伴隨衛星干擾中繼衛星通信鏈路策略研究

王學梅，陶 金，姚凡凡，馬 也

(1.中國人民解放軍32039部隊，北京100094；2.三亞中科遙感研究所，海南 三亞 572029)

0 引言

定點在地球同步軌道的中繼衛星為近地軌道航天器提供數據中繼服務，它克服了地球遮擋，使近地軌道航天器可以隨時將獲得的偵察數據傳回到地面，同時地面也可以隨時對航天器進行控制和測量，提高了航天器數據傳輸的時效性和應用的有效性以及航天器測控的安全性。如果對其進行成功干擾，就可以大大降低它的作用[1]。與通信衛星天線波束指向相對固定不同，中繼衛星需要跟蹤空間運動的航天器，因此，星間天線指向隨機。為了提高傳輸速率，中繼鏈路通常工作在Ka高頻段，天線的覆蓋范圍較小，目前已有的干擾地球同步通信衛星的策略和方法難以發揮作用[2-3]，需要研究新的干擾策略和實施方法，確定中繼鏈路干擾目標的選擇原則，特別是針對采用伴星[4-6]干擾策略，需要選擇干擾衛星的軌道，設計干擾伴星進入中繼衛星干擾區域的軌道控制策略和實施方法，當干擾伴星能夠進入中繼星星地天線的主瓣并保持或者只能在軌道自由漂移的情況下，需要選擇干擾中繼前向鏈路或者返向鏈路為干擾目標，以期獲得最大的干擾效果。

1 中繼鏈路伴星干擾策略

一條完整的中繼鏈路由地面終端站-中繼衛星-用戶星之間的星間和星地鏈路組成，其干擾區分布如圖 1所示。為了提高傳輸速率，中繼衛星采用高增益定向天線，如某中繼衛星，其星地天線的口徑為2.4 m，工作在Ku頻段，天線波束寬度0.6°，固定指向地面終端站，完成中繼衛星與地面終端站之間數據傳輸；星間天線4.6 m，工作在Ka頻段時天線波束寬度0.2°，動態跟蹤用戶衛星，完成中繼衛星與用戶衛星之間通信。通常情況下，為了達到理想的干擾效果，干擾源必須進入被干擾目標的天線主瓣，而上述中繼衛星天線指向和窄波束特性明顯增加了困難，因此必須針對中繼衛星特點，設計干擾衛星軌道、選擇干擾鏈路和被干擾對象。

圖1 中繼衛星數傳鏈路及干擾區分布Fig.1 Data transmission link and jamming area distribution of TDRS

1.1 干擾鏈路選擇

中繼衛星系統中從用戶星到中繼衛星之間的鏈路稱為星間鏈路，中繼衛星到地面站之間的鏈路稱為星地鏈路，下面分別對這2種鏈路實施干擾的可行性進行分析。

1.1.1 星間鏈路

中繼衛星與用戶星的連線和干擾衛星軌道相交的區間為星間鏈路干擾區，如圖2所示，當干擾衛星進入該區時，可以干擾中繼衛星的星間鏈路。由于用戶星是近地軌道衛星，繞地球高速運轉，因此每個星間鏈路的干擾區是隨時間變化的，除非實施精確的軌道控制，干擾衛星能夠準確進入一個特定用戶星的星間鏈路干擾區的概率非常小，而且考慮到干擾星和用戶星之間的相對高速運動，干擾衛星即使進入了干擾區，干擾實施的維持時間短促，難以起到干擾效果，因此采用伴星干擾中繼衛星的星間鏈路不是一種理想途徑。

圖2 干擾衛星軌道影響星地鏈路區域Fig.2 The area of satellite-to-ground link influenced by jamming satellite orbit

1.1.2 星地鏈路

圖2中繼衛星與地面終端站的連線和干擾衛星軌道相交的區間為星地鏈路干擾區，與星間鏈路的干擾區隨具體衛星和時間變化不同，地球同步衛星的軌道同步特性決定了星地鏈路指向固定，干擾覆蓋區域的大小取決于星地天線的口徑和工作頻率，天線口徑越大、頻率越高，覆蓋區就越小。因此，星地鏈路干擾區在空間位置固定的特點為實施干擾創造了有利條件。

