机载卫星通信导航设备抗干扰性能提升关键技术研究

摘要：机载卫星通信导航设备易受自然环境、人为电磁辐射及系统内部噪声等多种干扰源影响，严重影响通信质量和导航精度。当前抗干扰技术虽取得一定进展，但仍面临多径效应抑制、动态复杂环境适应及高数据速率下抗干扰性能瓶颈等挑战。提升抗干扰性能的关键技术主要包括采用先进信号处理算法，如Rake接收、智能分集、Turbo/LDPC编码等；设计智能自适应系统结构，如自适应天线阵列、波束赋形及机器学习辅助抗干扰策略；融合多元抗干扰技术，如MIMO、自适应调制编码及频谱感知与智能分配技术。通过这些技术的综合运用和持续研发，有望实现机载卫星通信导航在复杂电磁环境下的高可靠、高鲁棒运行。

关键词：机载卫星通信导航设备抗干扰技术性能提升

中图分类号：TN927.2ResearchontheKeyTechnologiesforImprovingtheAnti-JammingPerformanceofAirborneSatelliteCommunicationandNavigationEquipment

BAIXueqiYOURuiWANGJinlu

AviationFlightOfficerSchoolofAirForceEngineeringUniversity，Xinyang，HenanProvince，464000China

Abstract：Airbornesatellitecommunicationandnavigationequipmentissusceptibletomanyjammingsourcessuchasnaturalenvironment，artificialelectromagneticradiationandinternalnoiseofthesystem，whichseriouslyaffectsthe&n8S+CediRMbxijzx71NQivg==bsp;qualityofcommunicationandnavigationaccuracy.Althoughthecurrentanti-jammingtechnologyhasmadesomeprogress，itstillfacesmanychallenges，suchasmulti-patheffectsuppression，dynamiccomplexenvironmentadaptationandanti-jammingperformancebottleneckunderhighdatarate.Thekeytechnologiestoimprovetheanti-jammingperformancemainlyincludeadoptingadvancedsignalprocessingalgorithms，suchasRakereceiver，intelligentdiversity，Turbo/LDPCcoding，etc.;Designintelligentadaptivesystemarchitecture，suchasadaptiveantennaarrays，beamforming，andmachinelearningassistedanti-jammingstrategies;Integratingmultipleanti-interferencetechnologies，suchasMIMO，adaptivemodulationandcoding，andspectrumsensingandintelligentallocationtechnology.Throughthecomprehensiveapplicationandcontinuousresearchanddevelopmentofthesetechnologies，itisexpectedtoachievehighreliableandrobustoperationofairbornesatellitecommunicationandnavigationincomplexelectromagneticenvironment.

KeyWords：Airbornesatellitecommunication;Navigationequipment;Anti-jammingtechnology;Performanceimprovement

随着机载卫星通信导航系统在航空领域的广泛应用，其在复杂多变的电磁环境中所面临的自然环境干扰、人为电磁辐射及系统内部噪声等问题日益凸显，严重影响了通信效能与导航精准度。鉴于此，本文旨在克服多径效应、动态环境适应及高速数据传输下的抗干扰瓶颈，以确保系统在各类干扰情形下仍能维持高效稳定运作，满足现代航空对高可靠通信导航的严苛需求。

1机载卫星通信导航系统干扰源分析

1.1自然环境干扰特性剖析

机载卫星通信导航系统在实际运行中，受到的干扰因素众多且复杂。其中，自然环境干扰特性是影响系统性能的关键因素之一。自然环境中的干扰主要包括但不限于太阳黑子活动引发的空间天气现象，其产生的强烈电磁辐射可对卫星信号产生严重衰减或失真，尤其是在高频和极高频波段。此外，电离层不规则变化也会导致信号的多径传播，增加信道的时延扩展和频率选择性衰落，严重影响定位精度和通信质量。

另外，雨衰、雪衰等气象条件同样会对卫星通信导航信号产生吸收和散射效应，尤其在Ka波段等较高频率上表现尤为显著。同时，地形地貌特征如山体阻挡、城市高楼反射等也会造成非视线传播干扰，进一步加大了通信导航系统的信号强度波动和稳定性挑战。

