衛星通信中極化信號安全傳輸技術研究

樂恒志，楊文芳

（91977 部隊，北京 100080）

0 引 言

衛星通信在商業等領域中具有較高的應用價值，但傳統的衛星通信中仍存在一些問題。極化信號可以為解決衛星通信問題提供更多新的思路，因此在現有研究結果的基礎上分析衛星通信中的極化信號以及如何保障極化信號的安全傳輸。

1 衛星通信概述

衛星通信是借助衛星與無線電通信站進行通信的技術，即通過人造地球衛星這一中繼站進行無線電波的轉發，從而實現若干個地球站之間的通信[1]。該通信系統主要由通信地球站等多個部分共同組成。相比于其他通信，衛星通信具有通信范圍大、可靠性強、電路設置靈活以及開通電路迅速等優點，在諸多領域中發揮著重要作用。

2 傳統衛星通信中的信號安全傳輸技術

在安全意識不斷增強的背景下，人們越來越關注信息傳輸的安全性，一些學者構建了物理層的安全理論以及竊聽信道模型，從而研究信道保密能力。而通過研究發現，衛星通信中信號傳輸安全性會受到電離層閃爍、臨道干擾等諸多因素的影響，只有不斷提升抗干擾技術與防竊聽技術的水平才能夠保障信號傳輸的安全性，為此將衛星通信中信號安全傳輸技術的重點放在了這2 方面[2]。第一，傳統的抗干擾技術有跳頻（基于頻域的抗干擾技術）和多波束天線（基于空域的抗干擾技術），其中跳頻技術所需頻段相對較寬和多波束天線技術會受到干擾源位置等因素的影響，無法達到良好的抗干擾效果。同時，傳統技術包括應用濾波器的技術與相關參數識別技術，但這些技術都存在一定的不足，會降低極化信號傳輸的安全性。因此，需要在這些技術手段的基礎上進行針對性研究，通過有效手段彌補技術不足。例如，可以通過聯合極化空間抗干擾這種方法彌補傳統技術的缺陷[3]。第二，在利益等因素的驅動下，一些竊聽者會通過違法手段竊聽衛星通信系統中的信息，嚴重威脅到信號傳輸的安全。同時，在云計算等技術不斷發展的過程中，加密破解等風險相對較大。因此，只有靈活應用防竊聽技術才能夠解決竊聽問題，避免出現信息泄露等情況。但是，傳統的防竊聽技術沒有充分應用極化敏感陣列，導致通信安全得不到保障。應在此基礎上研究更先進的防竊聽技術，例如對傳統的快速雙極化跳變技術進行優化改進，使固定衛星通信的物理層更加安全[4]。

3 衛星通信中極化信號安全傳輸技術

在技術水平不斷提升的背景下，極化信號在衛星通信中的作用越來越重要。而基于信號極化特性的抗干擾和防竊聽技術會對信號的安全傳輸產生較大影響。因此，需要從抗干擾和防竊聽方面入手，分析如何保障極化信號的安全傳輸。

3.1 基于卡爾曼濾波的極化抗干擾技術

卡爾曼濾波是一種算法，可以準確估計系統狀態，充分發揮相關方程與數據的作用。卡爾曼濾波的最優估計也是一種濾波過程，可以減少數據當中的干擾因素如噪聲等，使獲取的數據更加真實，在通信中的應用價值相對較高。基于卡爾曼濾波的極化抗干擾技術如圖1 所示，該技術主要是利用這種濾波算法識別極化參數并利用斜投影濾波算子過濾信號，使信號傳輸處于安全的狀態中。首先，利用極化模型分析干擾極化狀態估計；其次，利用濾波算法構建遞推方程；最后，根據算子原理及運算性質進行抗干擾處理。

圖1 基于卡爾曼濾波的極化抗干擾技術

（1）系統設計。在應用這種方法時應先根據信號傳輸的安全需求設計極化抗干擾系統的總體方案。在合法的接收用戶中配備相應的雙極化天線：首先，通過天線進行EV和EH等極化信號的接收，使這2 種極化信號分別經過同相/正交支路（In-phase/Quadrature，I/Q）的分解處理并形成4 路信號；其次，通過濾波算法識別干擾信號的極化參數，并通過濾波算子運算結果；最后，根據濾波算子性質過濾掉干擾信號，使目標傳輸信號得以保存[5]。

