通信衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類與特征

通信衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類與特征

1衛(wèi)星通信的主要特征衛(wèi)星通信使用人造地球衛(wèi)星作為一個(gè)連續(xù)的站發(fā)送廣播廣播，并在兩個(gè)或多個(gè)地面站之間進(jìn)行通信。一個(gè)完整的衛(wèi)星通信系統(tǒng)由通信衛(wèi)星、地球站、測(cè)控系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)組成。通信衛(wèi)星是衛(wèi)星通信系統(tǒng)最重要的組成部分,而通信衛(wèi)星采用的軌道形式又直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的性質(zhì)。如果按在地面上的高度來(lái)分,可將通信衛(wèi)星分為以下三類:(1)靜止軌道。衛(wèi)星處在離地面36000km的赤道軌道中,這時(shí)衛(wèi)星相對(duì)于地面固定點(diǎn)是靜止不動(dòng)的。利用這種相對(duì)靜止的特點(diǎn)可以使衛(wèi)星通信系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化,覆蓋全球需3～4顆衛(wèi)星,它是迄今為止應(yīng)用最多的一種通信衛(wèi)星軌道。(2)中高度軌道。衛(wèi)星高度在10000～15000km內(nèi),覆蓋全球需10～15顆衛(wèi)星。(3)低高度軌道。衛(wèi)星高度在1500km以下,必須有40顆以上這種衛(wèi)星才能覆蓋全球。后兩種軌道對(duì)地面固定點(diǎn)是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的,故又稱運(yùn)動(dòng)軌道。它因離地面距離近,傳輸損耗小,故適用于小型移動(dòng)地面終端的通信,今后會(huì)有更多的應(yīng)用。在一個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,各地球站中已調(diào)載波的發(fā)射或接收通路,經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器可以組成很多條單跳或雙跳的衛(wèi)星通信線路。單跳工作,即只經(jīng)一次衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后就被對(duì)方接收。雙跳工作,即發(fā)送的信號(hào)要經(jīng)兩次衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器才被對(duì)方接收。整個(gè)系統(tǒng)就是利用這些線路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在通信線路中,由地球站到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的電波傳播路徑稱為上行線路(或稱上行鏈);由轉(zhuǎn)發(fā)器到地球站的電波傳播路徑稱為下行線路(也稱下行鏈)。衛(wèi)星通信具有通信距離遠(yuǎn),覆蓋范圍廣,工作頻帶寬,通信容量大,機(jī)動(dòng)靈活,開設(shè)迅速,信道穩(wěn)定,通信質(zhì)量高,以廣播方式工作,便于實(shí)現(xiàn)多址聯(lián)接等優(yōu)點(diǎn)。它能適應(yīng)大縱深、全方位、高機(jī)動(dòng)、立體化和戰(zhàn)場(chǎng)信息密集等作戰(zhàn)特點(diǎn),為諸軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)提供可靠的通信保障;因而發(fā)展迅速,已成為各國(guó)國(guó)防通信系統(tǒng)的重要組成部分,在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中起著關(guān)鍵性的作用。