因此，采用伴星干擾策略時，從干擾的確定性和實現的難易程度考慮，干擾路徑應該選擇中繼衛星到地面終端站的星地鏈路。

1.2 干擾衛星軌道選擇

從上面的分析可以看出，針對中繼衛星具有星地天線固定指向、星間天線動態指向的特點，使用伴星干擾中繼數傳的星地鏈路最具可操作性。為此，還需要選擇合適的伴星軌道。

1.2.1 中低軌衛星

圖 2顯示了衛星軌道的高低與干擾區域范圍之間的關系，基于投射原理可以看出，軌道越低，干擾區域越大，似乎選擇低軌衛星干擾實施效果好，但實際上考慮到衛星軌道運動特性，即使最理想情況下干擾衛星與用戶星在一個軌道面，中、低軌衛星運動在干擾區域只能維持短暫時間，其他時間干擾衛星處于干擾區域外；如果干擾衛星與用戶星不在同一軌道面，干擾區域維持的時間更短。盡管可以通過復雜的軌道控制，專門將干擾衛星控制到干擾區域并維持一段時間，但需要付出消耗較多衛星推進劑的代價和實施復雜的軌道控制，因此干擾中繼衛星星地鏈路的干擾衛星不適宜選擇中、低軌道。

1.2.2 地球靜止軌道衛星

當選擇干擾衛星軌道為地球靜止同步軌道時，盡管從圖 2的干擾區示意圖分析看，干擾區域比中、低軌小，但由于靜止衛星的同步特性，衛星可以長時間停泊在中繼衛星和地面終端站的連線的天線波束范圍內，而且處于地球靜止軌道的干擾衛星與中繼衛星幾乎位于同一軌道面，無論中繼衛星定點在赤道上空的什么位置，干擾衛星接近它的漂星控制只需消耗很少的推進劑。因此，伴星采用地球同步軌道干擾中繼衛星的星地鏈路是一種合適的選擇。

因此，采用伴星干擾策略，從干擾的持續效果和伴星軌道控制推進劑燃料消耗量考慮，伴星的軌道應該選擇地球靜止同步軌道。

1.3 被干擾對象選擇

只要干擾衛星處于中繼衛星的星地鏈路波束內，它既可以選擇干擾中繼衛星，從而干擾中繼系統的前向信道；也可以選擇干擾地面終端站，干擾中繼系統的返向信道。通常以被干擾系統接收到干擾信號的強度來衡量干擾效果，接收到的干擾信號越大，干擾效果越好。因此，在干擾衛星使用同樣的干擾信號發射功率和天線增益條件下，可以通過比較中繼衛星和地面終端站接收的干擾信號強度選擇被干擾對象。

只考慮空間路徑損耗時接收端的接收功率[Pr]可以表示為：

[Pr]=[Pt]+[Gt]+[Gr]-[Lf] (dBW)，

(1)

式中，[Pt]為發射端發射功率；[Gt]為發射端天線增益；[Lf]為空間路徑損耗，其計算為：

[Lf]=92.45+20lgR+20lgf(dB)。

(2)

當干擾衛星使用同樣的發射功率和頻率時，中繼衛星接收到的功率[Prs]和地面終端站接收功率[Pre]之比ρ如下：

(3)

式中，Re為干擾衛星到地面終端站距離；Rs為干擾衛星到中繼衛星距離；Gre為地面終端站接收天線增益；Grs為中繼衛星星地天線增益。當干擾衛星采用地球同步軌道時，它到地面終端站與到中繼衛星距離的比值遠大于地面終端站接收天線口徑與中繼衛星接收天線口徑的比值，具體分析如下：

