卫星自适应调零技术对抗方法研究

林锦顺,丰 涛,陈斌辉,蒋春山

(中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江嘉兴 314001)

1 引言

对于无线通信系统,干扰源首先从天线进入接收系统,从而破坏或削弱无线电通信系统的使用效能,而自适应天线阵列就是无线通信系统抵抗干扰源的第一道关卡,在干扰比信号强得多的情况下,让己方的通信信号通过,将敌方的干扰信号抑制掉。自适应调零天线阵列的抗干扰性能,使得单纯地提高干扰系统功率的方法不再有效,这就要求对抗方探索新的干扰策略。

2 自适应调零技术分析

星载天线实现多波束形成的类型有相控阵天线和多波束天线两种。前者通过控制天线单元的馈电相位,极其灵活地实现波束扫描或快速跳变,并能获得良好的空间(调零)分辨特性。但相控阵天线用作卫星天线时,其波束覆盖性能往往难以满足要求。与之相反,多波束天线利用同一天线口径形成多个独立且相互重叠的窄波束,虽然调零分辨率不及相控阵天线,但可以实现波束的最佳空域覆盖,并且易于在干扰源方向形成具有宽带特性的零点。从国外通信卫星的实际应用状况来看,相控阵天线比较适合工作在UHF较低频段的卫星移动场合(一般为中、低轨道卫星),而在较高的SHF或EHF频段的卫星通信时,普遍采用多波束天线体制。多波束自适应阵列天线系统如图1所示,其主要组成单元包括:多波束天线、多通道信道接收机、数字波束形成(DBF)网络、自适应处理器。数字波束形成的作用是通过将各个波束加权求和之后,在输出时形成一个具有干扰零陷的抽象波束,等效为接收天线的波束形状产生自适应变化。而自适应处理器用来调整波束形成网络中的可变加权系数,是整个系统的核心。

图1 多波束自适应阵列天线系统

从本质上看,天线自适应调零是一个信号处理过程。DBF技术的发展使天线信号处理可全部在取样后用数字方法来完成,因而提供了不失真地进行多种复杂信号处理的可能性,也就是说,DBF技术可将各阵元的接收信号转换到基带,由A/D转换器转换成数字信号,然后对数字信号作加权等处理,形成所需波束。

实现自适应处理的基本算法有:信噪比最大化算法(SNR)、最小均方误差算法(LMS)、采用矩阵求逆算法(SMI)、最小二乘法(LS)等。基于LMS和SNR算法的闭环自适应处理器实现简单,它们的主要缺点是收敛速度慢,算法性能对信号协方差矩阵的特征值散布很敏感。随着数字处理技术的发展,应用SM I等算法的开环自适应处理器逐渐受到重视,SM I算法是利用取样信号协方差矩阵来直接估计自适应加权系数的。这一算法的优点是能够实现与特征值散布无关的最快收敛速率,但需要高性能的数字处理器来完成矩阵求逆运算,否则会出现数值计算不稳定导致系统性能下降。而递归最小二乘法(RLS)是一种数据域递归算法,在收敛速率和特征值散布度的关系上具有同SM I一样的不敏感性。

采用DBF技术,天线系统能利用方向图的变化,自适应地调整波束的零点位置,使之对准干扰源方向,降低干扰信号电平,以抑制干扰,同时保证天线主波束输出始终处于最佳状态。由于DBF技术是利用空间特性来改进接收系统输出信噪比的,因此当系统采用星载DBF技术和扩频技术相结合的方式时,大部分非用户方向的干扰都能被零天线抑制掉,剩余部分的干扰以及来自用户方向的干扰可由扩频技术来抵消,这样,可显著提高系统的抗干扰性能。

3 对抗策略研究

所有的自适应调零系统从数学上来看都是一个最优化过程,而且这个最优化过程必然会造成系统设备量增加、信号处理复杂度增加、系统通联时间加长和系统使用效率下降等等。要想破坏卫星上自适应调零系统,必须先了解自适应调零系统的弱点。从目前来看自适应调零系统,远非无懈可击,而是存在很多破绽,其主要有以下几个方面:

