基于扩频信号的卫星通信临界干扰功率阈值估计方法及系统

1.本发明属于卫星通信对抗处理技术领域，特别涉及一种基于扩频信号的卫星通信临界干扰功率阈值估计方法及系统。


背景技术：

2.卫星通信具有覆盖面广、通信容量大等优点，在各通信领域得到广泛应用。但是，由于空间链路的开放性特点，卫星通信极易受到干扰。常见的卫星通信干扰类型可分为压制式干扰和欺骗式干扰。其中，压制式干扰是指干扰源通过产生与卫星信号同频段大功率干扰信号实施干扰；欺骗式干扰通过分析得到卫星信号规格和参数后进行信号仿冒以实现信息欺骗。干扰对象既可以是上行链路的卫星转发器，也可以是下行链路的地面接收站。卫星通信对抗中，通信卫星上行链路干扰是常用的干扰方法，大功率干扰信号会使星上透明转发器由线性状态进入饱和状态并阻塞通信，形成有效干扰。但大功率干扰信号易于被对方察觉，且可能会干扰到相邻轨位卫星。再者，对方上行链路以及转发器参数大多是未知的，无法开展精准的干扰功率计算。因此，如何根据预定干扰目标确定临界干扰功率并实施有效干扰是通信卫星上行链路干扰需要解决的关键问题。


技术实现要素：

3.为此，本发明提供一种基于扩频信号的卫星通信临界干扰功率阈值估计方法及系统，在发射站和转发器关键参数未知情况下来实现卫星上行链路临界干扰功率阈值估计，提升通信对抗的干扰性能，便于实际场景应用。
4.按照本发明所提供的设计方案，一种基于扩频信号的卫星通信临界干扰功率阈值估计方法，包含如下内容：
5.利用扩频原理构建无感的扩频参考信号，将扩频参考信号与目标信号共同接入卫星转发器，经卫星转发器接收放大处理后，再转发至接收站；
6.通过干扰监测站对扩频参考信号进行检测接收，并估计扩频参考信号与目标信号的功率比，利用该功率比确定干扰发射站发射干扰信号的临界干扰功率阈值。
7.作为本发明基于扩频信号的卫星通信临界干扰功率阈值估计方法，进一步地，利用扩频原理构建无感的扩频参考信号时，首先，通过侦察卫星上行信号获取信号规格，然后，依据信号规格构建无感的扩频参考信号，其中，信号规格至少包含信号载频及调制。
8.作为本发明基于扩频信号的卫星通信临界干扰功率阈值估计方法，进一步地，利用扩频原理构建无感的扩频参考信号时，通过同步时钟控制、并利用码字不同且并联设置的两个序列发生器产生m序列，对两个序列发生器产生的m序列优选对进行逐位模2加来获取用于作为扩频参考信号的gold序列。
9.作为本发明基于扩频信号的卫星通信临界干扰功率阈值估计方法，进一步地，干扰监测站进行信号检测接收中，利用本地pn码与接收到的信号序列进行自相关，通过自相关峰值来获取接收站扩频信号功率；将目标信号调制方式作为先验信息来估计无感参考信
号与目标信号的功率比。
10.作为本发明基于扩频信号的卫星通信临界干扰功率阈值估计方法，进一步地，估计功率比中，依据信号接收模型来构建接收信号的二阶矩和四阶矩；通过二阶矩和四阶矩获取信号功率及噪声功率。
11.作为本发明基于扩频信号的卫星通信临界干扰功率阈值估计方法，进一步地，信号接收模型表示为：r(k)＝y(k)+n(k)k＝1,2,3,...,ns，其中，y(k)表示调制信号，n(k)表示加性高斯白噪声，ns为信号长度；二阶矩表示为：m2＝c+n0；四阶矩表示为：ky和kn分别为信号和噪声的固有属性取值，c和n0分别为待计算信号功率和噪声功率。
12.作为本发明基于扩频信号的卫星通信临界干扰功率阈值估计方法，进一步地，依据发射端扩频信号能量及接收端扩频信号能量来获取链路功率损耗，并根据目标信号功率和预设误码率来计算接收信号载噪比阈值；依据预设的达到干扰效果条件来计算接收端干扰信号功率值及干扰发射站发射干扰信号的等效全向辐射功率；通过等效全向辐射功率和干扰发射站的天线增益来获取干扰发射站发射信号的干扰功率，在预设误码率条件下来计算并获取干扰发射站所需发射的临界干扰功率阈值。
13.作为本发明基于扩频信号的卫星通信临界干扰功率阈值估计方法，进一步地，预设的达到干扰效果条件表示为：其中，n0为链路噪声功率，c为目标信号功率，[c/n]
th
