天地一體化網絡空間信息抗干擾技術

陳新龍+陳大可

摘要：基于空間信息抗干擾概念和典型系統抗干擾技術應用分析，提出了天地一體化信息網絡中空間信息系統在信息獲取、傳輸、存儲和處理過程中均面臨干擾的特點。指出了國際上空間信息抗干擾的新趨勢，如系統防護能力愈加全面、系統抗干擾能力不斷增強、衛星組網日趨成熟、網絡安全協議標準化等，同時還指出中國空間信息抗干擾面臨的新問題，如多重干擾并存、“彈性”體系中的抗干擾能力生成、國際新環境下空間系統主動抗干擾等，并給出了天地一體化信息網絡空間信息抗干擾未來的研究方向建議。

關鍵詞：天地一體化信息網絡；抗干擾；空間安全

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 （2016） 04-0049-005

得益于低成本火箭發射技術、微小衛星平臺技術和載荷技術的迅猛發展，實現全球信息，特別是天基信息共享的天地一體化信息網絡正在全世界范圍內引發廣泛關注[1]。空間信息系統作為一類在太空中組網應用的特殊信息系統，因其應用環境的特殊性以及獲取信息、傳輸信息的制約性，面臨著較地面信息系統更為復雜、特殊的抗干擾問題。空間信息抗干擾問題已經成為影響這一網絡正常獲取信息、有效傳輸信息的關鍵問題之一，直接關系到空間信息在應急救災、智慧城市、國家安全等多個領域的應用。

1 空間信息抗干擾內涵

“空間信息抗干擾”與“空間信息對抗”密不可分。空間信息[2]對抗是指“空間攻防中，以信息獲取、傳輸、存儲、處理過程為中心構成的對抗。又稱空間信息戰。是一種信息化的作戰形態，通過破壞敵方信息內容、基于信息過程、信息系統和信息網絡，同時保護己方的信息、信息過程、信息系統和信息網絡，取得制信息權。”根據上述定義，我們認為：空間信息抗干擾是指以空間信息獲取、傳輸、存儲、處理過程為中心，為保護己方信息、信息過程、信息系統和信息網絡，確保安全、有效地利用空間信息的技術手段。

天地一體化信息網絡中，面臨干擾威脅的組成要素有空間段的衛星系統，包括軌道段的衛星，信息傳輸、處理過程的跟蹤控制鏈路（TT&C）和數據鏈路，以及地面段的地面站、用戶設備等，不同的空間系統和網絡設施需要對抗的潛在干擾類型和環節也不同。文章針對空間信息傳輸、存儲和處理過程中的抗干擾技術，研究了其他一些國家相關系統和技術的發展現狀與趨勢，分析了目前存在的主要問題，提出了未來的研究方向。

2 典型的空間系統抗干擾技術

2.1 美軍通信衛星抗干擾技術

美軍的受保護通信衛星系統經歷了從“軍事星”（Milstar）到“先進極高頻”（AEHF）衛星的更新換代。在系統建設初期，鑒于當時的冷戰、核戰形勢，Milstar I衛星突出強調核作戰條件下的防護性能；隨著冷戰結束，Milstar II衛星弱化了核防護能力，提升了抗干擾能力及通信性能；而AEHF是美國新一代高防護性能的地球靜止軌道軍事通信衛星系統，用于替代“軍事星”衛星系統，代表了國際上抗干擾衛星通信的最高水平。針對實時視頻、戰場圖像、目標數據等戰術信息傳輸的新需求，AEHF進一步提升了通信速率、系統容量，在包括核戰爭在內的各種規模戰爭中，為美軍關鍵戰略和戰術部隊提供防截獲、抗干擾、高保密和高生存能力的全球衛星通信[3-4]。其在抗干擾方面的主要技術特點如下：