但衛(wèi)星通信也存在一個(gè)重大的弱點(diǎn),那就是通信衛(wèi)星公開暴露在空間軌道上,并以廣播方式通信。所以衛(wèi)星通信信號(hào)易受對(duì)方的截獲、干擾,甚至?xí)艿綌撤降墓艉痛輾?。破壞衛(wèi)星通信的最有效手段是摧毀通信衛(wèi)星。其方法主要有兩種:一種是對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行摧毀性的電磁脈沖干擾——核爆炸,使人造衛(wèi)星的通信系統(tǒng)失效;另一種是用反衛(wèi)星武器系統(tǒng),即攔截衛(wèi)星、攔截導(dǎo)彈和激光高能武器,直接摧毀通信衛(wèi)星。破壞衛(wèi)星通信的另一種手段是對(duì)敵指揮、預(yù)警和情報(bào)傳遞等衛(wèi)星鏈路進(jìn)行干擾,使敵指揮失靈,情報(bào)不能正確傳遞。對(duì)衛(wèi)星通信的有意干擾可分為對(duì)上行線路的干擾、對(duì)下行線路的干擾、對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器的干擾和對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)的干擾。干擾設(shè)備可置于地面,如固定式、車載式或艦載式干擾站;也可置于空中,如機(jī)載、氣球運(yùn)載的干擾站;還可置于太空,如星載干擾站。限于篇幅,本文主要研究對(duì)靜止衛(wèi)星上行線路和下行線路通信的偵收和干擾,給出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行衛(wèi)星通信對(duì)抗的戰(zhàn)術(shù)可行性分析。2靜通性條件分析在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,所有地面站發(fā)出的信號(hào)都是經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)方地面站的。兩個(gè)地面站要能通過衛(wèi)星進(jìn)行通信,必須滿足以下2個(gè)條件:(1)地面站在靜止衛(wèi)星的可通信區(qū)域內(nèi)。從靜止衛(wèi)星引向地球的切線所包圍的區(qū)域稱為靜止衛(wèi)星的覆蓋區(qū),即地面站天線仰角αe=0o時(shí)正好能觀察到衛(wèi)星的邊緣線所包圍的地面區(qū)域。由于地形、地物及地面噪聲的影響,天線仰角αe=0o時(shí)是不能進(jìn)行有效通信的。實(shí)踐表明,在αe≥5o時(shí),才能有效地減小大氣吸收和雨、霧產(chǎn)生的衰耗及地面噪聲的影響,在地面站與靜止衛(wèi)星間進(jìn)行有效通信。因此,把5o稱為天線最低仰角αmin,把天線最低仰角的邊緣線所包圍的地面區(qū)域稱為靜止衛(wèi)星的可通信區(qū)。由此可見,地面站是否在靜止衛(wèi)星的可通信區(qū)域內(nèi)可用下式是否成立來(lái)判定:αe≥αmin(rad)(1)當(dāng)?shù)孛嬲咎炀€對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí),其仰角αe可按下式計(jì)算:αe=arctg[cosθecos?se-ReRe+hs√1-(cosθecos?se)2](rad)(2)[cosθecos?se?ReRe+hs1?(cosθecos?se)2√](rad)(2)式中,Re為地球半徑,取為6378km;hs為衛(wèi)星離地面高度;?se=?s-?e;?e、θe為地面站的經(jīng)度(-π≤?e≤π)和緯度(-π/2≤θe≤π/2);?s為衛(wèi)星的星下點(diǎn)的經(jīng)度(-π≤?s≤π),靜止衛(wèi)星星下點(diǎn)的緯度θs為0。