引用格式：
王进,张国亭,刘广凯,等.基于方向调制的多目标卫星物理层安全测控技术[J].中国空间科学技术,2023,43(3):144-152.
WANG J,ZHANG G T,LIU G K,et al.Physical layer security technology for multi-satellite TT&C systems based on directional modulation[J].Chinese Space Science and Technology,2023,43(3):144-152(inChinese).
一、文章导读
1.研究背景
目前，全球已有诸多军、民、商领域巨型星座系统正在建设或计划实施，未来在轨卫星数量日益增长，测控设备资源日显紧张，传统的航天测控系统已无法承担海量卫星的测控任务。随遇接入测控技术通过全空域多波束覆盖，可以实现多目标卫星的同时测控能力，大大提升巨型星座系统中测控站的运营效率。另一方面，随着未来海量卫星的部署，在全空域多波束测控系统可见弧段内不可避免会存在一些非目标卫星，如果这些非目标卫星接收能力足够强，则有可能窃听地面测控站的上行信号，使测控链路的安全产生隐患。
本文针对全空域多波束航天测控系统在可视弧段内同时存在多个目标卫星和多个非目标卫星，存在窃听风险的问题,利用方向调制技术设计了多波束方向调制发射机系统。首先，建立多目标卫星物理层安全测控方向调制系统模型。随后，在地面发射信号中引入人工噪声向量，并针对非目标卫星方向已知和未知两种场景分别设计波束成形算法和优化人工噪声，实现系统的物理层安全。非目标卫星方向未知场景下，采用基于正交投影的波束合成方法使目标卫星方向信道上的同信道干扰分量和人工噪声分量置零，同时在非目标卫星方向上干扰分量和人工噪声信号混叠使星座图扭曲无法被解调。非目标卫星方向已知场景下，采用基于最大化信泄噪比（maximum signal-to-leakage-and-noise ratio，Max-SLNR）的波束成形算法。一方面，在目标卫星方向上最大化有用信号与其泄漏分量和噪声的功率比值，来确保有用信号到达目标卫星接收机功率最大化；另一方面，在非目标卫星方向上最大化人工噪声与其泄漏分量和噪声的功率比值，来有效控制人工噪声的作用对象，使其仅对非目标卫星产生效果。最后，通过仿真分析来验证两种场景下算法的有效性。
2.文章梗概
在巨型星座中，航天测控系统需对多目标卫星同时进行测控任务。由于无线信号的广播特性，全空域多波束测控系统在可视弧段内存在多个目标卫星和多个非目标卫星，有用信息在传输过程中易被非目标卫星拦截和窃听，测控链路的物理层安全问题亟待解决。考虑在地面站多波束发射机中引入方向调制技术，通过在发射信号中叠加人工噪声，并针对非目标卫星方向未知和已知两种场景分别设计基于正交投影和基于最大化信泄噪比的波束成形算法，来有效提升测控系统的物理层安全性能。仿真结果表明，两种算法均能使非目标卫星方向上的接收信号星座图产生畸变，同时在目标卫星方向上保持标准的星座图分布。相较而言，正交投影算法更适用于非目标方向未知场景，达到无差别屏蔽非目标卫星方向截获的效果；而Max-SLNR算法综合考虑了对非目标卫星接收机性能的抑制，能够达到定向屏蔽非目标卫星的效果。
3.总结与展望
本文针对全空域多目标卫星的测控安全问题，探讨了方向调制技术在测控系统中的应用。首先，对含有非目标卫星的全空域多波束测控系统进行建模。随后，引入方向调制技术和人工噪声思想，并针对非目标卫星方向未知和已知两种场景分别设计了基于正交投影和基于最大化信泄噪比算法的方向调制合成方案，最后对两种方法的性能进行仿真分析。结果表明，两种方案均能有效抑制多目标卫星的同信道干扰，提升目标卫星的接收性能，降低非目标卫星的截获概率，增强多目标卫星测控系统的物理层安全性能。在实际应用中，若只能通过轨道预报提前获得目标卫星的方向，而无法获得非目标卫星的方向，则适合采用基于正交投影的合成方法，达到除了目标方向外其他方向无差别抗截获效果；若通过空间目标监测或地面监测等手段能够提前获知非目标卫星的方向，则更适用于基于最大化信泄噪比的方案，达到定向“屏蔽”非目标卫星的效果。
二、作者简介
王进，北京跟踪与通信技术研究所博士，研究方向卫星通信与信号处理。
张国亭，北京跟踪与通信技术研究所研究员，研究方向为航天测控体系发展。
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来源：《中国空间科学技术》2023年第3期
编辑：陈飚
监制：祁首冰
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