（1）業務容量和數據速率獲大幅提高

AEHF衛星在Milstar-II衛星低數據率載荷（LDR）和中數據率載荷（MDR）能力的基礎上，增加了擴展數據率載荷（XDR）能力，最大數據率提高到8.192 Mbit/s。AEHF衛星的單星數據容量從Milstar-II衛星的40 Mbit/s提高到430 Mbit/s，超過了Milstar衛星通信系統的總和。星間鏈路數據率也由10 Mbit/s提到了60 Mbit/s。

（2）采取多重措施以增強抗干擾能力

采用波束成形網絡提供調零天線，對于潛在干擾，波束成形網絡將使天線自動調零，而在波束覆蓋范圍內的合法用戶則可以正常使用衛星，不需要由地面控制和干涉。而且，采用的波形本身也具有很強的抗干擾能力。此外，除了采用擴頻或跳頻技術實現低檢測概率和低截獲概率，還應用了先進的加密技術，密鑰由美國國家安全局提供。

（3）星間鏈路能力提升互聯互通能力

系統中衛星之間具有星間鏈路，與Milstar衛星之間也有星間鏈路。AEHF星間鏈路通過V波段（60 GHz）星間鏈路天線實現，星間鏈路天線饋源可以在60 GHz的頻率上以5%的帶寬實現單脈沖跟蹤。

2.2 GPS系統抗干擾技術

全球衛星定位系統（GPS）的重要性和作用使其必然成為攻擊的靶子。雖然目前GPS系統采用了擴頻措施用于降低非授權用戶定位精度的選擇可用性（SA）措施（已取消），用于反電子欺騙和保密的反電子欺騙（AS）措施（P碼及Y碼）等，具備了一定的防護能力；但隨著攻擊技術的研究和發展，只需要以足夠高功率、具有適當時空特征的欺騙干擾信號，就可以在指定的威脅區域使GPS失效。為此美軍方提出了全新的GPS III計劃，重新設計天基導航和授時系統，包括衛星設計、補充要求、信號增強及抗干擾。有效載荷抗干擾措施主要包括：

（1）提高空間信號的完善性，要求對星上故障或信號超差能在60 s內發出通知。

（2）采用新的軍用M碼信號，結合新的M碼信號以抗拒非授權者使用，且能抵抗干擾。

（3）提高功率和點波束發射，采用高增益點波束天線，能對選定地區集中更高的功率。M碼信號至少增強20 dB，以對付干擾的威脅。

此外，針對衛星導航在防欺騙方面的脆弱性，研究人員分別從信號體制、終端技術及外部輔助等3個方面提出了許多防欺騙技術[5-8]，開展了相關研究。

2.3 英國Skynet系列衛星通信系統抗干擾技術

英國的軍用通信衛星天網（Skynet）迄今已發展到了第5代。Skynet-5衛星體現了軍事衛星通信的前沿，如星上載有特高頻和超高頻有效載荷，采用調零天線增強抗干擾能力，擁有多種可控點波束，并可通過銥星等提高其通信業務的覆蓋面。其主要性能和特點有：

（1）高性能的衛星平臺

歐洲星-3000S衛星平臺是在歐洲星-3000的基礎上專門研制而成的，其綜合性能世界領先，能夠滿足衛星的設計和尺寸要求，可攜帶70臺以上的轉發器。

（2）高性能的星載設備

星載設備符合北約防核及防激光輻射設施安全標準。星載的超高頻和X頻段轉發器數量是Skynet-4轉發器數量的3倍多，且天線具有多點波束可旋轉性；通信容量是Skynet-4衛星的5倍以上，通信速率也大幅提高，可提供安全可靠的實時加密話音和數據鏈路通信。

（3）靈活的覆蓋能力

具備覆蓋大西洋和印度洋的通信能力，裝備有先進的現代化通信設備，可為英軍提供安全、高效、大容量的軍事通信服務。衛星的4副可控天線及超高頻和X頻段轉發器，可根據任務需要將波束指向某一地區，使通信效率和靈活性大大提高。此外，還與美國軍用衛星相互兼容和聯通，同時也與銥星、國際通信衛星和國際移動衛星等商業衛星聯通，系統綜合利用率既靈活又高效。