为接收信号载噪比阈值，j为接收端干扰信号功率值；并依据发射站相关参数来计算并获取接收端干扰信号功率值和干扰发射站发射干扰信号的等效全向辐射功率。
[0014]
作为本发明基于扩频信号的卫星通信临界干扰功率阈值估计方法，进一步地，临界干扰功率阈值计算公式表示为：其中，η为天线效率，δp为链路功率损耗，λ
uj
为卫星上行干扰信号波长，dj为干扰天线的直径，lf为干扰发射站的馈线损耗。
[0015]
进一步地，本发明还提供一种基于扩频信号的卫星通信临界干扰功率阈值估计系统，包含：信号处理模块和信号检测模块，其中，
[0016]
信号处理模块，用于利用扩频原理构建无感的扩频参考信号，将扩频参考信号与目标信号共同接入卫星转发器，经卫星转发器接收放大处理后，再转发至接收站；
[0017]
信号检测模块，用于通过干扰监测站对扩频参考信号进行检测接收，并估计扩频参考信号与目标信号的功率比，利用该功率比确定干扰发射站发射干扰信号的临界干扰功率阈值。
[0018]
本发明的有益效果：
[0019]
本发明利用扩频机理构建无感参考信号，并将其与目标信号共同接入卫星转发器，在地面监测站对参考信号进行检测，通过估计其与目标信号的功率之比来确定临界干扰阈值功率，估计准确、可靠，同样适用于被干扰方链路部分参数未知的情况下的干扰功率阈值估计情形，具有较好的应用前景。
附图说明：
[0020]
图1为实施例中基于扩频信号的卫星通信临界干扰功率阈值估计方法流程示意；
[0021]
图2为实施例中通信卫星上行链路干扰示意；
[0022]
图3为实施例中卫星通信临界干扰功率阈值估计算法原理示意；
[0023]
图4为实施例中扩频信号与其他信号共频谱传输示意；
[0024]
图5为实施例中gold序列发生器工作原理示意；
[0025]
图6为实施例中1023码周期的gold码自相关性示意；
[0026]
图7为实施例中1023码周期的gold码互相关性示意；
[0027]
图8为实施例中已知序列自相关算法实现原理示意；
[0028]
图9为实施例中m2m4法估计的信号功率与理论信号功率对比示意；
[0029]
图10为实施例中误码率随信噪比变化曲线示意；
[0030]
图11为实施例中功率估计法得到的误码率和理论误码率对比示意。
具体实施方式：
[0031]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。
[0032]
采用大功率干扰设备对通信链路实施干扰是卫星通信中上行链路干扰通用做法，干扰功率越大，干扰效果越好，但大功率干扰发射设备会导致高成本且易被察觉，因此在实施干扰时，确定干扰信号功率阈值具有重要意义。在实际应用中，发射站、转发器以及链路信息等关键参数不能完全获知，无法直接计算临界干扰功率。本发明实施例，针对干扰功率阈值确定问题，提供一种基于扩频信号的卫星通信临界干扰功率阈值估计方法，参见图1所示，包含如下内容：
[0033]
s101、利用扩频原理构建无感的扩频参考信号，将扩频参考信号与目标信号共同接入卫星转发器，经卫星转发器接收放大处理后，再转发至接收站；
[0034]
s102、通过干扰监测站对扩频参考信号进行检测接收，并估计扩频参考信号与目标信号的功率比，利用该功率比确定干扰发射站发射干扰信号的临界干扰功率阈值。
[0035]
通信卫星上行链路干扰系统如图2所示，正常链路通信过程：地面发射a站发射上行链路信号，经由卫星转发器接收放大再转发至接收c站。干扰发射b站发射和干扰信号，对上行链路进行干扰。本案实施例中，利用扩频信号良好的自相关特性和类噪声性，构建一种无感的扩频参考信号，在实施干扰前发射扩频参考信号对上行链路进行探测，并将其与目标信号共同接入卫星转发器，在地面监测站对参考信号进行检测，通过估计其与目标信号的功率之比来确定临界干扰阈值功率，估计准确、可靠，同样适用于被干扰方链路部分参数未知的情况下的干扰功率阈值估计情形。
[0036]
进一步地，本案实施例中，利用扩频原理构建无感的扩频参考信号时，首先，通过侦察卫星上行信号获取信号规格，然后，依据信号规格构建无感的扩频参考信号，其中，信号规格至少包含信号载频及调制。
