角為[40°,100°],信號和干擾強度相同,信噪比20dB。為方便觀察,僅給出歸一化后的一維波束圖?？梢钥闯?自適應算法能在干擾方向產生零陷約-35dB,能有效抑制干擾。

逐一增加干擾個數,當增加至13個干擾信號時,大部分干擾方向形成的零陷變淺至-22dB左右,少部分方向形成的零陷仍然能保持較深的零陷?？傮w而言,隨著干擾個數增加,零陷逐漸變淺。

假定干擾信號功率等同于期望信號功率,隨著干擾個數的增加,來自各個方向的干擾若沒有被波束零陷完成抵消,干擾的總功率將隨干擾個數增加而增加,將導致信號和干擾的功率比降低,即信號被干擾的程度隨之增加。

信干比計算公式為:

式中Ps為信號功率,Pd為經波束零陷抵消后后的干擾信號總功率。圖4給出了信干比隨干擾個數的變化的關系?？梢钥闯?信號功率和干擾信號功率比隨干擾個數增加而降低,說明增加干擾信號個數這種干擾手段是切實可行的。

3.3 交變干擾策略

采用交變干擾樣式技術,使自適應算法性能削弱,而通過最佳交變技術的研究,使自適應算法基本不起作用。

衛星多波束自適應陣列技術,其關鍵是加權系數的最優化設計問題。常用的加權系數設計準則有最大輸出信噪比準則(MSNIR)、最大檢測概率準則、最小均方準則(LMS)、最小平方準則(LS)及最小方差準則(MV)等。

以上幾種自適應算法各有優勢,又有弱點?？梢詮慕蛔兏蓴_樣式研究入手,改變干擾信號輸出幅度、輸出頻率、調制樣式等參數,使衛星自適應陣列系統經常處于適應之中,甚至根本無法適應,削弱自適應算法性能或使其基本不起作用。

設第一個權系數更新周期內存在一個期望信號位于theta方向,一個功率等同于期望信號的干擾信號位于theta+x1方向上,此時自適應零陷將會在此方向上產生;第二個權系數更新周期內期望信號方向不變,干擾信號方向改變為theta+x2角度(這里x2-x1可以為0.2°以上),考慮權系數非實時更新,此時零陷仍然在theta+x1方向,而不是theta+x2方向,也就無法對目前的干擾進行抵消;第三個權系數更新周期內又處于theta+x1角度…,如此循環,此時求解的權系數將始終滯后其正確解一個周期。如果知道t的大致時間,令不同方位上干擾持續時間t1=n*t(n=1,2,3,…,20)時,可以起到較好的干擾效果。期望信號來自[40°,100°],干擾信號來自[40°,100.5°]和[40°,101.3°]時,波束圖如圖5所示。

圖5 主波束和交變干擾圖

從仿真結果可看出n若較小(小于0.5的話),自適應零陷會在閃爍方位上均產生零陷。n若接近整數時(1,2,3…),自適應零陷會在閃爍的一個方位上均產生零陷,而在另一方位不會產生深的零陷。n若太大,則t1隨之變大,就會在長時間內都無法對衛星通信形成干擾。

3.4 欺騙干擾策略

可進行假冒鏈路層欺騙式干擾研究,如果確切地了解和掌握目標軍事衛星通信系統使用的控制信令信息格式和業務信道中傳輸的數據信息格式,就可以用較小的功率發射類似的控制信號和數據信號,而不觸發衛星天線的自適應陣列過程。這樣的干擾具有隱蔽性,不易被察覺。而且欺騙式干擾可以抵消直擴處理增益,節省干擾功率。欺騙干擾的隱蔽性還使指揮員的決策簡單化,不容易引起對抗升級。欺騙干擾有兩種方式:

(1)轉發式干擾。

就是利用信號的自然延時,將干擾機接收到的通信信號,經過一定的延時放大后,直接發送出去。這樣對于衛星來說,同時存在兩個通信信號,這兩個信號完全相同,只是延時不同、幅度不同。自適應天線系統就不能輕易地作為干擾信號來對待。如果轉發出去的信號幅度足夠大,輕者影響主波束方向的形成,重者使衛星誤認為干擾信號為主信號,從而把主波束調整到干擾方向來。

(2)產生式干擾。

產生式干擾是指由干擾機發射與上行信號相同的無線電信號來欺騙衛星,使其出現錯誤解碼,達到干擾目的。其難度在于如何產生欺騙信號,這要求對軍事衛星通信系統的工作性能特點、數據/信令信息格式、多址方式/接入方式、信息分配/路由指配等研究得十分透徹,然后按照其格式產生干擾信號,衛星有可能認為是通信信號,從而達到誤導衛星的目的。

4 結束語

本文對自適應調零技術方法進行了研究,在此基礎上提出了對抗的具體策略,分析了各種干擾有效的技術途徑,為自適應調零天線陣列的對抗工程設計提供了一定的技術參考?！?/p>

1 蔣春山,林錦順,詹毅.零陷天線系統的對抗技術[R].第11屆通信對抗學術年會,2006.

2 宋強,王力華,甘仲民.衛星多波束天線自適應調零算法比較[J].微波與衛星通信,1999(1).

3 張更新,張杭,等.衛星移動通信系統[M].人民郵電出版社,2001.