① 干擾中繼星

如果伴星能夠進入中繼衛星的天線主瓣，通常情況下，ρ>>1，這時被干擾的對象應該選擇中繼衛星；

② 干擾地面終端站

如果伴星不能夠進入中繼衛星的天線主瓣(但能進入地面站的天線主瓣)，可能會造成ρ?1的效果，這時被干擾的對象應該選擇地面終端站。

以某中繼衛星系統為例[7]，其星地天線口徑2.4 m，地面終端站接收天線口徑15 m。假設位于地球同步軌道的干擾衛星到中繼衛星距離100 km、到地面終端站36 000 km，由式(3)計算的干擾衛星干擾中繼衛星和干擾地面終端站接收功率的差值為ρ=17.6 dB。如果再考慮到大氣衰減、降雨和云霧衰減和折射等影響，ρ值將會更大。當伴星進入中繼衛星的天線主瓣，被干擾的對象應該選擇中繼衛星；如果伴星無法進入中繼衛星的天線主瓣，而是進入了副瓣，會造成信號多達20～30 dB的衰減，這時被干擾的對象應該選擇地面終端站。

因此，基于被干擾對象接收干擾信號最強原理，選擇被干擾對象的原則是：如果伴星能夠進入中繼衛星的天線主瓣，被干擾的對象應該選擇中繼衛星；如果不能夠進入中繼衛星的天線主瓣，被干擾的對象應該選擇地面終端站。

2 干擾伴星進入干擾區的軌道控制

2.1 遠距離軌道接近

為了實現伴星接近中繼衛星，需要完成伴星的軌道面修正和位置追趕控制，使伴星在給定誤差范圍內盡量靠近中繼衛星[8]。軌道接近控制由軌道面修正、調相控制和軌道漂移3部分組成[9]。

2.1.1 軌道面修正

軌道平面修正是通過控制伴星的軌道傾角，使伴星軌道平面與中繼衛星軌道面重合，如圖 3所示。改變傾角Δi需要的速度增量ΔVi為：

(4)

式中，ic，Vc分別為伴星的軌道傾角和運行速度；iT為中繼衛星的軌道傾角。

圖3 軌道面修正示意Fig.3 Orbitalplane modification

2.1.2 調相控制

調相控制減小伴星和中繼衛星之間的距離和相位差。為了干擾星地鏈路，干擾衛星一定要位于中繼衛星的下方，如圖 4所示。伴星的軌道速度比中繼衛星快，因此伴星對中繼衛星進行追趕。

圖4 軌道漂移示意Fig.4 Orbital drift

圖 4中，伴星位于A點、中繼衛星位于B點，二者相位差θH，在A點對伴星施加沖量ΔV1，使之通過橢圓轉移軌道在C點和中繼衛星交會，再在C點施加沖量ΔV2，就可實現伴星軌道與中繼衛星軌道相同[10-12]。伴星軌道轉移所需的速度增量ΔVa1為：

(5)

式中，r1，r2分別為伴星和中繼衛星的軌道半徑。伴星通過橢圓轉移軌道的時間ttr等于半個橢圓轉移軌道的周期，即：

(6)

中繼衛星由B點運行至C點所需時間ttp為：

(7)

要使伴星和中繼衛星在C點交會的條件是二者時間相等，即ttr=ttp，由此可得初始相位差θH為：

(8)

2.1.3 軌道漂移

式(8)是伴星和中繼衛星完成調相任務需要滿足的前提條件。實際在同步軌道上，伴星和中繼衛星位置可能相差較遠，例如θH+Δθ，則伴星需在軌道上追趕一段時間Δt，消除Δθ后才能開始調相控制。等待時間Δt為：

(9)

通常情況下r1和r2相差很小，如果Δθ值較大，由式(9)計算的Δt時間將很大，通常這種等待時間是無法接受的，因此在調相前需要進行漂移控制，減小等待時間。

給定漂移時間Δt，改變伴星軌道半長軸可以實現漂移速度控制，這時伴星半長軸改變量Δr為：

(10)

需要的速度增量為ΔVa2：

(11)

式中，r3=r1+Δr。

上述軌道面修正、調相和漂移控制完成后，伴隨衛星將運行到靠近中繼衛星的目標位置(x0，y0，z0)，該目標位置的選擇根據下述的接近策略決定：如果采用自由漂移策略，該位置可以選擇在距離中繼星定點經度一定范圍，例如0.1°；如果采用主動控制策略，該位置應該選為中繼星的定點經度。軌道接近控制需要的總速度增量ΔV為：