[0037]
参见图3所示，基于扩频信号对临界干扰功率阈值进行估计中，首先对卫星上行信号进行侦察，掌握信号载频、调制等信号规格，干扰站b利用扩频信号构建无感参考信号，并将该信号发射至卫星转发器，与目标信号共同经转发器转发至干扰监测r站。r站先后对目
标信号和扩频参考信号进行检测接收，计算得到目标信号和参考信号的功率。而后在实施干扰时，只要给定干信比阈值，便能推导出相应于干信比阈值的临界干扰信号功率，引导干扰站b进行干扰功率设置，从而解决由于对方上行链路关键参数未知情况下的干扰功率设置问题。
[0038]
扩频信号利用pn码(伪随机码)对载波进行调制，它能在很低的信噪比下进行工作。经扩频的发射信号，功率谱密度很低，类似于高斯白噪声，因此叠加在其他信号频带内相当于增加了背景噪声，既降低了对其它信号的干扰，避免被通信链路发现，同时又使得自身隐蔽性、保密性好。扩频信号与其他信号共频谱传输如图4所示。
[0039]
伪随机码的设计是扩频信号的重要环节，伪随机码的码长涉及到不影响链路的正常通信，扩频码码长越长，其对链路的正常通信影响就越小；伪随机码的平衡涉及到扩频通信系统的通信质量，相较于非平衡码，平衡码具有更好的载波抑制度和频谱特性。扩频通信系统是用来探测链路信息，虽然，m序列虽然性能优良，但同样长度的m序列个数不多，且m序列之间的互相关函数值并不理想(为多值函数)，gold序列具有优良的自相关和互相关特性且构造简单，产生得序列数多。因此，从尽可能提高参考信号的隐蔽和抗干扰性能出发，选用gold序列。另外，由于地面接收终端普遍使用10.23mhz的基准时钟频率，因此，选择1023码周期的gold序列作为参考信号。进一步地，本案实施例中，利用扩频原理构建无感的扩频参考信号时，通过同步时钟控制、并利用码字不同且并联设置的两个序列发生器产生m序列，对两个序列发生器产生的m序列优选对进行逐位模2加来获取用于作为无感参考信号的gold序列。
[0040]
参见图5所示，gold序列是m序列的组合码，采用由同步时钟控制的两个码字不同的并联m序列优选对逐位模2加得到。对于1023码周期的gold序列而言，表1给出了可取优选对。
[0041]
表1 10级的gold码优选对如下所示
[0042][0043]
当所选用的优选对本原多项式为2415(八进制)和2011(八进制)，对应的m1码、m2码本原多项式可分别表示为
[0044]
m1(x)＝1+x2+x3+x8+x
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0045]
m2(x)＝1+x3+x
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0046]
gold码的归一化自相关、互相关函数分别为式(3)与式(4)。
[0047][0048][0049]
其中，n为码长，k、l表示不同的gold码序列，n是做相关处理的两个gold码之间的时延。由此可得，gold码仅在时延小于一个码片时有自相关性，没有互相关性。当码序列初始值为[1 0 1 0 0 0 0 0 0 0]时，图6和图7分别为自相关性与互相关性仿真结果。
[0050]
进一步地，本案实施例中，干扰监测站进行信号检测接收中，利用本地pn码与接收到的信号序列进行自相关，通过自相关峰值来获取接收站扩频信号功率；将目标信号调制
方式作为先验信息来估计无感参考信号与目标信号的功率比。
[0051]
参见图8所示，在利用扩频信号进行链路探测时，基于gold序列具有良好的自相关特性，可采用-5～25进行接收端扩频信号功率估计，从而得到链路功率损耗。该方法利用接收信号中gold序列的自相关特性实现信号功率近似估计。在接收端利用本地pn码与接收到的信号序列进行自相关计算，得到自相关峰值，然后得到接收端扩频信号功率。
[0052]
设加有噪声的接收信号为：
[0053]
x(k)＝a
·
s(k)+n(k)
ꢀꢀ
(5)
[0054]
式中：a为信号幅度；s(k)是长度为l的信号序列(取值为
±
1)；n(k)是噪声序列。