（4）較強的抗干擾能力

采用調零天線增強了抗干擾能力，并且增加了硬度以防核輻射和激光侵蝕；同時采用如碼分多址、星上處理和多波束調零天線覆蓋等現代通信的高新技術，使得英軍在未來10年的信息化作戰能力和全球機動作戰保障能力等方面得到了進一步的提升。

（5）新型電子密鑰管理

安裝了新型密碼裝置，該系統中的CLERISY采用美國的電子密鑰管理系統標準協議。為通信保密管理人員提供自動管理、生成、分發、存儲、統計和訪問控制等功能。

2.4 俄羅斯通信衛星抗干擾技術

俄羅斯衛星通信起步早，擁有多個衛星通信系統，陸海空三軍都裝備有衛星通信終端，但是數字化水平低，功率小，數據傳輸速率低，其能力遠低于美國等西方發達國家的衛星通信系統。其主要特點是依據較多種類的衛星以及衛星星座構成相應的衛星通信系統。

2.5 其他相關技術發展

隨著空間技術的發展，一些新型的防御措施也可以起到信息抗干擾防護的作用[9-10]，例如，空間網絡安全協議的標準化、在星間采用的具有高度保密性及抗干擾性的激光通信手段、衛星軌道機動技術以保障衛星正常工作以及“彈性”。

2.5.1 CCSDS通信安全協議

民用空間鏈路采用國際空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）標準，美國和歐洲軍用航天器也在推廣CCSDS標準。CCSDS協議較為廣泛的應用集中在鏈路協議。鏈路層安全協議只能hop-hop級，但是空間鏈路可以考慮采用鏈路層以上的安全協議實現端到端的安全性[11-13]。對于現有的鏈路層通信安全協議來說，主要考慮CCSDS標準中的空間通信協議規范-安全協議（SCPS-SP）和地面成熟的互聯網安全（IPSec）協議。

2.5.2 空間激光通信技術

空間激光通信是以激光作為信號載體，在自由空間信道和大氣信道中傳輸，實現信息交換。較于微波通信，在傳輸速率和容量方面，激光通信具有頻帶寬、潛在傳輸速率高的優勢；在通信安全性方面，激光通信具有保密性好以及抗干擾這一明顯優勢；此外，激光通信終端體積小、重量輕、功耗低，非常適合衛星搭載。美國把激光通信作為航天技術重點發展的18個領域之一。發展包括月球激光通信演示（LLCD）項目、火星激光項目等。其中，LLCD項目是世界上首次進行深空激光通信在軌演示驗證的項目。該體制也為美國國家航空航天局（NASA）今后發展深空激光通信的主要方式。

2.5.3 衛星軌道機動技術

美國在軌運行的高級光電成像偵察衛星“鎖眼”具有極強的機動變軌能力，燃料用完后可由航天飛機對其進行在軌加注，因而可隨時調整衛星軌道。利用衛星自身機動能力，既能夠機動靈活地在軌道上運行，躲避反衛星武器的攻擊進行被動防御，又可以在其上安裝空間監視裝置，攻擊告警裝置和針對威脅的對抗裝置，部署在主衛星周圍進行伴飛，當發現有針對衛星的攻擊行為時，可以針對攻擊進行誘騙、阻擋或攔截等主動防御。可以說，該系統是美軍對空間防御問題進行長時間思考的結果[14]。

2.5.4 靈活的“小空間”系統

“小空間”系統因研制周期相對較短，具有快速響應、按需發射、靈活組網、成本可控的獨特優勢，可顯著增強美國的空間系統彈性 [15]。作為探索小衛星邁向作戰應用的重要項目，美國的“作戰響應空間”（ORS）項目已經取得顯著進展。該類系統既可降低技術風險，節約研制費用，縮短研制周期，又可以增強空間系統的靈活性和強健性，空間單個節點失效將不會造成整個系統服務能力失效。

