衛(wèi)星自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)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(tǒng),干擾源首先從天線進入接收系統(tǒng),從而破壞或削弱無線電通信系統(tǒng)的使用效能,而自適應(yīng)天線陣列就是無線通信系統(tǒng)抵抗干擾源的第一道關(guān)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(yīng)調(diào)零天線陣列的抗干擾性能,使得單純地提高干擾系統(tǒng)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(yīng)調(diào)零技術(shù)分析

星載天線實現(xiàn)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(xiàn)波束掃描或快速跳變,并能獲得良好的空間(調(diào)零)分辨特性。但相控陣天線用作衛(wèi)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(diào)零分辨率不及相控陣天線,但可以實現(xiàn)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(wèi)星的實際應(yīng)用狀況來看,相控陣天線比較適合工作在UHF較低頻段的衛(wèi)星移動場合(一般為中、低軌道衛(wèi)星),而在較高的SHF或EHF頻段的衛(wèi)星通信時,普遍采用多波束天線體制。多波束自適應(yīng)陣列天線系統(tǒng)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(shù)字波束形成(DBF)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)處理器。數(shù)字波束形成的作用是通過將各個波束加權(quán)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(chǎn)生自適應(yīng)變化。而自適應(yīng)處理器用來調(diào)整波束形成網(wǎng)絡(luò)中的可變加權(quán)系數(shù),是整個系統(tǒng)的核心。

圖1 多波束自適應(yīng)陣列天線系統(tǒng)

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

實現(xiàn)自適應(yīng)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。基于LMS和SNR算法的閉環(huán)自適應(yīng)處理器實現(xiàn)簡單,它們的主要缺點是收斂速度慢,算法性能對信號協(xié)方差矩陣的特征值散布很敏感。隨著數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用SM I等算法的開環(huán)自適應(yīng)處理器逐漸受到重視,SM I算法是利用取樣信號協(xié)方差矩陣來直接估計自適應(yīng)加權(quán)系數(shù)的。這一算法的優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)與特征值散布無關(guān)的最快收斂速率,但需要高性能的數(shù)字處理器來完成矩陣求逆運算,否則會出現(xiàn)數(shù)值計算不穩(wěn)定導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。而遞歸最小二乘法(RLS)是一種數(shù)據(jù)域遞歸算法,在收斂速率和特征值散布度的關(guān)系上具有同SM I一樣的不敏感性。

采用DBF技術(shù),天線系統(tǒng)能利用方向圖的變化,自適應(yīng)地調(diào)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(tài)。由于DBF技術(shù)是利用空間特性來改進接收系統(tǒng)輸出信噪比的,因此當系統(tǒng)采用星載DBF技術(shù)和擴頻技術(shù)相結(jié)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(shù)來抵消,這樣,可顯著提高系統(tǒng)的抗干擾性能。

3 對抗策略研究

所有的自適應(yīng)調(diào)零系統(tǒng)從數(shù)學上來看都是一個最優(yōu)化過程,而且這個最優(yōu)化過程必然會造成系統(tǒng)設(shè)備量增加、信號處理復(fù)雜度增加、系統(tǒng)通聯(lián)時間加長和系統(tǒng)使用效率下降等等。要想破壞衛(wèi)星上自適應(yīng)調(diào)零系統(tǒng),必須先了解自適應(yīng)調(diào)零系統(tǒng)的弱點。從目前來看自適應(yīng)調(diào)零系統(tǒng),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(yīng)調(diào)零系統(tǒng)區(qū)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(yīng)調(diào)零系統(tǒng)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(dǎo)致系統(tǒng)信噪比嚴重下降;

(2)能夠處理的干擾數(shù)目是有限的,在實際的自適應(yīng)調(diào)零系統(tǒng)中,當干擾信號數(shù)大于陣列自由度時系統(tǒng)抑制干擾信號的能力迅速下降;

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

(4)自適應(yīng)調(diào)零系統(tǒng)對相關(guān)信號處理能力要比不相關(guān)信號的處理能力要差得多,處理也更復(fù)雜一點,如果干擾和信號存在一定的相關(guān)性,將導(dǎo)致自適應(yīng)調(diào)零系統(tǒng)的性能大大下降甚至失效,所以轉(zhuǎn)發(fā)干擾或許是一種不錯的干擾方式,但要考慮衛(wèi)星軌道高度導(dǎo)致的路徑延時。

針對自適應(yīng)天線調(diào)零技術(shù)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(shè)備盡量接近通信目標。相對與岸基的對抗系統(tǒng),艦載對抗系統(tǒng)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(yīng)能力。