[0055]
x(k)与已知的本地序列s(k)进行相关。运算后，就可以得到：
[0056]
r(τ)＝e{[as(k)+n(k)][s(k-τ)]}
ꢀꢀ
(6)
[0057]
根据相关函数性质可知，当τ＝0时即可得到相关峰值，有：
[0058]
r(0)＝e[as2(k)]+e[s(k)n(k)]
ꢀꢀ
(7)
[0059]
式中：第一项代表相关器输出的信号分量；第二项代表相关器输出的噪声分量。
[0060]
当序列长度足够长时，相关器输出的噪声可忽略不计。于是相关器的输出r(0)≈e[as2(k)]，然后对其进行平方操作就可以得到接收端扩频信号能量es。结合发射端扩频信号能量，就可以得到链路功率损耗δp。
[0061]
进一步地，本案实施例中，估计功率比中，依据信号接收模型来构建接收信号的二阶矩和四阶矩；通过二阶矩和四阶矩获取信号功率及噪声功率。进一步地，依据发射端扩频信号能量及接收端扩频信号能量来获取链路功率损耗，并根据目标信号功率和预设误码率来计算接收信号载噪比阈值；依据预设的达到干扰效果条件来计算接收端干扰信号功率值及干扰发射站发射干扰信号的等效全向辐射功率；通过等效全向辐射功率和干扰发射站的天线增益来获取干扰发射站发射信号的干扰功率，在预设误码率条件下来获取干扰发射站所需发射的临界干扰功率阈值。
[0062]
考虑到目标信号的调制方式易获得，因此，干扰实施过程中常把目标信号的调制方式作为先验信息。在已知信号调制方式的情况下可以运用二阶矩和四阶矩的方法估计非恒包络信号的信噪比。假设加性高斯白噪声(awgn)下接收信号模型可写成
[0063]
r(k)＝y(k)+n(k) k＝1,2,3,...,nsꢀꢀ
(8)
[0064]
式中，y(k)表示调制信号，n(k)表示加性高斯白噪声，均值为0，且方差为σ
2n
，ns为信号长度。
[0065]
则接收信号的二阶矩和四阶矩可以分别表示如下：
[0066]
m2＝e[r(k)r*(k)]＝c+n0ꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0067][0068]
式中：ky和kn分别为信号和噪声的固有属性，不同形态的信号和噪声有不同的值，详细取值情况如表2和表3所示。
[0069]
表2 ky的取值
[0070]
[0071]
表3 kn的取值
[0072][0073]
根据式(9)和式(10)可以得出信号功率为
[0074][0075]
此时，噪声功率为
[0076]
n0＝m
2-c
ꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0077]
当调制方式为qpsk，假定为加性高斯白复噪声时，ky和kn取值可分别为1和2。
[0078]
在链路功率损耗δp和目标信号功率c已知的情况下，给定误码率，对应的接收信号载噪比阈值为[c/n]
th
，此时，若满足下面条件
[0079][0080]
则认为达到干扰效果。其中，[
·
]均表示10lg(
·
)对数值，j为接收端干扰信号功率值。
[0081]
当接收信号载噪比取阈值时，则认为达到临界干扰效果。求得j为
[0082][0083]
则b站发射干扰信号的等效全向辐射功率[eirp]j为
[0084]
[eirp]j＝[j+δp]
ꢀꢀꢀ
(15)
[0085]
将式(14)带入式(15)，可得干扰站发射的eirpj为
[0086][0087]
进而，b站发射信号的干扰功率js为
[0088][0089]
其中，lf为b站的馈线损耗，gj为b站天线增益。
[0090]
卫星上行干扰信号波长为λ
uj
,干扰天线的直径为dj,天线效率为η，则gj为
[0091]
[0092]
将式(18)带入式(17)，则可计算出b站在达到给定误码率时，所需发射的临界干扰功率阈值为
[0093][0094]
进一步地，基于上述的方法，本发明实施例还提供一种基于扩频信号的卫星通信临界干扰功率阈值估计系统，包含：信号处理模块和信号检测模块，其中，
[0095]