ΔV=ΔVi+ΔVa1+ΔVa2。

(12)

2.2 進入中繼星天線主瓣區域

在地心慣性坐標系下，可以求出任意時刻衛星位置(X，Y，Z)：

(13)

式中，a為半長軸；e為偏心率；i為傾角；Ω為升交點赤經；ω為近地點幅角；f為真近地點角。

(14)

式中，Re為地球平均半徑；sn為地球站地方恒星時；Sn=99.968°+360.985 612 286 2°D+λ，D為當前UTC時間至2000年1月1日0時時間；φ為地面站地理緯度；λ為地面站地理經度。

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

式中，u=ω+f；φ為衛星滾動角；θ為衛星俯仰角；ψ為衛星偏航角。

(20)

如果地面站位于中繼衛星的正下方，則伴星能夠干擾中繼星的范圍D為：

D=2H×tanα(km)。

(21)

伴星干擾中繼星區域如圖5所示。

圖5 伴星干擾中繼星區域 Fig.5 Area influenced by jamming satellite

以某中繼衛星星地天線工作在Ku頻段為例，用式(21)計算伴星進入中繼星的星地天線主瓣范圍結果如表 1所示。可以看出，當中繼星到干擾星距離為20 km時，干擾范圍僅為0.2 km，即使距離增大到100 km，主瓣干擾范圍為1.0 km。

表1 伴星干擾中繼星天線主瓣范圍結果

理論上，位于地球同步軌道的衛星相對地面某一點靜止不動，實際上該衛星在天上受到各種攝動力作用，例如地球的不規則球形、太陽、月球的引力，太陽光輻射對衛星產生壓力等等，這些因素使衛星每一時刻都在東西經度方向和南北緯度方向運動，圖 6是軌道傾角0.1°、定點在10°E的地球同步衛星相對理想定點位置24 h運動范圍的計算結果。從圖中可以看出，衛星24 h內是在一個長、寬、高約為90 km×140 km×30 km的立方體內運動。因此，在被干擾對象大范圍運動和非常小的干擾范圍條件下，必須精確計算和嚴格控制干擾星的軌道，才能確保干擾星進入中繼星的星地天線主瓣。

圖6 傾角為0.1°的地球同步衛星相對定點位置日運行范圍Fig.6 Daily operating range of the geostationary satellite at an angle of 0.1°relative to its fixed position

2.2.1 自由漂移進入干擾區

如果地面站正好處于中繼衛星的星下點位置，伴隨衛星漂移的目標軌道平面與中繼星在同一個軌道平面，伴隨衛星就可以進入中繼衛星的星地天線主瓣；但如果地面站的位置位于地球任一點，在中繼衛星的星地天線半功率波束很小情況下，必須通過調整伴星的軌道傾角，伴隨衛星才能進入中繼衛星星地天線的主瓣。

干擾伴星進入中繼星天線主瓣時，地面站位置與伴星軌道傾角的關系示意如圖7所示。圖中，a為中繼星軌道半長軸；φ為地面站地理緯度；H為伴星低于中繼星軌道的高度。根據圖中的幾何關系可以求出干擾伴星的軌道傾角i：

(22)

圖7 干擾伴星進入中繼星天線主瓣示意Fig.7 Jamming satellite entering into main lobe of TDRS antenna

自由漂移進入干擾區后，衛星在干擾區停留的時間t：

(23)

當中繼星位于標準地球同步高度時，如果干擾伴星的軌道高度低于中繼星100 km，用式(22)和式(23)計算的干擾伴星的軌道傾角為0.017°，伴星在干擾區停留的時間為21 s。

2.2.2 主動控制進入干擾區

作為地球同步衛星，伴隨衛星和中繼衛星都可以看成是圓軌道，在以中繼衛星質心為原點的軌道坐標系下，它們之間的相對運動可以用C-W方程表示：

(24)

式中，ax，ay，az分別為伴隨衛星在軌道坐標系下的加速度分量；ω為中繼衛星的軌道角速度。

由該2式可以看出，中繼衛星和伴隨衛星間的相對運動分解為軌道平面(xy平面)內和垂直于軌道平面(z方向)2個獨立的運動，而控制伴星進入中繼衛星的星地天線波束需要在軌道平面內進行。