1.2人为电磁辐射干扰源分类

在探讨机载卫星通信导航系统的干扰源时，人为产生的电磁辐射干扰不容忽视。这类干扰主要源自各类无线电通信设备、雷达系统以及工业、科研、军事等活动释放出的大量电磁能量。人为电磁辐射干扰根据来源与特性可分为以下几类。

（1）同频或邻频通信设备干扰是常见的一种类型，包括地面基站、其他卫星通信系统以及其他航空器搭载的通信导航设备等，它们在同一或相近频率范围内发射信号，导致接收端无法有效分离有用信号和干扰信号。

（2）雷达系统的高强度脉冲辐射也是重要的干扰源。军用雷达在执行探测任务时发出的强大脉冲信号覆盖或淹没卫星导航信号[1]，特别是在机场附近、海防区域等雷达密集部署地带，这种干扰尤为突出。

（3）无线电子战装备和电子对抗手段也有意无意地对卫星通信导航系统构成干扰。例如通过压制式干扰、欺骗式干扰等方式，破坏机载卫星导航系统的正常工作。

（4）工业、科研活动中使用的各种电磁设备以及日益增多的无线电子设备群，如广播电视台、移动通信基站、微波炉、无线网络设备等，都形成复杂的电磁环境背景噪声，间接削弱卫星通信导航信号的质量。

2机载卫星通信抗干扰技术的现状与挑战

2.1多径效应抑制技术难题

在机载卫星通信抗干扰技术的研究与实践中，多径效应抑制技术是一项长期存在的重大挑战。多径效应是指卫星信号在传播过程中经过不同路径到达接收端，由于不同的路径长度导致信号抵达时间各异，从而形成的延迟、相位差和衰落现象。这种现象在城市环境中尤为显著，建筑物、地形和其他物体引起的反射、折射和散射都会生成多重信号副本，最终导致的信号衰落和码间干扰（Inter-SymbolInterference，ISI）问题，严重影响通信的可靠性和导航定位的精度。

目前，尽管已发展出一些应对多径效应的技术，如rake接收机、RAKE分集技术、智能天线技术和空间分集技术等，但仍面临诸多难题。一方面，由于多径传播环境的动态变化性，难以精确预测和实时追踪每个信号路径[2]；另一方面，现有技术在极端恶劣的多径环境下，如严重的城市峡谷效应或多径快速切换场景下，往往无法充分补偿信号损失，使得信噪比保持在满足高质量通信要求的水平。

此外，随着机载通信系统朝着更高频段和更高速率方向发展，如Ka波段及毫米波通信的应用，多径效应对系统性能的影响更为突出，不仅要求更高的信号处理速度和算法复杂性，还对硬件实施提出了严格的要求。

2.2动态复杂环境下抗干扰能力局限

在现代机载卫星通信系统中，尤其是在动态复杂的电磁环境下，保证有效的抗干扰能力是一项艰巨的任务。此类环境主要包括飞机在飞行过程中的高度变化、速度波动以及不断变化的地貌特征，这些因素共同作用使得通信链路遭受多变且强烈的干扰，如其他无线电设备、雷达系统、敌对电子战手段等产生的噪声和有意干扰信号。

当前的抗干扰技术，如频率捷变、极化分集、自适应编码与调制，及采用抗干扰设计的智能天线阵列等，在一定程度上提高了通信的稳定性和安全性。然而，在面对瞬息万变的空中战场环境或者密集的城市电磁环境时，仍表现出一定的局限性。

动态环境下的快速移动会导致卫星信号强度快速衰减和多普勒频移加剧，这对传统抗干扰技术的跟踪与补偿机制提出了极高要求。机载平台自身的机动性使得接收端视角快速变化，增加了天线指向控制和信号捕获难度，尤其在对抗诸如窄带瞄准式干扰、宽带阻塞干扰时，系统无法及时调整并维持有效通信。

此外，随着无线通信频谱资源日益紧张，卫星通信系统与其他无线服务之间的电磁兼容问题也愈发严重，这进一步加大了在复杂环境下实现高可靠抗干扰通信的难度。

2.3高数据传输速率下的抗干扰技术瓶颈

当前，机载卫星通信系统追求更高的吞吐量以满足高清视频传输、海量数据交换等需求，但在高数据速率条件下，系统对干扰信号的敏感度显著增加，任何微小的噪声和干扰都会对信号质量造成严重影响。