首先計算衛(wèi)星點波束覆蓋范圍。現(xiàn)假設(shè)艦艇位置處于某地以東洋面24°N 123°E,利用133°E衛(wèi)星進行通信。

地球站對靜止衛(wèi)星的觀測參數(shù)有方位角φ(方位角的定義為地球站所在經(jīng)線的正北方向,按順時針方向與方位線所構(gòu)成的夾角)、仰角θ、站星距d;已知參數(shù)為地球站經(jīng)度Ψ1及緯度β、靜止衛(wèi)星經(jīng)度(也即星下點經(jīng)度)Ψ2、地球半徑Re(6378.16km)、衛(wèi)星高度h(35860km)。地球站與衛(wèi)星的經(jīng)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(yīng)該接近通信目標320km范圍內(nèi)。

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(tǒng)在主波束方向?qū)π盘柕慕邮蘸土阆菽芰Χ加休^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(shù)也是干擾自適應(yīng)陣通信系統(tǒng)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(yīng)陣的自由度的要求,且技術(shù)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(yīng)天線陣列也有其局限性,即當干擾信號數(shù)大于其自由度(陣元數(shù)-1)時自適應(yīng)天線陣抑制干擾的能力大大減弱。當干擾源數(shù)不大于自適應(yīng)陣的自由度時,自適應(yīng)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(yīng)陣抗干擾技術(shù)的通信系統(tǒng)的干擾,則干擾元的自適應(yīng)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(shù)為7,設(shè)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。可以看出,自適應(yīng)算法能在干擾方向產(chǎn)生零陷約-35dB,能有效抑制干擾。

逐一增加干擾個數(shù),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。總體而言,隨著干擾個數(shù)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(shù)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(shù)增加而增加,將導(dǎo)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(jīng)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(shù)的變化的關(guān)系。可以看出,信號功率和干擾信號功率比隨干擾個數(shù)增加而降低,說明增加干擾信號個數(shù)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(shù),使自適應(yīng)算法性能削弱,而通過最佳交變技術(shù)的研究,使自適應(yīng)算法基本不起作用。

衛(wèi)星多波束自適應(yīng)陣列技術(shù),其關(guān)鍵是加權(quán)系數(shù)的最優(yōu)化設(shè)計問題。常用的加權(quán)系數(shù)設(shè)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(yīng)算法各有優(yōu)勢,又有弱點。可以從交變干擾樣式研究入手,改變干擾信號輸出幅度、輸出頻率、調(diào)制樣式等參數(shù),使衛(wèi)星自適應(yīng)陣列系統(tǒng)經(jīng)常處于適應(yīng)之中,甚至根本無法適應(yīng),削弱自適應(yīng)算法性能或使其基本不起作用。

設(shè)第一個權(quán)系數(shù)更新周期內(nèi)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(yīng)零陷將會在此方向上產(chǎn)生;第二個權(quán)系數(shù)更新周期內(nèi)期望信號方向不變,干擾信號方向改變?yōu)閠heta+x2角度(這里x2-x1可以為0.2°以上),考慮權(quán)系數(shù)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(quán)系數(shù)更新周期內(nèi)又處于theta+x1角度…,如此循環(huán),此時求解的權(quán)系數(shù)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(xù)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(jié)果可看出n若較小(小于0.5的話),自適應(yīng)零陷會在閃爍方位上均產(chǎn)生零陷。n若接近整數(shù)時(1,2,3…),自適應(yīng)零陷會在閃爍的一個方位上均產(chǎn)生零陷,而在另一方位不會產(chǎn)生深的零陷。n若太大,則t1隨之變大,就會在長時間內(nèi)都無法對衛(wèi)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(wèi)星通信系統(tǒng)使用的控制信令信息格式和業(yè)務(wù)信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息格式,就可以用較小的功率發(fā)射類似的控制信號和數(shù)據(jù)信號,而不觸發(fā)衛(wèi)星天線的自適應(yīng)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(jié)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(zhuǎn)發(fā)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(jīng)過一定的延時放大后,直接發(fā)送出去。這樣對于衛(wèi)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(yīng)天線系統(tǒng)就不能輕易地作為干擾信號來對待。如果轉(zhuǎn)發(fā)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(wèi)星誤認為干擾信號為主信號,從而把主波束調(diào)整到干擾方向來。

(2)產(chǎn)生式干擾。

產(chǎn)生式干擾是指由干擾機發(fā)射與上行信號相同的無線電信號來欺騙衛(wèi)星,使其出現(xiàn)錯誤解碼,達到干擾目的。其難度在于如何產(chǎn)生欺騙信號,這要求對軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作性能特點、數(shù)據(jù)/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(chǎn)生干擾信號,衛(wèi)星有可能認為是通信信號,從而達到誤導(dǎo)衛(wèi)星的目的。

4 結(jié)束語

本文對自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)方法進行了研究,在此基礎(chǔ)上提出了對抗的具體策略,分析了各種干擾有效的技術(shù)途徑,為自適應(yīng)調(diào)零天線陣列的對抗工程設(shè)計提供了一定的技術(shù)參考。■

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

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

3 張更新,張杭,等.衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)[M].人民郵電出版社,2001.