(2)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收到的上行信號(hào)功率Ssu和地面接收站接收到的下行信號(hào)功率Srd均不低于相應(yīng)接收機(jī)的靈敏度。以下行鏈路為例,設(shè)地面接收站的靈敏度為Prmin,則上述能量條件可表述為Srd≥Prmin(W)(3)式中,Srd可根據(jù)衛(wèi)星通信的線路方程計(jì)算:Srd=EIRPs+Grs-Ls,d-LAs,d(dBW)(4)其中,EIRPs為衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)的有效全向輻射功率(dBW);Grs為地面站接收天線在通信衛(wèi)星方向上的增益(dB);LAs,d為下行信號(hào)大氣損耗(dB);Ls,d為下行信號(hào)路徑損耗,可用自由空間傳播損耗公式進(jìn)行計(jì)算:Ls,d=92.45+20lgRsr+20lgfd(dB)(5)式中,fd為下行信號(hào)工作頻率(GHz);Rsr為通信衛(wèi)星與地面站之間的距離(km),可按下式計(jì)算:Rsr=(Re+hs)√1+(ReRe+hs)2-2ReRe+hscosθrcos?sr(6)Rsr=(Re+hs)1+(ReRe+hs)2?2ReRe+hscosθrcos?sr????????????????????????????√(6)其中,?sr=?s-?r;?r、θr為地面接收站的經(jīng)緯度。3星的轉(zhuǎn)發(fā)器干擾方案由于衛(wèi)星通信是采用轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行通信的一種特殊通信方式,故只要將干擾信號(hào)通過衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器插入到衛(wèi)星信號(hào)的傳輸鏈路中,就能達(dá)到癱瘓衛(wèi)星通信系統(tǒng)的目的。干擾上行線路,要先偵收下行的特征參數(shù),進(jìn)行分析計(jì)算。然后,干擾站對(duì)衛(wèi)星跟蹤瞄準(zhǔn),向衛(wèi)星發(fā)射強(qiáng)干擾信號(hào),以破壞衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī),使之不能正常工作。3.1覆球波束寬度通信對(duì)抗偵察設(shè)備要能對(duì)下行信號(hào)實(shí)施偵收,必須滿足以下條件:(1)下行信號(hào)工作頻率fd(GHz)在偵察設(shè)備的可偵察頻率范圍[fdmin,fdmax]之內(nèi)。(2)偵察設(shè)備位于通信衛(wèi)星的覆球區(qū)內(nèi),即滿足位置條件:βsd≤β/2(7)式中,β為衛(wèi)星覆球區(qū)的地心角,可按下式計(jì)算:β=2arcsin[Re+hsRe?sinγ2]-γ(rad)(8)β=2arcsin[Re+hsRe?sinγ2]?γ(rad)(8)βsd為通信衛(wèi)星和偵察設(shè)備在地球表面上投影間的地心角,可按下式計(jì)算:βsd=arccos[sinθssinθd+cosθscosθd·cos(?s-?d)](9)其中,γ為通信衛(wèi)星的覆球波束寬度(rad);?d、θd為偵察設(shè)備的經(jīng)度(-π≤?d≤π)和緯度(-π/2≤θd≤π/2)。(3)偵察設(shè)備接收到的下行信號(hào)功率Sdd應(yīng)不低于偵察機(jī)的靈敏度Pdmin,即滿足能量條件:Sdd≥Pdmin(W)(10)式中,Sdd=EIRPs+Gds-Ls,d-LAs,d(dBW)(11)其中,Gds為偵察設(shè)備接收天線在通信衛(wèi)星方向上的增益(dB);Ls,d為下行信號(hào)路徑損耗,可用自由空間傳播損耗公式進(jìn)行計(jì)算:Ls,d=92.45+20lgRsd+20lgfd(dB)(12)式中,Rsd為通信衛(wèi)星與偵察設(shè)備之間的距離(km),可按下式計(jì)算:Rsd=(Re+hs)√1+(ReRe+hs)2-2ReRe+hscosθdcos?sd(13)Rsd=(Re+hs)1+(ReRe+hs)2?2ReRe+hscosθdcos?sd????????????????????????????