3 空間信息抗干擾發展趨勢分析

（1）大力發展軍事通信衛星的抗干擾能力

通過發展星載高分辨率多波束自適應調零天線技術、極高頻（EHF）抗干擾技術、直擴（DS-SS）和跳頻（FH）、跳時（TH）技術及其混合技術、星上再生處理技術等，消除對方的強干擾，保證衛星安全穩定運行。如美國的抗干擾系列衛星AEHF，英國的Skynet系列衛星等代表了當今世界衛星通信抗干擾技術的最高水平，并且保證了衛星具有很強的抗干擾功能。

（2）系統防護能力愈加全面

根據可能面臨的各種干擾威脅，美軍對抗干擾衛星通信系統都進行了全面的防護設計，在系統平臺、載荷、測控鏈路、通信鏈路等各方面都進行了精心考慮，采用了各種先進的電子防御手段，確保系統沒有明顯的短板，能夠對抗各種形式的干擾威脅。英、法等國空間系統也針對潛在的干擾采取了較為全面的防護設計。空間信息抗干擾技術正向抗核輻射、高可控、高防護能力方向發展。

（3）系統抗干擾能力不斷增強

從Milstar-I系統的單用戶最高速率為2.4 kbit/s，但是單星容量不到0.5 Mbit/s，發展到Milstar-II系統的單用戶最高速率1.544 Mbit/s，單星容量40 Mbit/s，到AEHF系統單用戶最高速率達8 Mbit/s、單星容量430 Mbit/s，其規劃的下一代系統單用戶最高速率為45 Mbit/s，單星容量近10 Gbit/s。空間信息抗干擾技術正朝著超大容量、超寬帶、高速率保密通信的方向發展。

（4）衛星組網日趨成熟

無論是美國的軍事星系列，還是英國的Skynet系列，或是借用商業衛星的軍事通信，均為組網應用方式，既有高軌衛星組網，又有中、低軌衛星組網。衛星組網在很大程度上增加了衛星的自主性，提高了衛星系統的抗干擾和抗毀能力。

（5）網絡安全協議標準化

無論是歐洲航天局（ESA）還是NASA，都對CCSDS中規定的標準大力推廣。在民用航天方面，已經得到大量應用，在軍用航天方面，也在推廣。采取的安全方案往往簡潔明了，易于執行。

4 空間信息抗干擾存在的問題

上面介紹了近年來典型空間信息系統抗干擾技術的主要研究成果，這些工作都取得了一定成效，但隨著新技術和干擾/攻擊手段的不斷發展，目前仍有幾個方面的相關問題有待解決。

（1）多重干擾并存下的空間信息系統可用性問題

對空間信息系統的干擾手段是多樣的，抗干擾的措施也層出不窮，但是現在還沒有一種抗干擾技術可以抵御任何干擾。可以說，空間信息系統的抗干擾是一項系統工程，它要綜合考慮到干擾方可能采用哪些干擾手段的最低通信需求，或者自然干擾的特征是什么，并根據其具體環境來選擇相應的抗干擾手段。

（2）“彈性”體系中的抗干擾能力生成問題

未來空間信息網絡不僅通過單一手段進行信息安全防護，網絡中的路由技術可以是跨層設計，通信鏈路中的抗干擾手段可從信息層面到信號層面都進行防護，并采用多種新型的手段，防止信息被截獲或者篡改。

（3）國際新環境下的空間系統主動抗干擾問題

從目前以美國為首等發達國家發布的空間戰略中可以看到，其對于空間網絡的安全觀發生了重大轉變，從以往的基于安全防護的基調轉變為增加空間威懾力，但同時也表明開展航天國際合作的態度。

5 結束語

信息網絡抗干擾問題不容忽視，需要客觀分析面臨的潛在干擾威脅，特別是空間信息系統的抗干擾問題，尋找切實可行的技術方案。文中，我們討論了空間信息抗干擾的概念內涵，研究了典型空間系統的抗干擾技術發展，總結了空間系統防護能力、抗干擾技術手段、應用模式、協議標準化等方面與空間信息抗干擾相關發展趨勢，并探討了這些技術存在的問題。

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