(25)

(26)

為了達到最佳的干擾效果和在干擾范圍內保持最長的停留時間[14]，伴隨衛星軌道控制的目標位置應該選擇圖5中的P點。知道了中繼星位置、地面站位置和伴隨衛星的軌道高度，可以計算出P點在地心赤道慣性坐標系下的位置(xP，yP，zP)，代入計算出伴隨衛星從漂移完成的(x0，y0，z0)運動到P點需要的控制策略和速度。如上所述，由于中繼衛星在空間的位置是時刻變化的，導致P點的位置也隨時間在變化，因此為了能長時間待在干擾區內，伴隨衛星需要使用式(25)和式(26)持續以P點為目標進行軌道保持控制。

2.3 進入地面站天線主瓣區域

干擾伴星進入地面站天線主瓣的示意如圖8所示。與到中繼星距離相比，干擾星到地面終端站的距離要大得多，因此盡管地面終端站的天線口徑比中繼星的星地天線大、工作在同樣的頻率下波束更窄，但實際上被干擾范圍D比干擾中繼星大得多，計算方法如式(27)所示，式中，a為中繼星軌道半長軸；α為地面終端站的天線半功率角。

圖8 干擾伴星進入地面站天線主瓣示意Fig.8 Jamming satellite entering into main lobe of ground station antenna

(27)

以某地面終端站為例，15 m口徑的天線工作在Ku波段，天線半功率角α為0.1°，由式(21)可以得出干擾地面站的范圍為D≈74 km。相對于地面站，干擾星的漂移速度為：

(28)

當中繼星位于標準地球同步軌道高度時，如果干擾伴星的軌道高度低于中繼星100 km，用式(28)計算干擾伴星相對于地面站的漂移率為1.3°/d，干擾星停留在地面站天線主瓣里的時間為3.75 h。因此，在自由漂移的情況下，與干擾中繼星天線主瓣相比，干擾伴星可以較長時間地停留在地面天線主瓣的區域內。

3 抗干擾應對措施

3.1 干擾衛星干擾中繼衛星

如果干擾衛星進入中繼衛星星地天線主瓣對中繼衛星進行干擾，由于中繼衛星采用透明轉發器，在干擾未使轉發器達到飽和的情況下，可能引起接收數據發生錯誤，從而影響鏈路傳輸性能；而當干擾使轉發器達到飽和或過飽和時，輸出功率大大降低而且還存在嚴重的功率“掠奪”現象及大量互調分量。

在衛星設計時，考慮在透明轉發器高功放前面加限幅器(硬限幅或軟限幅)、自動增益控制、天線調零、星上再生處理、跳頻、擴頻和中繼衛星組網等抗干擾設計[15]。在軌運行期間，如果星上檢測到干擾信號，除利用前述設計進行抗干擾之外，還可以嘗試通過微小調整星地天線指向或者調整衛星姿態(確保星地天線覆蓋地面站)使星地天線波束偏離當前位置來規避干擾。

3.2 干擾衛星干擾地面站

如果干擾衛星對地面站天線進行干擾，將導致地面終端接收數據發生錯誤，從而影響鏈路傳輸性能。在系統建設時，考慮部署不同地方的多個地面站進行測控和業務數據傳輸，避免一個地面站被攻擊導致通信癱瘓的情況。

4 結束語

盡管地球同步中繼衛星的星間天線指向隨機且覆蓋范圍較小，但仍然有干擾其通信鏈路的有效辦法，本文的研究結果表明，采用伴星干擾策略，是干擾中繼鏈路的最有效方法，如果伴星能夠進入中繼衛星星地天線主瓣，被干擾的對象應該選擇中繼衛星，同時為了保持干擾的持續效果，必須對干擾衛星進行軌道控制，以保持干擾衛星始終運行在中繼衛星星地天線的主瓣內；如果不能夠進入中繼衛星星地天線主瓣而在軌道上自由漂移，被干擾的對象應該選擇地面終端站，只要選擇合適的干擾伴星的軌道高度，干擾星就能停留在地面站天線主瓣里的時間足夠長，保持干擾效果。