√(13)其中,?sd=?s-?d。3.2信號(hào)功率ssu通信對(duì)抗干擾設(shè)備要能對(duì)上行信號(hào)實(shí)施有效干擾,必須滿足以下條件:(1)上行信號(hào)工作頻率Fu(GHz)在干擾設(shè)備的可干擾頻率范圍[fjmin,fjmax]之內(nèi)。(2)干擾設(shè)備位于通信衛(wèi)星的覆球區(qū)內(nèi),即滿足位置條件:βsj≤β/2(14)式中,βsj為通信衛(wèi)星和干擾設(shè)備在地球表面上投影間的地心角,可按下式計(jì)算:βsj=arccos[sinθssinθj+cosθscosθj·cos(?s-?j)](rad)(15)其中,?j、θj為干擾設(shè)備的經(jīng)度(-π≤?j≤π)和緯度(-π/2≤θj≤π/2)。(3)通信衛(wèi)星接收到的干擾功率和信號(hào)功率之比大于等于衛(wèi)星能有效工作的最大干信比即臨界干信比(J/S)最大,亦即滿足:(J/S)u,實(shí)際=Jsu-Ssu≥(J/S)最大(dB)(16)式中,Jsu為通信衛(wèi)星接收到的干擾功率,可根據(jù)衛(wèi)星通信的線路方程計(jì)算:Jsu=EIRPj+Gsj-Lju-LAj,u-Lp(dB)(17)Ssu為通信衛(wèi)星接收到的信號(hào)功率,可根據(jù)衛(wèi)星通信的線路方程計(jì)算:Ssu=EIRPt+Gst-Ltu-LAs,u-Lp(dB)(18)其中,EIRPj、EIRPt為干擾機(jī)和地面終端發(fā)射機(jī)的有效全向輻射功率(dBW);Gsj、Gst為衛(wèi)星接收天線在干擾方向和地面發(fā)射機(jī)方向上的增益(dB);Lj,u、Lt,u為上行鏈路干擾信號(hào)和通信信號(hào)的傳輸損耗(dB),可用自由空間傳播損耗公式進(jìn)行計(jì)算:Lj,u=92.45+20lgRsj+20lgfu(dB)(19)Lt,u=92.45+20lgRst+20lgfu(dB)(20)LAj,u,LAs,u為上行鏈路干擾功率與信號(hào)功率的大氣損耗(dB),兩者可近似認(rèn)為相等;Lp為由于抖動(dòng)和指向精度誤差造成的指向損耗(dB)。(19)、(20)式中,Rsj、Rst為通信衛(wèi)星與干擾機(jī)和地面終端發(fā)射機(jī)之間的距離,可按下式計(jì)算:Rsj=(Re+hs)√1+(ReRe+hs)2-2ReRe+hscosθjcos?sj(21)Rsj=(Re+hs)1+(ReRe+hs)2?2ReRe+hscosθjcos?sj????????????????????????????√(21)Rst=(Re+hs)√1+(ReRe+hs)2-2ReRe+hscosθtcos?st(22)Rst=(Re+hs)1+(ReRe+hs)2?2ReRe+hscosθtcos?st????????????????????????????√(22)式中,?sj=?s-?j;?st=?s-?t。其中,?t、θt為發(fā)射機(jī)的經(jīng)度(-π≤?t≤π)和緯度(-π/2≤θt≤π/2)。假定干擾載波頻率與信號(hào)載波頻率重合度足夠好,則由(17)、(18)式可得實(shí)際通信衛(wèi)星線路的干信比為:(J/S)u,實(shí)際=EIRPj-EIRPt+Gsj-Gst-20lgRsj+20lgRst(23)(16)式中(J/S)最大主要根據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器/應(yīng)答器的類型來(lái)確定。目前衛(wèi)星系統(tǒng)采用的應(yīng)答器主要是線性應(yīng)答器、硬限幅應(yīng)答器和處理應(yīng)答器三種:①采用線性應(yīng)答器時(shí)(J/S)最大=1Eb/Νo(24)(J/S)最大=1Eb/No(24)②采用硬限幅應(yīng)答器時(shí)(J/S)最大=L(1-L)EbΝo(25)(J/S)最大=L(1?L)EbNo(25)其中,L為非線性壓制衰減,它是輸入信號(hào)功率與噪聲功率比(SNR)的函數(shù)。