主要原因在于，随着传输速率的提高，信号的频带利用率增大[3]，信号的能量集中度相对降低，导致信噪比在同等干扰条件下有所下降，对系统抗干扰性能的要求更加苛刻。此外，高速数据传输通常伴随高级别的调制解调技术，如正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）和正交幅度调制（QuadratureAmplitudeModulation，QAM）等技术，这些技术虽然能提高频谱效率，但也引入了更大的符号间干扰（ISI）风险和对载波同步精度的更高要求。

同时，高速通信系统在对抗恶意干扰时，比如窄带瞄准式干扰、脉冲干扰等，传统的基于信道编码和交织技术的抗干扰手段在有限的延迟容限内难以完全恢复被干扰的数据，导致误码率上升，进而影响到整个系统的稳定性和可用性。

另外，高数据速率下的卫星通信系统在设计和实现上还需兼顾功耗、体积、重量等约束，这给抗干扰技术的研发带来了额外的挑战。

3机载卫星通信导航设备抗干扰性能提升策略

3.1采用先进信号处理算法提升抗扰性

在致力于提升机载卫星通信导航设备的抗干扰性能方面，采用先进的信号处理算法扮演着至关重要的角色。现代信号处理技术以其强大的降噪、检测、分离和跟踪能力，能够显著增强系统在复杂电磁环境中的稳定性和可靠性。

针对多径传播导致的信号衰落和延迟问题，可以运用rake接收机技术和智能分集接收技术，通过联合多个信号副本最大化信噪比，从而抵消多径效应带来的负面影响。同时，利用自适应滤波算法，如最小均方误差（LeastMeanSquares，LMS）方法和递归最小二乘（RecursiveLeastSquares，RLS）等算法，实现实时对多径信号的估计和抵消[4]。

针对噪声干扰，可应用先进的信道编码技术如Turbo码、LDPC码，结合交织技术，有效抵抗突发性噪声干扰，降低误码率。而在数据解调环节，采用最大似然序列检测（MaximumLikelihoodSequenceDetection，MLSD）技术和软判决译码（SoftDecisionTrellisCoding，SDTC）等技术，能够在低信噪比条件下依旧保持较高的解调正确率。

针对人为干扰，可以运用认知无线电（CognitiveRadio，CR）技术和自适应调制编码（AdaptiveModulationandCoding，AMC）技术，使系统具备根据实时信道状态自动调整传输参数的能力，以最优化的方式应对各种未知和动态干扰环境。

通过盲源分离（BlindSourceSeparation，BSS）和独立成分分析（IndependentComponentAnalysis，ICA）等信号分离技术，可以从复杂的混合信号中有效地提取出纯净的卫星通信导航信号。

3.2设计智能自适应抗干扰系统结构

在强化机载卫星通信导航设备抗干扰性能的过程中，设计智能自适应抗干扰系统结构是一种极具潜力的发展方向。智能自适应系统能够根据实时变化的外部环境和内部状态，自主调整工作参数和算法策略，从而有效地应对各种复杂、不确定的干扰情况。

构建具备自适应天线阵列的通信系统，利用波束赋形技术，可以根据干扰源的位置和强度动态调整天线增益方向[5]，实现对有用信号的最优接收和对干扰信号的最大抑制。结合机器学习算法，如深度神经网络（DeepNeuralNetwork，DNN）和强化学习（ReinforcementLearning，RL），可以hE1sn4sHO/57jDxw7CpJYp1SAfQz0zDdvaFrp5LZtDc=实时预测和识别干扰类型，进而快速调整系统参数以达到最佳抗干扰效果。

通过引入自适应调制和编码方案，系统可根据信道状况和干扰级别灵活选择最优的调制方式和编码率，确保在复杂环境下也能实现高数据速率和高可靠性的通信。此外，自适应滤波器的设计和应用也极为关键，它可以实时估计和抵消噪声、多径效应以及有意干扰，最大程度减少其对卫星通信导航信号的影响。

智能化的抗干扰系统应具备自我诊断和修复能力，能在出现故障或遭遇未知干扰时迅速响应并恢复通信导航功能。结合故障预测与健康管理技术（PrognosticsandHealthManagement，PHM），通过实时监测和数据分析，提前发现潜在问题，确保系统始终处于最优的抗干扰工作状态。

