极化信号安全传输技术探析

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随着信息技术的发展，卫星通信特别是在军事领域得到了广泛应用。但随着军事斗争日趋严峻复杂，对卫星通信的安全性和抗干扰能力提出了更高的要求。我们在卫星通信保障和训练中，经常发现天线馈源组件的极化角度一旦发生变化，信号的强度也随着发生变化。信号的极化特性在器件非线性应对、频谱资源紧张缓解、抗干扰等方面均有着不俗表现。本文将就卫星通信中极化信号的安全传输技术作进一步的分析和探讨。

1卫星通信安全传输技术分析

通过研究，我们发现在空域、频域和时域难以处理的抑制干扰问题，可基于极化滤波实现较好的处理。极化滤波器和干扰信号极化参数识别技术在其中发挥着关键性作用，极化滤波器的滤波效果，在很大程度上受到极化参数识别的精确度影响，而随着近年来其他技术的引入，如联合极化空间抗干扰方法，其极化抗干扰的实用性正不断提升。但值得注意的是，受云计算等技术的影响，近年来不断增强的数据处理能力使得加密技术可靠性不断下降，访问敏感卫星数据、恶意节点成功破解加密的风险不断提升，这种风险的应对需更好地利用信号极化特性，如极化抗干扰技术、快速双极化跳变系统、方向极化调制技术等，本文对基于传统的代表性技术的优化升级展开探索。

2卫星通信中的极化信号安全传输技术

2.1基于卡尔曼滤波的极化抗干扰技术。极化参数识别可基于卡尔曼滤波技术实现，这一过程的干扰信号滤除可应用斜投算子。在技术的具体应用中，干扰极化状态估计的方法需通过极化模型解释，并随之建设可用于极化滤波器设计的卡尔曼递推方程。为最终实现卫星通信抗干扰，需进一步引入斜投影滤波算子的运算性质及原理，图1为极化抗干扰系统设计方案。基于图1进行分析可以发现，正交双极化天线（合法用户配备）可负责EH和EV的（极化信号）接收，分别经过I/Q支路的EH和EV会被分解，并得到IV、QV、IH和QH四路信号，围绕四路信号的干扰信号极化参数识别需采用卡尔曼滤波算法，以此得出的结果需引入斜投影滤波算子，以此基于其性质同时实现干扰信号的滤除和目标信号的完整保留。开展具体仿真，设置εj、δj分别为45°、0°，采用25dB的干噪比，在完成干扰信号的极化参数设置后，即可开展针对性的仿真实验，并得到极化参数仿真曲线。极化抗干扰技术相较于LMS算法在相等收敛速度下拥有更为优秀的跟踪性能，在具体的仿真计算中，该极化抗干扰技术拥有0.003s的平均运算消耗时间，LMS算法的平均运算消耗时间则为0.03s，在时间消耗层面优势明显。卡尔曼滤波动态跟踪识别在卫星通信中可较好处理干扰信号极化参数，配合斜投影滤波算子，该技术即可实现卫星通信抗干扰，而相较于LMS算法，该极化抗干扰技术在收敛性和鲁棒性方面的表现更为优秀，且耗时短更短。2.2改进型快速双极化跳变技术。对于PSK的调制方式来说，传统的快速双极化跳变系统在防窃听方面的表现较差，这一问题可通过新型的快速双极化跳变算法解决。该算法的相调制信号承载采用一对新的快速跳变极化状态，需首先进行系统模型建设（基于卫星信道），并以此完成盲识别的信号极化状态方案介绍，随后需进行新的双极化状态信号设计，并最终完成收发信机的设计，跳变图样的生成采用伪随机序列。对于具体的信号极化盲识别来说，其流程可概括为图2。基于图2，在具体的信号极化盲识别过程中，接收端需首先接收极化信号（利用双极化天线），正交双极化信号EH和EV的获取需通过载波下变频和信号采样实现，对于Eve（窃听用户）来说，I/Q分解EH和EV可得到四路信号，四路信号处理采用卡尔曼滤波，即可得到极化状态γR和δR。对于PSK的调制方式，传统的跳极化仅能够在nφ上实现信息承载，对于不含γs的相位来说，窃听用户仍能够由此完成信号的正确解调，防窃听目标自然无法顺利实现。在新的技术应用中，信号叠加可基于新的双极化状态实现，这相当于γs/α均增加于各个相位，因此基于新的发送信号开展极化参数识别并引入极化匹配，即可最终得到式（1）所示的信号表达式（极化调制消除后）。（1）基于式（1）可知，信号幅度和相位在极化匹配后直接受到γs影响，且信息是否仅承载于相位，Eve（窃听用户）均无法实现信号的正确解调，卫星通信中信息的安全传输由此可得到保障。开展QPSK和16QAM在初值情况下的误码率性能仿真可以确定，合法用户在新型算法影响下不会受到影响，可实现信息的正确接收。总的来说，改进型快速双极化跳变技术可严重恶化窃听者的误码率，防窃听性能可实现长足提升，最终实现卫星通信中信息的安全传输。2.3方向极化调制技术。方向极化调制技术基于传统的极化调制发射机，方向极化调制发射机采用改进式设计，基于成本最低和硬件改动最小原则，其原理如图3所示。基于图3进行分析可以发现，通过功分和相移单元，数据信号的极化状态映射可顺利实现，利用载波上变频为射频信号配合幅相校准属于传统极化调制模块部分，方向调制发射机的信号发射需利用极化信号的水平和垂直分量，同时在理想方向信道的零空间添加人工噪声，方向极化调制发射机可由此构成。深入分析可以发现，方向调制与传统极化调制发射机的结合可获得新型的方向极化调制发射机，单一天线的传统极化调制发射机可被基于采用天线阵的方向调制发射机代替，配合人工噪声的针对性添加，图2信号极化盲识别流程图3方向极化调制发射机原理合法接收机在期望方向上接收的极化信号属于未畸变、不含人工噪声的信号，而窃听接收机在非期望方向接收的极化信号则属于畸变的具有人工噪声信号。分析传统方向调制和方向极化调制得到的各方向误码率可以发现，经过下变频、信号采样和幅相校准，配合最大似然准则解调信息，即可对比0°～180°各方位角上（期待方向为60°时）传统方向调制的误码率，以及0°～180°各方位角上（期待方向为60°时）方向极化调制的误码率。通过对比可直观发现，方向极化调制相较于传统方向调制具有上升更快的非期望方向误码率。由此可见，方向极化调制技术具有较强的抗干扰性能。结论：综上所述，本文对基于卡尔曼滤波的极化抗干扰技术、改进型快速双极化跳变技术、方向极化调制技术等内容，进行了深入地分析和探讨。必将对现有部队卫星通信装备抗干扰性能的改造具有一定的借鉴意义和启发作用。

作者:李新科 程相波 单位:武警士官学校