對(duì)于擴(kuò)頻信號(hào),(25)式變?yōu)?(J/S)最大=Gp?L?ΡrΚΤWEbΝo(1+ΡrΚΤW)(26)(J/S)最大=Gp?L?PrKTWEbNo(1+PrKTW)(26)③采用處理應(yīng)答器(擴(kuò)頻系統(tǒng))時(shí)(J/S)最大=1EbΝo(1Gp+ΚΤRJ)(27)其中,KTR是噪聲功率,它通常比干擾功率J要小得多,故上式可簡(jiǎn)化為(J/S)最大=WEb/Νo?R(28)式中,Gp為擴(kuò)頻信號(hào)的處理增益,Gp=W/R,w為擴(kuò)頻帶寬(Hz),R為信號(hào)傳輸速率(B/S),Eb為每比特信號(hào)能量,N0為噪聲功率譜密度(V2/Hz).3.3下行信號(hào)干擾若不考慮地球曲率,通信衛(wèi)星覆球區(qū)域是以衛(wèi)星在地球表面上的投影為圓心、Reβ/2為半徑的圓形區(qū)域。以美國(guó)防通信衛(wèi)星-Ⅱ?yàn)槔?衛(wèi)星高度為35786.6km,覆球波束寬度為180,能覆蓋地球表面積的1/3;即使波束寬度減小到10,其覆球區(qū)域半徑也達(dá)314km。而據(jù)資料介紹,外軍一個(gè)師的最大作戰(zhàn)地域?yàn)?50×150km2,故在戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下,衛(wèi)星波束不可能恰好做到覆蓋己方區(qū)域。因此,通過適當(dāng)選擇干擾機(jī)的配置陣地,實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方下行信號(hào)的偵收和對(duì)星上轉(zhuǎn)發(fā)器的干擾是完全可行的。對(duì)靜止衛(wèi)星來(lái)說,由于衛(wèi)星與偵察設(shè)備之間的距離很遠(yuǎn),下行信號(hào)傳播損耗很大,信號(hào)到達(dá)偵察機(jī)接收天線時(shí)已變得很微弱,所以對(duì)下行信號(hào)的偵收對(duì)偵察設(shè)備的靈敏度要求比較高。仍以美國(guó)防通信衛(wèi)星-Ⅱ?yàn)槔?它在窄波束發(fā)射7.75GHz時(shí)的EIRPj為44.6dBW,路徑損耗為201dB,大氣損耗為3dB,故到達(dá)偵察天線口的能量為-129.4dBm。顯然,當(dāng)偵察機(jī)靈敏度為-110dBm時(shí),只要偵察機(jī)天線增益為19.4dB即可滿足偵收要求,而這是容易實(shí)現(xiàn)的。對(duì)上行信號(hào)干擾時(shí),由于衛(wèi)星高度很大,因而可近似認(rèn)為衛(wèi)星到干擾機(jī)的距離與衛(wèi)星到地面終端發(fā)射機(jī)的距離相等,即電波傳播損耗相等。假定衛(wèi)星接收機(jī)在發(fā)射機(jī)方向和干擾機(jī)方向的增益相同,則衛(wèi)星上接收到的干信比就是干擾機(jī)和發(fā)射機(jī)的有效全向輻射功率之比。設(shè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中某地球站的EIRPs=75.8dBW,則當(dāng)(J/S)最大=1時(shí),要實(shí)施有效干擾,干擾功率EIRPj必須≥75.8dBW。由此可見,對(duì)上行信號(hào)干擾的功率需很大,地面干擾機(jī)可通過采用高增益的大結(jié)構(gòu)面天線和大功率的放大器來(lái)達(dá)到。4地面?zhèn)墒照镜男盘?hào)來(lái)源干擾下行線路,同樣要先偵收上行信號(hào)的特征參數(shù)。無(wú)論是偵察上行信號(hào),還是干擾下行信號(hào),對(duì)通信對(duì)抗偵察設(shè)備的位置都有嚴(yán)格的要求。