(1)任何自适应调零系统区分信号和干扰的空间分辨率也是有限的,如果干扰信号和通信信号靠得很近,自适应调零系统将无法在干扰方向形成零点,或者即使在干扰方向形成零点也无法在信号方向形成主波束,导致系统信噪比严重下降;

(2)能够处理的干扰数目是有限的,在实际的自适应调零系统中,当干扰信号数大于阵列自由度时系统抑制干扰信号的能力迅速下降;

(3)存在干扰的情况下,系统从捕获到通信信号到形成稳定的零点需要一定的反应时间,如果干扰时有时无,或干扰来波方向不停地变将导致系统无法锁定并抑制干扰;

(4)自适应调零系统对相关信号处理能力要比不相关信号的处理能力要差得多,处理也更复杂一点,如果干扰和信号存在一定的相关性,将导致自适应调零系统的性能大大下降甚至失效,所以转发干扰或许是一种不错的干扰方式,但要考虑卫星轨道高度导致的路径延时。

针对自适应天线调零技术存在的弱点,可以采取以下一些策略。

3.1 逼近式干扰策略

利用舰载体制,让对抗设备尽量接近通信目标。相对与岸基的对抗系统,舰载对抗系统更为接近敌方舰艇编队的船只,使得干扰信号进入通信主波束,降低其“零陷”自适应能力。

首先计算卫星点波束覆盖范围。现假设舰艇位置处于某地以东洋面24°N 123°E,利用133°E卫星进行通信。

地球站对静止卫星的观测参数有方位角φ(方位角的定义为地球站所在经线的正北方向,按顺时针方向与方位线所构成的夹角)、仰角θ、站星距d;已知参数为地球站经度Ψ1及纬度β、静止卫星经度(也即星下点经度)Ψ2、地球半径Re(6378.16km)、卫星高度h(35860km)。地球站与卫星的经度差为:

Ψ=Ψ2-Ψ1;

令k=(Re+h)/Re=6.622,则站星距:

d=Re[(k2+1)-2k cosΨcosβ]1/2=36725km

从而计算出点波束覆盖范围半径为320km左右。为了获取最佳的干扰效果,干扰信号应该接近通信目标320km范围内。

图2是通过的干扰信号接近主波束时零陷效能分析,从仿真图可以看出,当干扰信号逼近主波束时,接收系统在主波束方向对信号的接收和零陷能力都有较大降低。

3.2 分布式干扰策略

采用分布式干扰机和高效分布式干扰天线技术也是干扰自适应阵通信系统的有效途径,尤其是分布式干扰,因为其很易满足干扰源大于自适应阵的自由度的要求,且技术难度相对较小、费用较低、有高的距离增益、有较高的性价比。

图2 干扰信号接近主波束时零陷效能分析

自适应天线阵列也有其局限性,即当干扰信号数大于其自由度(阵元数-1)时自适应天线阵抑制干扰的能力大大减弱。当干扰源数不大于自适应阵的自由度时,自适应阵可起到很好的抑制干扰的能力,最终的SINR恒定,不随干扰的增强而变化;反之,其阵列输出的SINR会随干扰增强迅速下降。因此,对于采用自适应阵抗干扰技术的通信系统的干扰,则干扰元的自适应天线阵通信,至少需n个干扰元。

图3是通过的增加干扰信号时零陷效能分析,阵元数为7,设期望信号入射仰角和方位角为[40°,100°],信号和干扰强度相同,信噪比20dB。为方便观察,仅给出归一化后的一维波束图。可以看出,自适应算法能在干扰方向产生零陷约-35dB,能有效抑制干扰。

逐一增加干扰个数,当增加至13个干扰信号时,大部分干扰方向形成的零陷变浅至-22dB左右,少部分方向形成的零陷仍然能保持较深的零陷。总体而言,随着干扰个数增加,零陷逐渐变浅。

假定干扰信号功率等同于期望信号功率,随着干扰个数的增加,来自各个方向的干扰若没有被波束零陷完成抵消,干扰的总功率将随干扰个数增加而增加,将导致信号和干扰的功率比降低,即信号被干扰的程度随之增加。

信干比计算公式为:

式中Ps为信号功率,Pd为经波束零陷抵消后后的干扰信号总功率。图4给出了信干比随干扰个数的变化的关系。可以看出,信号功率和干扰信号功率比随干扰个数增加而降低,说明增加干扰信号个数这种干扰手段是切实可行的。

3.3 交变干扰策略

采用交变干扰样式技术,使自适应算法性能削弱,而通过最佳交变技术的研究,使自适应算法基本不起作用。

卫星多波束自适应阵列技术,其关键是加权系数的最优化设计问题。常用的加权系数设计准则有最大输出信噪比准则(MSNIR)、最大检测概率准则、最小均方准则(LMS)、最小平方准则(LS)及最小方差准则(MV)等。

以上几种自适应算法各有优势,又有弱点。可以从交变干扰样式研究入手,改变干扰信号输出幅度、输出频率、调制样式等参数,使卫星自适应阵列系统经常处于适应之中,甚至根本无法适应,削弱自适应算法性能或使其基本不起作用。

设第一个权系数更新周期内存在一个期望信号位于theta方向,一个功率等同于期望信号的干扰信号位于theta+x1方向上,此时自适应零陷将会在此方向上产生;第二个权系数更新周期内期望信号方向不变,干扰信号方向改变为theta+x2角度(这里x2-x1可以为0.2°以上),考虑权系数非实时更新,此时零陷仍然在theta+x1方向,而不是theta+x2方向,也就无法对目前的干扰进行抵消;第三个权系数更新周期内又处于theta+x1角度…,如此循环,此时求解的权系数将始终滞后其正确解一个周期。如果知道t的大致时间,令不同方位上干扰持续时间t1=n*t(n=1,2,3,…,20)时,可以起到较好的干扰效果。期望信号来自[40°,100°],干扰信号来自[40°,100.5°]和[40°,101.3°]时,波束图如图5所示。

图5 主波束和交变干扰图

从仿真结果可看出n若较小(小于0.5的话),自适应零陷会在闪烁方位上均产生零陷。n若接近整数时(1,2,3…),自适应零陷会在闪烁的一个方位上均产生零陷,而在另一方位不会产生深的零陷。n若太大,则t1随之变大,就会在长时间内都无法对卫星通信形成干扰。

3.4 欺骗干扰策略

可进行假冒链路层欺骗式干扰研究,如果确切地了解和掌握目标军事卫星通信系统使用的控制信令信息格式和业务信道中传输的数据信息格式,就可以用较小的功率发射类似的控制信号和数据信号,而不触发卫星天线的自适应阵列过程。这样的干扰具有隐蔽性,不易被察觉。而且欺骗式干扰可以抵消直扩处理增益,节省干扰功率。欺骗干扰的隐蔽性还使指挥员的决策简单化,不容易引起对抗升级。欺骗干扰有两种方式:

(1)转发式干扰。

就是利用信号的自然延时,将干扰机接收到的通信信号,经过一定的延时放大后,直接发送出去。这样对于卫星来说,同时存在两个通信信号,这两个信号完全相同,只是延时不同、幅度不同。自适应天线系统就不能轻易地作为干扰信号来对待。如果转发出去的信号幅度足够大,轻者影响主波束方向的形成,重者使卫星误认为干扰信号为主信号,从而把主波束调整到干扰方向来。

(2)产生式干扰。

产生式干扰是指由干扰机发射与上行信号相同的无线电信号来欺骗卫星,使其出现错误解码,达到干扰目的。其难度在于如何产生欺骗信号,这要求对军事卫星通信系统的工作性能特点、数据/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彻,然后按照其格式产生干扰信号,卫星有可能认为是通信信号,从而达到误导卫星的目的。

4 结束语

本文对自适应调零技术方法进行了研究,在此基础上提出了对抗的具体策略,分析了各种干扰有效的技术途径,为自适应调零天线阵列的对抗工程设计提供了一定的技术参考。■

1 蒋春山,林锦顺,詹毅.零陷天线系统的对抗技术[R].第11届通信对抗学术年会,2006.

2 宋强,王力华,甘仲民.卫星多波束天线自适应调零算法比较[J].微波与卫星通信,1999(1).

3 张更新,张杭,等.卫星移动通信系统[M].人民邮电出版社,2001.