3.3融合多种抗干扰技术以增强鲁棒性

提升机载卫星通信导航设备的抗干扰性能，一个重要的策略是深度融合多种抗干扰技术，以实现系统的高性能、高鲁棒性运作。这种融合策略旨在从不同层面和维度对抗各种复杂、多变的干扰源，确保在严酷的电磁环境下，卫星通信导航信号的获取、传输和处理能力始终保持在高水平。

在信号接收端，可以通过多元异构信号接收技术，如分集接收、MIMO（多输入多输出）技术等，充分利用信号的空间多样性，分散和抵消干扰影响。同时，利用自适应滤波、盲源分离、干扰抵消等信号处理算法，精确区分和消除来自多径传播、多用户共享频谱以及恶意干扰的不利因素。

在通信协议层面，采用先进的信道编码技术，如Turbo码、LDPC码以及纠错编码配合交织技术，增强信号在噪声和干扰环境下的错误检测与纠正能力。此外，自适应调制与编码（AdaptiveModulationandCoding，AMC）、动态频率选择（DynamicFrequencySelection，DFS）等技术的融合应用[6]，能够根据实时信道状态和干扰程度动态调整通信参数，实现资源的最佳利用和性能优化。

在系统架构设计上，采用认知无线电和频谱共享技术，让系统具备感知周围电磁环境、智能分配和利用频谱资源的能力，从而有效避开干扰源或在有干扰的情况下仍然保持通信能力。同时，通过物理层安全技术，如扩频、跳频、加密等手段，增强系统抵御有意干扰和窃听攻击的能力。

提升机载卫星通信导航设备的抗干扰性能涉及多元融合技术的创新与应用，涵盖信号处理算法优化、智能自适应系统结构设计以及频谱管理与安全防护等方面。通过Rake接收、智能分集、先进编码调制、自适应波束赋形等技术，系统可在复杂动态环境中高效抑制多径效应、噪声及人为干扰，确保信号质量和通信导航效能。未来发展趋势将更加强调跨层次综合抗干扰能力的构建，结合智能学习与预测性维护，实现全方位、全天候、全场景的高可靠、高鲁棒通信导航服务。

4结语

本文通过对机载卫星通信导航设备所面临的自然环境、人为电磁辐射及系统内部噪声等多重干扰源的深入剖析，明确了当前抗干扰技术在多径效应抑制、动态环境适应及高数据速率下的抗干扰性能瓶颈。为解决这些挑战，研究提出了三大核心技术方向：采用先进信号处理算法以改善信号质量；设计智能自适应系统结构以应对复杂电磁环境变化；融合多元抗干扰技术以增强系统鲁棒性。其中，诸如Rake接收、智能分集、Turbo/LDPC编码、自适应天线阵列、波束赋形、MIMO、自适应调制编码及频谱感知与智能分配技术等已被证实对于提升抗干扰性能具有重要作用。

通过综合运用上述技术手段，并持续进行技术研发，未来有望突破抗干扰性能瓶颈，确保机载卫星通信导航系统在各类复杂电磁环境下实现高可靠、高鲁棒的运行，满足现代航空领域对通信导航的高标准需求。展望未来，结合智能学习、预测性维护等先进技术，将进一步推动机载卫星通信导航设备在抗干扰性能上的全面提升，为实现全方位、全天候、全场景下的稳定高效通信导航服务奠定坚实基础。

参考文献

[1]陈书恒，莫嘉倩，莫小欣.机载低轨卫星通信发展及关键技术综述[J].电讯技术，2024，64（1）：149-157.

[2]宋捷，鲁祖坤，刘哲，等.卫星导航时域自适应抗干扰技术综述[J].系统工程与电子技术，2023，45（4）：1164-1176.

[3]康荣雷，安毅，班亚龙，等.战术数据链空时联合抗干扰技术[J].电讯技术，2023，63（2）：199-205.

[4]王春霞，刘新芳.基于卷积神经网络的空间导航信号抗干扰处理技术[J].无线电工程，2023，53（11）：2659-2663.

[5]张怀根，何强.机载雷达抗干扰技术现状与发展趋势[J].现代雷达，2021，43（3）：1-7.

[6]姚亚利，温剑，李秀梅，等.L频段低仰角覆盖机载前舱卫通天线[J].电讯技术，2021，61（5）：555-559.