信号处理模块，用于利用扩频原理构建无感的扩频参考信号，将扩频参考信号与目标信号共同接入卫星转发器，经卫星转发器接收放大处理后，再转发至接收站；
[0096]
信号检测模块，用于通过干扰监测站对扩频参考信号进行检测接收，并估计扩频参考信号与目标信号的功率比，利用该功率比确定干扰发射站发射干扰信号的临界干扰功率阈值。
[0097]
为验证本案方案有效性，下面结合试验数据做进一步解释说明：
[0098]
以dvb-s2规格的广播通信系统为例，对卫星通信临界干扰功率阈值估计方法进行仿真验证。其通信卫星属于地球同步轨道卫星，高度为35786km。通信链路的地球发射站位置及信号载波频率、调制方式、信道编码方式带宽等规格参数可以由情报监视侦察系统获取得到。假定系统参数如表4所示。
[0099]
表4卫星通信链路部分参数设置
[0100][0101]
所选用的信道级联编码具体参数如表5所示
[0102]
表5信道编码参数设置
[0103][0104]
根据以上参数信息，利用matlab进行仿真验证本案方案有效性。为体现方法原理并适当减少仿真工作量，在系统仿真时对通信系统简化：考虑射频频率较高且只是进行频谱搬移，仿真全程才用中频等效模型；卫星转发器默认为透明转发器，只对信号进行接收放大再转发，仿真不对其进行建模；部分理想化信道和同步。
[0105]
结合给定的参数信息，构建扩频信号作为参考信号对卫星通信链路进行探测得到链路功率损耗，再根据估计方法得到在一定误码率下，对应的干扰信号，干扰正常通信链路。
[0106]
采用m2m4算法得到接收端正常通信信号功率，并与设置的发射端通信信号功率进
行对比，实验设置链路信噪比eb/n0(db)为-5～25；仿真结果如图9所示，可以看出m2m4算法在信噪比-5～25db时得到的估计值接近真实值，估计误差小于0.2，估计准确，表明功率估计方法的可靠性。
[0107]
在qpsk调制的卫星广播信号正常通信的基础上，采用调制方式为bpsk、增益为1023的gold扩频信号进行链路探测，其载波频率、外部时钟采样率均与卫星广播信号。在接收端进行扩频信号解扩解调时，广播通信信号与扩频探测信号而言，相当于干扰信号，仿真过程中，不断改变通信信号的功率，设定eb/n0(db)为-80～-15，得到的扩频信号的误码率随信噪比变化曲线如图10所示，可以看出当eb/n0＝-30db时，仍然有较低的误码率(约为12％)；当eb/n0＝-23db时，误码率已经可以达到0，说明发送小功率的扩频信号进行链路探测，既可以达到不被正常通信方发现，又能实现有效接收，可以实现对正常通信链路探测。
[0108]
干扰信号的调制方式等参数规格与广播信号一致，详细参考表4和表5。给定干扰信号功率，在通过m2m4算法得到目标信号功率和通过相关算法得到链路功率损耗的基础上得到干扰信号功率估计值，利用干扰信号的功率估计值和干扰信号理论功率分别去干扰广播通信信号，对比接收端通信信号的误码率。图11给出功率估计法得到的误码率和理论误码率对比曲线，可以看出基于扩频信号的临界干扰功率阈值估计方法得到的误码率和理论误码率差值微乎其微，故可认为干扰功率阈值估计方法的可靠性。
[0109]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。
[0110]
基于上述的方法和/或系统，本发明实施例还提供一种服务器，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。
[0111]
基于上述的方法和/或系统，本发明实施例还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现上述的方法。
[0112]
在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
[0113]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0114]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。