（2）系統仿真。在完成設計工作后需要對抗干擾系統進行仿真處理，判斷系統能否正常運行，能否保障極化信號的安全傳輸。在仿真過程中應科學設計干擾信號的相關極化參數，例如可以將εj設置為45°，將δj設置為0°，并將干燥比設置為25 dB[6]。之后，進行仿真，卡爾曼濾波的跟蹤曲線呈逐漸收斂的趨勢，且趨向于穩定。在這種情況下調整最小均方算法（Least Mean Square，LMS）算法的步長，使其曲線能夠接近穩定狀態并利用算法運算時間等指標評估跟蹤性能。進行仿真計算后發現，通過卡爾曼濾波算法獲取的εj穩態均方誤差為0.53、δj的均方誤差為0.17，但通過LMS 算法獲取的εj穩態均方誤差為0.81、δj的均方誤差為0.66，說明在收斂速度相同的情況下，卡爾曼濾波算法具備更佳的跟蹤性能。同時，在進行仿真運算時計算了2 種算法的平均消耗時間，其中卡爾曼濾波算法的時間為0.003 s，LMS 算法的時間為0.030 s，這就說明卡爾曼濾波算法的平均消耗時間更短。

（3）技術分析。在分析后發現，相比于LMS算法，卡爾曼濾波算法的收斂性與魯棒性更佳，因此在衛星通信中可以通過這種方法識別信號的極化參數，且可以通過斜投影濾波算子進行信號的抗干擾。

3.2 改進型快速雙極化跳變技術

一些技術人員會在衛星通信中應用跳變技術進行安全傳輸。但從實際情況來看，傳統的技術手段無法達到高效防竊的效果，會對整體傳輸產生影響。而改進后的跳變技術可以達到良好的防竊聽效果，在相移鍵控（Phase Shift Keying，PSK）調制方式中發揮著重要作用。因此，需要提高對改進后技術手段的重視程度，通過新的極化狀態進行幅相調制信號的承載。在這一過程中應構建合適的系統模型，明確具體的信號盲識別方案，之后設計新的信號，最后設計信號的信機。

第一，科學設計。設計信號極化盲識別方案時，需科學設計接收端，使接收端通過雙極化天線接收信號，并通過載波下變頻等處理獲取正交雙極化信號EV和EH。同時，可以通過I/Q 支路對極化信號進行分解，之后獲取4 路信號，并通過卡爾曼濾波算法處理這些信號，從而獲取信號的極化狀態與參數δR、γR，再通過進行極化匹配處理獲取以幅相調制為基礎的信號[7]。但在這一過程中，獲取信號的極化狀態只是為了保障傳輸安全，并不攜帶相應的信息，因此需要做好信號的幅相調解工作。

第二，信號表示。在傳統跳變技術中，信息只存在于?n上，相位中沒有γs，因此竊聽用戶可以獲取準確的解調信號，便無法實現極化信號的防竊聽。而在改進后的技術中，可以通過疊加的手段處理信號，在這種情況下每一個相位中都增加了γs/α[8]。

第三，參數識別。對信號進行極化參數識別就可以獲取相應的結果。

第四，結果分析。獲取相應的結果后發現，進行極化匹配處理后，無論是信號幅度還是相位都會受到γs的影響，因此無論信息是否在相位上，竊聽用戶都無法獲取準確信號，能夠有效保障極化信號的傳輸安全[9]。同時，這種技術手段不會對合法用戶接收極化信息產生影響。此外，這種技術具有良好的防竊聽性能，可以滿足安全傳輸的相關需求。

3.3 方向極化調制技術

這種技術手段屬于復合型安全傳輸技術，靈活應用了方向調制技術與極化調制技術，不僅改進了極化調制發射機，而且降低了成本。在運行過程中，一些數據信號可以通過功分等單元映射出信號的極化狀態，通過載波獲取射頻信號，最后對信號進行幅相校準[10]。同時，可以通過能夠調制方向的發射機進行極化信號的雙向發送，通過零空間中的人工噪聲形成完整的方向極化調制。因此，極化發射機可以通過調制發射機對單一天線進行改善和取代，并通過人工噪聲使合法接收機獲取不存在人工噪聲的極化信號。方向極化調制如圖2 所示，無論是垂直天線還是水平天線都可以根據實際情況進行信號的接收，之后進行下變頻、信號采樣與幅相校準處理并通過振幅與相位差合理表示矢量，即G1、G2、G3，最后映射到球面上并利用最大似然準則進行信息的調解。此外，相比于傳統技術，方向極化調制技術的整體誤碼率相對較高，可以利用這種技術保障信號傳輸的安全[11]。但是，這種技術也不完全成熟，應對更先進的技術進行深入研究，不斷突破技術限制，利用更有效的手段解決極化信號傳輸中的干擾問題，確保合法用戶能夠接收到更完整、更準確且不存在任何噪聲的信息，從而推動衛星通信的良好發展。

圖2 方向極化調制

4 結 論

保障極化信號的安全傳輸有利于促進衛星通信的發展，因此需靈活應用多樣化的安全傳輸技術，減少信號傳輸過程中的安全隱患。但是，這些技術存在一定的不足，需進一步研究性能更好的技術手段，通過這些技術手段消除去極化效應，使安全傳輸技術更加先進、可靠，提升極化信號傳輸的安全性。