由于地面站天線具有較強(qiáng)的方向性,天線波束指向衛(wèi)星且仰角大于最低仰角,故地面?zhèn)墒照竞茈y接收其信號(hào),必須使用機(jī)載電子對(duì)抗偵察系統(tǒng)升高并靠近敵地面終端,方能偵收到上行信號(hào);同樣,由于衛(wèi)星通信地面接收站對(duì)于天線仰角以下的無(wú)線電信號(hào)抑制作用比較強(qiáng),因而對(duì)下行信號(hào)的干擾,也必須采用升高干擾方式。4.1u3000平均生成的角通信對(duì)抗偵察設(shè)備要能對(duì)上行信號(hào)實(shí)施偵收,必須滿足以下條件:(1)上行信號(hào)工作頻率Fu(GHz)在偵察設(shè)備的可偵察頻率范圍[fdmin,fdmax]之內(nèi)。(2)機(jī)載偵察設(shè)備的位置不在地面發(fā)射站天線波束抑制仰角αmin的范圍內(nèi),即滿足:hd≥hd,min(29)式中,hd為機(jī)載偵察設(shè)備的升空高度(km),hdmin為由地面發(fā)射站天線波束抑制仰角αmin(rad)計(jì)算而得的偵察機(jī)升空的最低高度(km);hd,min=Re+htcos(αmin+βdt)cosαmin-Re(rad)(30)其中,ht為地面終端發(fā)射機(jī)天線架高(km);βdt為偵察站和地面發(fā)射站在地球表面上投影間的地心角,可按下式計(jì)算:βdt=arccos[sinθdsinθt+cosθdcosθt·cos(?d-?t)](31)(3)偵察機(jī)接收到的衛(wèi)星通信上行信號(hào)功率Sdu應(yīng)不低于偵察機(jī)的靈敏度Pd,min,即滿足能量條件:Sdu≥Pd,min(W)(32)式中,Sdu可根據(jù)衛(wèi)星通信的線路方程計(jì)算:Sdu=EIRPt+Gdt-Ls,u-LAs,u(dBW)(33)其中,EIRPt為地面終端發(fā)射系統(tǒng)的有效輻射功率(dBW);Gdt為偵察機(jī)接收天線在地面終端發(fā)射機(jī)方向上的增益(dB);LAs,u為大氣損耗(dB);Ls,u為路徑損耗,可用自由空間傳輸損耗公式進(jìn)行計(jì)算:Ls,u=92.45+20lgRdt+20lgfu(dB)(34)Rdt為偵察機(jī)與地面終端發(fā)射機(jī)之間的距離(km),可按下式計(jì)算:Rdt=√(hd-ht)2+R2eβ2dt(35)4.2地面接收站干擾功率的計(jì)算通信對(duì)抗干擾設(shè)備要能對(duì)下行信號(hào)實(shí)施有效干擾,必須滿足以下條件:(1)下行信號(hào)工作頻率Fd(GHz)在干擾設(shè)備的可干擾頻率范圍[fjmin,fjmax]之內(nèi)。(2)機(jī)載干擾機(jī)對(duì)地面通信接收機(jī)的仰角要超過通信接收機(jī)需要的最小仰角αmin,即滿足位置條件:hj≥hj,min(36)式中,hj為機(jī)載干擾設(shè)備的升空高度(km);hj,min為由地面接收站天線波束抑制仰角αmin(rad)計(jì)算而得的干擾機(jī)升空的最低高度(km);hj,min=Re+htcos(αmin+βjr)cosαmin-Re(37)其中,βjr為機(jī)載干擾設(shè)備與地面接收站在地球表面上投影間的地心角,可按下式計(jì)算:βjr=arccos[sinθjsinθr+cosθjcosθr·cos(?j-?r)](38)式中,?r、θr、hr為地面接收站的經(jīng)度(-π≤?r≤π)、緯度(-π/2≤θr≤π/2)和天線架高(km)。(3)地面接收站接收到的干擾功率和信號(hào)功率之比大于等于(J/S)最大,即滿足:(J/S)d,實(shí)際=Jrd-Srd≥(J/S)最大(dB)(39)式中,Srd為地面接收站接收到的信號(hào)功率,可根據(jù)衛(wèi)星通信的線路方程計(jì)算:Srd=EIRPs+Grs-Ls,d-LAs,d(dB)(40)Jrd為地面接收站接收到的干擾功率,可根據(jù)衛(wèi)星通信的線路方程計(jì)算:Jrd=EIRPj+Grj-Lj,d-LAj,d(dB)(41)式中,Grj為地面接收機(jī)天線在干擾機(jī)方